第一节 概述
前面主要讨论了UPS的功能和环境监控，但很少有对零地电压的监控功能，是不是不这样做就不对呢？这也未必。但往往有这种情况，UPS供电系统建立起来了，如果发现零地电压比较高，多数用户就会想当然地就提出降低零地电压的要求，理由是不降低零地电压机器就无法工作。当然，如果较高的零地电压是由UPS本身产生的，这种降低零地电压的工作就债无旁贷，但如果在装机前，这个零地电压就已经存在，那就得另外想办法解决，UPS绝无此能力。
为了使零地电压不至于影响到作为负载设备的正常工作，就在其机器中装设了零地电压监测电路环节，只要零地电压超过了机器的设定值，这台机器就无法启动，这就更加重了零地电压影响的神秘性。比如有的服务器设定值是1.2V，就真的超过这个值机器无法开机，当零地电压值降到1.2V一下时，开机就正常了。这个设定值有的规定为小于4V，也有的规定为小于1V。
恰恰相反，也有的机器就没有设定零地电压的限值，工作也很好。比如某IDC中心机房的零地电压在4V以上，一年运行下来都非常正常；又如有的证券公司的计算机机房零地电压在10V左右，但UPS已购置近一年，一年后才发现该问题，当得知零地电压对及器有影响时才“严加注意”，在无条件解决的情况下，才觉得惶惶不可终日。但毕竟机器一直在正常工作。
是不是可以说，在没有监控的情况下就没有影响，在有监控的情况下就有影响呢？当然不是，这个问题留待下面讨论。
一、接地的基本概念
接地的种类按其作用可分为两类：功能性接地和保护性接地。
（1）功能性接地 保证系统正常运行的接地或系统的低噪音接地称为功能性接地。将TN系统的中线接地称为系统接地；利用大地做导体，在正常情况下有电流通过的称为工作接地；比如将电子设备的金属底板作为逻辑信号的参考点儿进行的接地，称为逻辑接地；使电缆屏蔽层或金属外皮接地，从而达到电磁屏蔽的目的，称为屏蔽接地。
（2）保护性接地 为了防止人、畜或设备因电击而造成伤亡或损坏的接地称为保护性接地。其中将电器设备的外壳接地或街道PE、PEN线的称为保护接地；为引导雷电流而设置的接地称为防雷接地；在PE或PEN线上一点或多电接向大地称为重复接地。
除特殊情况外，一个建筑物只能存在一个接地系统，以免引入不同电位而导致人身和设备事故。
图10-1示出了通常带有地线的交流电源原理图。由图中可以看出，交流电压在变压器的次级就将零线接地了。地线是交直流电源安全供电的保障。实际上，用电设备从功能上讲是不需要地的，他们只需要火线和零线就够了。但由于供电系统不是理想的“绿色”电源，经常遭受着外界风沙、雷电及各种干扰的影响，是这些影响给机器和人类带来了麻烦甚至生命的危险。比如风沙在供电裸线电缆上的摩擦会产生干扰，雷电在供电电缆上可感应出上万伏的高压，工业和交通干扰会沿传输电缆送往用电器，以上这些干扰都以共模的形式去影响负载。图10-1示出了将共模干扰通过电容器引入地的方法；潮湿的天气会使电源和机壳之间产生漏电，严重的情况是或线于诸如机壳之类的外壳“搭线”如果机壳是“悬空”的，一旦人员接触上去就会有生命危险；为了信号的传输使各设备之间有一个共同的“绿色”地，也需将这个地上的各类干扰引入“大地”。
图10-1 交流电源原理图
为了使这些干扰顺利进入大地，接地电阻是一个重要的指标。在”GBJ79工业企业通信接地”与“GB0065交流电力工程接地”中都对接地电阻的最大允许制作了规定，如表10-1所示。
表 10-1 接地电阻的最大允许值
| 接地装置名称 | 接地电阻最大允许值（） |
| 335kV配电所高、低压共用接地系统 | 4 |
| 335Kv线路杆、塔在居民区的接地系统 | 30 |
| PE或PEN线的重复接地 | 10 |
| 电子设备型号接地 | 4（在与防雷蒂共用时为1） |
| 屏蔽体、高频电炉、X光设备以及10100Kv试验设备等的接地 | 4 |
| 防静电接地 | 10 |
| 建筑物防直击雷冲击接地电阻 | 10（第一、二类）30（第三类） |
| 建筑物防雷电波侵入冲击接地电阻 | 10（第一、二类）30（第三类） |
| 建筑物防雷电感应工频接地电阻 | 10（第一类） |
二、系统接地分类
在UPS的安装中，在不同的情况、不同的地点也会遇到各种不同的接地系统，比如TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统、TT系统和IT系统等。图10-2示出了这几种接地方式的供电系统，为了使概念比较清晰一些，首先将图中的几个主要符号作一说明，主要接地方式由两个字母组成：
第一个字母：
T— 表示供电系统有直接接地点， I— 表示所有火线部分与地隔离，且无保护接地线；
第二个字母：
T— 表示外露可导电部分（如机架、机壳等）直接接地，
N--表示外露可导电部分（如机架、机壳、机座等）直接接到系统地线上。
（a） TN-S 系统 （e） IT系统
（b） TN-C系统 （d） TT系统
（c） TN-C-S系统
图10-2几种接地方式的供电系统
（1）TN-S系统
又称三相五线系统，即三条相线A、B、C，一条中线N和一条保护线PE，仅地线PE的一点接地，用电设备的外露可导电部分（如机架、机壳、机座等）接到PE线上，如图10-2（a）所示。这种连接的好处是正常工作时在PE线上没有电流，因此设备的外露可导电部分也不呈现对地的电压。出现事故时也容易切断电源，因此比较安全。但费用较高，多用于环境条件比较差的场所。此外，由于PE线上不呈现电流，有较强的电磁适应性，有利于数据处理、精密监测装置的供电。
（2）TN-C系统
又称三相四线制系统，与TN-S系统的差别是将N线与PE线合并成一根PEN线，如图10-2（b）所示。当三相负载不平衡或仅由一相带用电设备时，PEN上有电流，在一般情况下，如果选用适当的开关保护装置和足够的导线截面积，也能达到安全要求，目前国内采用这种方式的不少。
（3）TN-C-S系统
也称四线半系统，即在TN-C系统的末端将PEN线分为PE和N，如图10-2（c）所示。但分开后再也不允许合并。这种系统兼有TN-C系统的价格便宜和TN-S系统的比较安全特点，而且电磁适应性也比较强，常用于线路末端环境较差的场合或有数据处理等设备的系统。
（4）TT系统
是三相四线制中线直接接地的系统，这种系统的应用较广。用电设备的外露可导电部分采用各自的PE线接地，如图10-2（d）所示。由于设备各自的PE线互不相关，因此电磁适应性比较好。但是故障电流取决于电力系统的接地电阻和PE线的接地电阻，其值往往很小，不足以使数千瓦用电设备的保护装置和电源断开。为了保护人身安全，必须采用残余电流开关作为线路及用电设备的保护装置，否则就只适用于给小负荷供电。
(5) IT系统
供电系统无接地线或相线经过高阻抗接地，用电设备的外露可导电部分经过各自的PE线接地，如图10-2（e）所示。当任何一相故障接地时，大地即作为相线工作，所以仍能继续运行。如果另一相又接地，则因形成相间短路而造成危险，故必须设置单相接地的监测装置，以便当单相接地时发出警报。这种系统甚为可靠，而且停电的机会很少，多用于煤矿和工厂用电等希望尽量减少停电的地方。同时由于各设备的PE线分开，彼此没有干扰，电磁适应性也比较强。
三、设备的接地
（1） 电子设备的接地
一般都把“地”定义为电路或或系统的零电位参考点，所谓接地就是两点间建立传导通路，以便将电子设备或元件连接到“地”。如前面所述，接地的目的无非是保护操作人员的安全和抑制各类（主要是电磁）干扰，另外还提供电子测两种的电位基准，即“基准地”。图10-3示出了“基准地”的连接方法。
1. 地线并联一点接地 这种方式也称为单点接地，如图10-3（a）所示。就时说，在一个电路系统中只允许有一个物理点备定义为接地参考点。这种接地方式的优点是个电路的地电位置于本电路系统的地线阻抗有关，不受其他电路的影响。其缺点是需要多条接地电线，增加了远离接地点的地线长度和电阻，有时也增加了地线间的干扰耦合，在高频情况下，地线阻抗大大增加。
（a） 地线并联一点接地 （b） 地线并联多点接地
图10-3 基准地线的接地方式
2. 多点接地 多点接地是指在某一系统中，各个需要接地的点都直接接到距离它最近的接地平面上，以使接地线的长度最短，如图10-3（b）所示。接地平面可以是贯通整个系统的优良导电的金属板或很宽且具有一定厚度的铜带。由于接地线最短，就适用于高频情况。其缺点是易构成各种地回路，造成低频地环路干扰。
一般来说，工作频率在1MHz以下时，可采用一点接地的方式；工作频率在10MHz以上时，就应采用多点接地的方式。一点接地时，接地线的长度都应小于0.05（对应工作频率的波长），否则就必须采用多点接地方式。接地线应于接地平面平行，以便使接地引线到接地平面的阻抗更小。这是因为地限到接地平面的特征阻抗Z=(L/C)1/2,式中L使引线电感，C是引线与接地平面之间的电容。由于而导体平行时的电容最大，故导致了阻抗的减小。
A B
图10-4 视频回路混合接地方式
3. 混合接地 如果电路的工作频率很宽，在低频段需采用一点接地，而在高频时则又需用多点接地，遇有此种情况就可采用混合接地的方法，如图10-4所示。该图是一个视频回路混合接地方式的例子，在这个例子中，既有一点接地（机壳和同轴电缆外皮左端接于A），有又多点接地（A和B）；既有低频接地（机壳和同轴电缆外皮左端接于A），又有高频接地（视频信号通过电容接地B），这样就兼顾了两个方面的内容。
（2）地线回路干扰和隔离干扰的措施
不论甚麽样的地线形势和材料（超导条件除外）都会存在电阻和电抗，当有电流流过地线时，就会在地线上形成电压降。地线还可能与其他线路形成回路，当交变磁场与回路交链时，就会在地线上产生感应电动势，从而就会使各公用地线上的电路单元中产生相互干扰。因而减小地线干扰的措施就可归纳为：减小地线阻抗和电源线阻抗，正确选择接地方式和隔离地回路等。
1. 减小接地线竹康的措施 采用宽厚比大的扁铜带制造低阻抗地线，其电阻和电感量都会很小，也可以采用实心平面状接地板；
2. 减小电源线阻抗的方法 在多个电路单元共用一个直流电源的情况下，要求电源的馈线电阻尽量小，以避免共用电源成为电路间的噪声干扰耦合通道。因而，电源馈线应采用长宽比小（即截面积大）的扁铜体，并在满足耐压要求的前提下尽可能减小正负馈线之间的距离，这样就可以减小馈线的回路面积，有利于抑制地回路干扰。
3. 减小地线中低频干扰的方法
① 隔离变压器法
对于地线中的低频干扰，一般采用隔离变压器的方法进行隔离，如图10-5(a)所示。图中变压器初级的接地点也可能在前面某一个地方，为了便于讨论，在这里用虚线
(a) 变压器耦合 (b) 等效电路
图10-5 采用隔离变压器组阁地环路
画出；变压器的次级也直接接地，Ug是等效的地线干扰电压。图(b)是等效电路，由该图可以看出，Ug是加在变压器两个绕组之间的电压源，变压器初级绕组是一个电压源的输出，内组可以看成是一条短路线。在低频时，变压器初次级间电容C的容抗
（10-1）
与电容的容量C和干扰频率的乘积呈反比，由于电容C的容量很小，干扰频率的职也很低，所以变压器初次级间电容C的容抗只就很大，加在负载上的干扰电压信号电压强度Un就很低，即
（10-2）
由于在低频时XCRL，则，所以加在负载上的干扰电压信号电压强度Un0，于是就达到了隔离低频干扰的目的。
但是，如果干扰频率很高，当该频率升高时，由式（10-1）可以看出，电容C的电抗XC随着干扰频率的升高而减小，当该频率升高到一定之后，就开始出现
（10-3）
的局面，这是加到负载上的干扰电压UnUg，这时变压器就失去了隔离线干扰的能力。
应当指出的是，这里讨论的是变压器隔离低频地线干扰，而不是由线路上来的常模低频干扰，因为这种干扰可以按照变压器的变比直接送到负载上，根本无法隔离；另外，高频常模干扰同样像前面一样通过变压器初次级间电容C直接送到负载。就是说，变压器对于由线路上来的常模干扰无任何隔离能力。
② 纵向扼流圈法
当地线传输信号中含有直流分量时，用变压器法就无效了，由于直流分量会使变压器铁心饱和，从而
造成故障。遇有此种情况，就可以采用“纵向扼流圈法”，如图10-6（a）所示。由图中可以看出，扼流圈两个绕组的饶向（同名端）和匝数均相同，当信号电流通过两个绕
（b）等效电路
图10-6 纵向扼流圈阻隔地环路干扰
组时，所产生的磁场正好抵消，如图10-6（b）所示，地线等效干扰电压Ug所引起的干扰电流流经两个绕组时，所产生的磁场同相叠加，使扼流圈对干扰电流呈现出较大的感抗，由于其感抗XL与频率及电感正比关系，即
（10-4）
并且随着干扰频率的增加而加大,如图10-7所示就是干扰信号衰减的理论计算曲线。由图中可以看出加到负载上干扰信号强度Un的趋势。但由于绕组间存在着分布电容C，则电感的作用就不单单是感抗，而是一个C和L并联的阻抗，如图10-8(a)所示，
图10-7 干扰信号衰减的理论计算曲线
其阻抗值为
（10-5）
式中 Z— 纵向电感L的等效阻抗（这里略去了分布点组），
XL— 纵向电感的感抗，
XC— 纵向电感匝间分布电容的容抗，
ƒ — 干扰信号Ug的频率。
为了求出该纵向电感L对干扰信号的最大衰减阻抗Zmax，将式（10-5）对频率取导数，并令其为零，即
Zˊ= 0
经这里后就得出 （10-6）
式中就是纵向电感的特征角频率T =2ƒT ，所以，当干扰信号频率ƒ=ƒT 时，该纵向电感对干扰信号的衰减能力最强，如图10-8(b)所示曲线的峰值。当干扰信号频率ƒ >ƒT 时，其感抗变得越来越大，而容抗却变得越来越小，由式（10-5）可以看出
（10-7）
(a) 电感的等效电路图
(b) 实测曲线
图10-8 纵向扼流圈抑制干扰的能力
虽然分子部分是随着频率的升高而升高的，但分母部分是按照频率的平方而增大的，因此总的结果是下降的，这就是图10-8(b)曲线在峰值以后的实测下降部分。
（3）供电系统的中性点接地
一般供电系统都要求中性电接地，大都是在变电站低压输入变压器的次级接地了。这是一种工作接地，保证电力系统及其设备在正常和故障状态下具有适当的运行条件。供电系统中性点接地方式的选择是一个综合性的技术经济问题，它主要考虑的条件是：
1.供电的可靠性；
2.涉及设备制造和建设投资的绝缘水平与绝缘配合；
3.对继电报护的影响；
4.对通信和信号系统的干扰；
5.对系统稳定的影响等。
供电系统中实际采用的中性点接地方式由许多种，主要有直接接地、不接地和经消弧线圈接地三种。其他派生的还有静电阻或电抗接地，但如果从主要运行特性划分，就有有效接地系统和非有效接地系统等量大类。
1.有效接地系统 也称为大电流接地系统，中性点直接接地和经小阻抗接地都属于这一类，其划分标准是系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/ X1 3，且零序电阻（R0）和正序电阻（R1）的比值R0/ R1 1。这类接地系统的最大优点是内部过电压较低，可以降低设备的绝缘水平，从而节约了投资，在110Kv以上系统中得到了普遍应用。
2.非有效接地系统 也称为小电流接地系统，中性点不直接接地、经消弧线圈接地或高阻抗接地都属于这一类。其划分标准是系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/ X1系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/ X13，且零序电阻（R0）和正序电阻（R1）的比值R0/ R11。这类接地系统的最大优点是供电可靠性较高，在绝缘投资所占比重不大的110kV以上系统中得到了普遍应用。
* 注：零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的定义见“电气工程师手册”398页，机械工业出版社 2000年6月出版
（4）中性点接地对设备的影响
中性点接地方式对设备的影响，主要由有效和非有效两类接地系统在单相接地短路与内部过电压两方面的巨大差异引起。有效接地系统单相接地短路电流大，最大值可能达到或超过三相短路电流，而内部过电压不高；非有效接地系统单相接地电流很小，中性点不接地时为电容电流，经销弧线圈接地时为补偿后的残流，但内部过电压很高（特别是不接地时）。因此，不同接地方式对设备的影响可归纳为表10-2。
表10-2不同接地点方式对设备的影响
| 比 较 项 目 | 中 性 点 接 地 方 式 | ||
| 直 接 接 地 | 经 消 弧 线 圈 接 地 | 不 接 地 | |
| 断 路 器 工 作 条 件 | 按I(1)d、I(3)d中最大之校核遮断容量，动作次数多 | 按I(3)d考虑遮断容量，不经常动作 | 按I(3)d考虑遮断容量，动作此书比较多 |
| 单相接地后果与供电可靠性 | 单相接地要跳闸，影响供电可靠性 | 大部分接地故障能自动消除，供电可靠性高 | 单相接地产生中性电位移，供电可靠性较高 |
| 高压电器设备绝缘 | 一般可降低 | 全绝缘 | |
| 阀型避雷器的灭弧特性 | 可按80%线电压采用 | 不低于100%最高运行相电压 | |
第二节 零线电流和零地电压的构成
一、零线上的电流
这里所讨论零线上的电流首先是假设在低频（50Hz或60Hz）情况，讨论在这种情况下的三相电流相等、三相电流不相等、一相电流为零和两相电流为零时，在零线上的流动情况，从而确定零线线径的选择依据。
（1）三相电流相等时
在三相四线制供电系统中，当三相电压稳定在额定值时且负载平衡时，尽管各负载电流Ia 、Ib 、Ic都通过零线形成回路，如图10-9所示，但由于各电流的相位差互为180，他们的矢量和为零，即
İa+ İb + İc = 0 （10-8）
N
E
图10-9 D-Y变压器变换的供电系统原理图
如图10-10（a）所示，由于中心点正好是等边三角形的中心，零线上应无电流通过，这是最理想的情况。既然零线上无电流流动，当然也就无电压降产生；
（2）三相电流不相等时
但在实际应用中，单相电的用户居多，而且又是分别分布在三个相电压上，这就造成了三相用电的不均衡。于是就提出了一个问题：零线的线径究竟选多大为适宜，有的说选和火线一样的线径即可；但也有的说：由于三相电流都要经过零线，所以应选择三倍于火线粗细的零线才行。因此，必须首先知道零线上的最大电流值，才可有的放矢做到心中有数。由前面的讨论可知，当三相电流相等时，零线上的电流为零，只要三相电压上都有负载，就有互相抵消的性能。由于假定三相电压稳定在额定值且互相，所以其三相电流的矢量公共点一直位于等边三角形的中心点上，如果其中有一相电流减小，如图10-10（b）所示的A相电流减小到İ´a< İa时，在零线上的电流矢量和
İb + İc -İ´a= İn< İa 、 İb 、İc （10-9）
小于任一相的额定电流。
（3）一相电流为零时
图10-10（c）示出了C相电流为零的情况（任意一相均可），这时若其他两相的电流为额定值，那末流入零线的电流就是相差120°的İa和İb两个电流矢量和，由矢量图可以看出，由于这是一个菱形结构，120°的加角被矢量和İn均分后构成了两个全等的等边三角形，因此也就形成了
İn= İa= İb （10-10）
的结果。可以看出，当一相电流为零时，零线上的电流等于一相上的额定电流。如果该两相的电流不相等，并且其中一相小于额定值，同样可以证明零线上的合成电流小于一相的额定值。
(4)两相电流为零时
当两相电流为零时，电路就变成了如图10-10（d）的简单形式，在这种情况下，零线上的电流就是相线上的电流。
由上面的讨论可以看出，在三相电压为稳定而相等的额定值情况下，零线上的电流最大值就是一相上的额定电流值。
（a） 三相电流相等的情况 （b） A相电流小于额定值时的情况
（c） C相电流为零的情况 （d） B、C两相电流为零时的情况
图10-10 三相电流示量图
二、零线的选择和零地电压的形成
（1）零线和零线电压
零线是三相四线制供电电源的中线，是380V/220V三相供电制输出220V的必要条件。由图10-11(a)可以看出，三相电压的线电压和相电压是一个等边三角形的边线和由中心点连向各顶点的关系，因此，线电压和相电压的关系就是：
Uab= Ubc= Uca=U线
UaO= UbO= UcO=U相
且 U线 =U相 （10-11）
在正常情况下这是个固定关系，此时的中（零）上无电流流过，也不会有零线电压。但这个关系也往往被破坏，比如图10-11(b)所示三相电压不均衡的情况，这种现象多是
(a) 三相电压均衡的情况 (b) 负载端三相电压不均衡的情况
图10-11 三相电压的线电压和相电压的关系图
由于三相负载的严重不均衡引起，因为在传输电缆距离长、导线接面积不足够大的情况下，其分布电阻在大电流时就显得明显了，负载端的电压电源（比如变电站）电压与传输电缆上的压降之差，传输电缆上的压降增大了，负载端的电压当然就小了。造成了中心点的移位，零线上就有了电流，当然也就有了电压。
另一方面，由于包括UPS在内的大量电子设备的应用，整流负载几乎成了污染电网的公害。如图10-12 所示电源带整流负载的情况，其中有单相整流负载和三相整流负载，不论是哪一种，只要没有采用功率因
图10-12 电源带整流负载的情况
数校正措施，就会按照式（10-12）的规律产生高次谐波，即
Hn = 2N1 （10-12）
式中：Hn — n次谐波
N — 整流相数
整流为单相时，谐波次数为1，3，5，7，… ；整流为三相时，谐波次数为5，7，… ；整流为六相时，谐波次数为11，13，… 。可以看出，整流相数越多，所产生的最低谐波次数越高，由于谐波的能量是随着谐波次数的增高而减小的，所以，整流相数的增多对提高输入功率因数由好处，这也就是为甚麽许多UPS为了提高输入功率因数而将6脉冲（三相）整流改为12脉冲（六相）整流的原因。
从另一方面看，整流相数的增多提高了对零线电缆的要求，因为这些谐波电流都要流经零线而形成回路，在高次谐波下，零线电缆上分布电感的感抗:
XL=2πƒnL
的作用开始显露出来。
式中：XL— 零线分布点感的感抗，Ω
ƒn — 谐波频率，Hz
在高频下，导线上会出现集肤效应，即电流在高频时，再也不是均匀地分布在导线的整个截面积上，而是集中在距导线中心一定距离的外皮深度上，这个外皮的厚度（称为透入深度）d为
（10-13）
式中： d — 透入深度，mm;
α— 衰减常数，Np/m;
— 角频率， =2πƒ，rad/s；
— 导磁率，H/m;
— 电导率，MS/m.
由上是可以看出，频率越高，透入深度就越小，导线的利用率就越低，即电阻就越大，在同样电流下所造成的电压降就越大。尤其是在频率更高的常模干扰和共模干扰的情况下，在零线上造成的电压降就更高。由此看来，零线电缆规格的选择就需要综合考虑，尤其要了解用电环境的实际情况。一般选择比相线
粗的电缆作零线是有利的。
（2）零地电压的形成
我国的供电一般在变电站（或类似变电站的供电点）的D-Y变压后，其次级绕组的中点就地和大地E相联，如图10-13的NO点。然后由此引出两条线，一条零线NC和一条地线OO，在此将接地作为交流参考点，由零线和相线一起作为设备的供电
图10-13 零地电压及其传输路径
电源。作为一个例子，在该图中的三相分别带了单相负载，如果定义由变压器流出的电流方向为正，那末由零线流回中点N的得电流方向就为负，如图中箭头方向所示。很明显，电流的数值由左至右是逐渐加大的，所以电压也是由左至右是逐渐加大的。如果以o点为参考（因要求接地线又粗又短，故可把No看作一点），于是就有零地电压UNE逐渐增大的关系，即
UAO < UBO < UCO
如果地线oo的截面积足够大，就可以将这条线看作一个点，这样，零地电压UNE就是由左至右是逐渐加大的。当然，如果No不相联接，即零线悬空，此时就测不出零地电压UNE。
第三节 零地电压对用电设备的影响
一、零地电压的传输路径
在很多电子设备（尤其是计算机）负载用户配备UPS之类的交流电源院时，大都对零地电压提出了很高的要求，不少用户希望这个值小于1V。因为他们认为零地电压是影响机器运行可靠性的注要因素，甚至有的服务器在零地电压高于某一值（比如1.2V）时就无法启动。有时机器出了故障也归罪于零地电压太大。
究竟零地电压对作为负载的电子设备有多大的影响，是如何影响的，只有明白了这一点才可有的放矢地去寻找解决方法。若达此目的就要首先搞清楚零地电压的传输路径。
目前电子设备和供电电源的连接方式有两种：负载为输入端有隔离变压器的情况和负载电源中间有隔离变压器的情况，如图10-14所示，先分别进行讨论。
(a) 负载输入端有隔离变压器的情况
(b) 负载的电源中间有隔离变压器的情况
图10-14 UPS的不同负载结构情况
（1）负载为输入端有隔离变压器的情况
图10-14(a)示出了负载为输入端有隔离变压器的情况，为了方便起见，只取出一相进行讨论。这种负载形式在要求较高的负载上目前还有应用，比如线型电源等。可以看出，单相电压的两条线：相线和零线只能到达输入变压器Ti的初级绕组输入端，其电压也只能直接加到输入变压器Ti的初级绕组线圈上，就是说，当相电压的不论是相线还是零线都到此为止，再往后的通路已被隔断。
（2）负载的电源中间有隔离变压器的情况
图10-14(b)示出了负载电源中间有隔离变压器的情况，这种负载电源形式目前使用最多，就是应用最广的PWM电源。由图中可以看出，单相电压的两条线：相线和零线加到输入整流器的输入端，经整流后的电压被滤波成直流，而后加到高频变压器Tm的初级绕组，如果说单相电压的两条线在整流器上不算终点的话，那麽在该高频变压器的初级绕组上已是终点，再往后的通路已被隔断。
由以上的两种负载结构形式可以看出，单相电压的两条线：相线和零线都只能加到用电设备电源变压器的初级绕组，再往后的电通路均被隔断。
二、零地电压对负载影响的讨论
所谓零地电压对负载的影响，就是指对负载工作的干扰。对负载造成干扰需要满足三个条件：足够能量的干扰源，畅通的干扰通路和无防备的被干扰对象。因此，消除干扰的条件也对应有三条：消除干扰源，
切断干扰通路和增强被干扰对象的抗干扰能力。具体到零地电压对负载的影响，则需具体问题具体讨论。
（1） 消除干扰源
在这里就是消除零地电压的意思，针对这种情况就可采取这样的措施：
1. 断开如图10-14供电变压器次级的接地点，使零线上的电压悬空，这就无法形成零地电压。但由前面的讨论可知，零线不接地的供电系统有可能造成被供电负载机器工作的不稳定；
2. 是三相负载平衡，造成零线电流为零的事实，既然无电流，当然也就无电压形成，即使零线接地也不会产生零地电压,但在实际工作中使零线电流为零几乎是不可能的；
3. 加大零线的尺寸，目的是减小零线电阻和电感，在同样大电流的情况下可以降低在零线上的电压降。当然，这样做就会增加一定的投资，有时也会受机内和场地条件的；
由以上讨论可以看出，消除零地电压几乎是不可能的，只能做一定程度的减小。
（2） 切断干扰通路
前面也曾讨论了零地电压的通路，由讨论可知，零地电压到负载并无通路。图10-15表示的更加明显一些，该图是将一相的情况择出进行讨论，后面的负载是典型的计算机电源。单相电压得相线L和零线N 加到计算机电源的输入整流器上，我国的单相电压是UA=220V，换句话说，整流器的输入电压值取自L和N之间，零地电压UNE再高也只能是在零线N以下，由于该电压和计算机电源只有一点相连，无法形成回路；尽管负载端的直流地和共用地相连，但电源中由于有隔离变压器将电路的前后进行了隔离，也使UNE和电路形不成回路，所以也无法加到电路上去；是不是高频干扰甚至射频干扰可
图10-15 供电电路原理图
通过隔离变压器的寄生电容形成回路呢？这种可能性是很小的，首先是任何计算机电源的输入端都有很有效的滤除常模干扰和共模干扰的措施，高频在零地之间已被电容旁路和衰减到最低限度，另一方面，由于该变压器是高频变压器，尤其注重高频干扰的通路问题，所以初次级之间的寄生电容极小，完全阻隔了高频干扰的侵入；在加之这种电源都要通过电磁兼容EMC的标准规定，因此，在这方面的通路也被堵死。比如，某由160kVA UPS供电的几个IDC中心,零地电压已达4.5V，在两年的工作中并未因此而影响工作；更有甚者，由20kVA UPS供电的某证券公司计算中心，在机器正常运行了一年以后，在一个偶然的机会才测到零地电压高过10V…
所以说，零地电压在此并无通路可言。干扰被阻隔在直流电源的前面，因此，计算机的直流电源是一个很理想的供电电源。当然，不合乎规定的劣质电源则另作别论，因为它的输出直流电压中含有未被过滤干净的干扰信号。
（3） 增强被干扰对象的抗干扰能力
既然零地电压和负载构不成通路，不能形成干扰，是不是说就没有必要增强被干扰对象的抗干扰能力了呢？当然不是。因为，虽然零地点压 和负载构不成通路，不能形成干扰，但并不代表没有其他的干扰侵入。比如通过地线的干扰，空间来的干扰，电路内部的线互干扰和罕见的强雷电干扰等。
为了抑制这些干扰，在电路中一般都设置了很多波环节。这就是为抵抗外来干扰设立的最后防线。
既然零地电压对负载不构成干扰，那为甚麽有的服务器在零地电压高于一定值（比如1.5V）时就不能开机呢？这并不是因为零地电压干扰了负载而不能开机，而是该服务器内部设置了零地电压监测电路之故。如图10-16所示，就是零地电压检测电路的一个例子。
在这个例子中，电路的输入整流器接于零地线之间，将零地电压的交流波或混合波整流成直流波，经电容C 滤波后就形成了一个比较平滑的直流电压Uc ，Uc经电阻分压後加到比较器的同相输入端，和比较器反相测量端的基准电压Uf进行比较，当Uc Uf时，比较器输出低电位，三极管VT不动作，原来串接在电源输入线上的继电器KL常
L KL + U
NC
KL
Uc Uf
C VT
图10-16 零地电压监测电路
闭触点NC将电压传送到设备上，使设备正常加电工作；一旦Uc Uf，比较器就输出正电压，打开三极管VT，使继电器动作，于是常闭触点NC断开，使输入电压加不到设备上。就认为因零地电压UNE过高而使设备无法工作。
第四节 干扰UPS用电设备的因素
根据上面的讨论，可能有的就提出这样的问题：既然不是零地电压干扰设备，那麽设备的干扰从何而来呢？实际上，用电设备的有时不能正常运行原因很多，受干扰的原因也很多，如果把设备的受干扰仅仅局限在零地电压上，就会陷入盲目性。比如，即使是零地电压满足用户提出的要求，也照样会因干扰而出故障。为此，对干扰或噪声作一讨论是必要的。
1、噪声的种类
按照国家标准GB2900 1-82对噪声的定义是：“任何不希望有的信号；广义地说，是在一有用频带内的任何不希望有的信号。”因为这些不希望有的信号会对电路的正常工作造成危害。对噪声的划分方法很多，可以按噪声产生的原因来分，也可以按噪声的性质、波形、持续时间来分，还可以按噪声的传递途径等的各种表现或特性来分类。不过，不论哪种分类方法都有局限性，都不能全面地反映错综复杂的噪声性质和形态。在此只能概要地讨论于UPS等电子设备有直接关系的内部噪声和外来噪声。
（1）内部噪声
内部噪声指的是在电子装置和设备内部或器件本身产生的噪声。主要有下面几种：
1. 热噪声：由导体和半导体中的电子热骚动而形成的电子噪声，它是一种几乎遍布整个频谱的均匀噪声，成为白噪声。所有具有电阻的元件都产生热噪声。温度越低，噪声越小，只有在温度非常非常低时，才会消除这种噪声。热噪声也称为电阻噪声、约翰逊噪声等。
2. 散粒噪声：电子管和半导体都会产生这种噪声。当电子管阴极发射的电子随机变化和半导体载流子随机迁移时，由于在一定时间内阴极电子或载流子形成一种不规则和不连续的运动，而在很宽的频谱内出现的电压起伏现象，成为散粒噪声，也叫肖特基噪声。
3.闪变噪声：电子管阴极产生的噪声叫闪变噪声，它是由于各种表面的漏电效应而造成的载流子密度波动形成，氧化物阴极的闪变噪声最大。这种噪声的频谱密度在低频下最高，故又称低频噪声。.闪变噪声的大小于直流电流成正比，其功率密度与频率的倒数（1/）成正比，所以又称1/噪声。
4. 颤动噪声：电子管在受到其他部件或系统的机械振动时而引起的阴极振动，导致电流波动，使电路参数变化，从而引起电路中的电压波动，也称振动噪声。
5. 交流噪声： 是指在电子设备输出中出现的电源频率整倍数频率的噪声。电子设备多用于工频交流电整流后的直流或再经PWM变换后作为电源。若滤波电路不理想，往往混入了流成分，形成交流声。
6. 感应噪声： 如果电路的器件布局、走线和接地方式等不恰当，就会产生静电感应和电磁感应，并经过一定线路耦合而形成噪声。
7. 断裂噪声： 当电路元器件接触不良、电路连接不好，或开关器件的触点接触不良，当有脉冲电流通过是，由于器件腿、导线的伸缩或触点的抖动，便会产生断裂噪声。
8. 振荡噪声：振荡噪声是由于某种去耦电路考虑不周，放大电路的部分输出功率反馈到输入端而形成的噪声。
9. 尖峰噪声：切断电路中电感负载电流时，将产生冲击或衰减振荡而形成的噪声。
10. 反射噪声： 高频信号在长线传输时，由于阻抗不匹配，就会在阻抗变化点或传输线始端与末端产生反射，该反射信号叠加在原信号之上，形成的波形畸变称为反射噪声。
11. 其他内部噪声： 由于电路条件不符合要求而使信号波形发生畸变，由于电路参数选择不当或其他原因而出现高次谐波；由于机电设备的结构或器件特性恶化而诱发的有害干扰等，也会造成电量的变化，所以也和噪声同等看待。
（2）外来噪声
顾名思义，这是一些从外部侵入电子设备和装置的噪声。主要由自然噪声和来自其他机器和设备的人为噪声两种。
所谓自然噪声，是指天文气象中大自然现象所产生的噪声，最常见的有大气层噪声、太阳噪声和宇宙噪声；来自其他机器和设备的“人为噪声”是指一些外部用电设备所产生的噪声。由于用电设备在不断增加，所以“人为噪声”也在不断加强。表10-3和表10-4给出了自然噪声和人为噪声的情况。
表10-3 自然噪声
| 自然噪声种类 | 产生的原因 | 特 点 |
大气层噪声 （雷电噪声） | 凡大气层中能够构成电荷分离、积聚等条件时都会产生放电现象。如雷电、低气压、台风、飞雪、火山喷烟、黄沙等。 | ·火花放电 ·干扰频带很宽，从基地频道超高频 ·传送距离远 ·噪声强度和干扰频度随季节和地区而异 |
太阳噪声 | 太阳黑子发射出来的噪声和太阳黑子增加、活动激烈时产生的磁暴 | · 噪声大小取决于太阳黑子的数量和活动激烈程度，有时可增强数千倍 ·对无线电通信有严重干扰 |
| 宇宙噪声 （银河噪声） | 尚未探明原因，但已提出许多学说：宇宙太空电子自由转移说；银河系恒星体上爆炸现象说等 | ·干扰无线电通信 ·对宇宙航行有危害 |
| 产生噪声的设备 | 噪声源（括号内为产生原因） | 噪声表现形式 | |
民 用 电器设备 | 有触点电器 | 霓虹灯、彩色电珠等灯具、继电器、电磁开关、电热被褥、电冰箱、电熨斗等 | 火花放电、电弧放电、脉冲噪声 |
| 使用换向器电动机的机器 | 电钻、牙科器械、汽车发动机、吸尘器、电动搅拌机、电动剃须刀、电按摩器等 | 火花放电、电弧放电、摩擦接触 | |
| 放电管 | 荧光灯、霓虹放电管、高压水银灯、高压钠灯、金属卤素灯等 | 辉光放电、浪涌电流 | |
| 用功率半导体器件组装的机器 | 晶体管、可控硅、IGBT、IEBT、GTO、整流器、逆变器 | 谐波和高频噪声、电源波形畸变等 | |
高频设备 | 工业用高频设备 | 高频加热器、高频电焊机、电子加热器 | 辐射和传导 |
| 高频医疗设备 | 甚高频或特高频已了装置、电测仪等 | 辐射和传导 | |
| 超声波设备 | 探伤仪、测深仪、鱼群探测器、超声波清洗机等 | 辐射和传导 | |
| 加工设备 | 大功率设备 | 冲床、电焊机、电动机、发电机、补偿电容器组 | 电压浪涌 |
电力设备 | 输配电线和电气化铁路 | （工频感应、静电感应、电磁感应、大地楼电流） | 工频或脉冲 |
| （绝缘老化、金属触点腐蚀、接触不良） | 火花放电、电弧放电、 | ||
| 车厢内机器、整流器等（车轮舜时脱离铁轨） | 火花放电、电弧放电、 | ||
| 内燃机 | 机动车 | 点火系统 | 放电 |
| 发电机、电刷、喇叭、方向指示器、电压调节器 | 多种噪声 | ||
| 无线电通信设备 | 大功率发射装置 | 广播设备、雷达设备 | 辐射 无用信号发射 |
| 数字电路 | 计算机 | 时钟发生器、开关电源等 | 脉冲、高次谐波 无用信号发射 |
| UPS、DSTS | 可控硅通/断、功率管通/断、接触器通/断等 | 瞬变、火花 | |
| 核爆炸设备 | 核爆炸时，四周气体电离，使地磁场突然异变成消失状态 | 100kA基电流脉冲 | |
（3）常模噪声和共模噪声
从噪声对电子电路产生电磁干扰的模式来说，用常模噪声和共模噪声的概念来表示干扰是一种具有实用价值的分类方法。
1.常模噪声（Normal Mode Noise）：又称串模噪声、线间感应噪声或对称噪声，还有的称做差动噪声、横向噪声等。这种噪声如图10-17（a）所示。这种噪声信号存在于
（a） 常模噪声图 （b）供模噪声图
（c）供模噪声形成常模噪声图
图10-17 几种噪声图示
信号线的两线之间，N为噪声源，R为受干扰设备，UN为噪声电压，噪声电流IN和信号电流IS的路径在往返两条线上是一致的，即噪声电流IN和信号电流IS是叠加在一起传输的，所以很难消除。
2. 共模噪声（Common Mode Noise）：由称对地感应噪声、纵向噪声或不对称噪声。噪声的侵入路径如图10-17（b）所示。噪声在两条线上各流过一部分，流向相同，以地为公共回路，而信号电流和上述一样，仍在往返两条线上流动。从本质上讲，这种噪声是可以除掉的。但由于电路的不平衡状态，共模噪声也会转换成常模噪声，这可用图10-17（c）所示的电路来说明。
图中E为噪声源。RL为负载，Z1和Z2是两根导线的对地阻抗。如果Z1和Z2相等，则噪声电压UN1和UN2也相等，从而噪声电流IN1和IN2也相等，在负载中相抵消；然而当Z1Z2时，则UN1UN2，从而IN1IN2，于是UN1-UN2=UN0，于是就会产生一个电流
IN=UN/RL，这就形成了常模噪声。因此，当发现常模噪声时，也要考虑它是否由于线路的不平衡状态，从共模噪声转换来的。
共模噪声有交、直流之分。交流共模噪声分布很广，而直流共模噪声有时是由于接大地的地方有电化学腐蚀作用而形成的局部整流效应所至，或者由于直流动力网的直流地电位差产生。接地不当或泄漏电流等所造成的共模噪声大多在转换成常模噪声后才暴露出其危害性。通常，输入输出线与大地或机壳之间发生的噪声都属于共模噪声，信号线受到静电感应时所产生的噪声也多为共模噪声。抑制共模噪声的方法很多，如屏蔽、接地、隔离等。
2、噪声产生的机理和传递方式
（1）噪声产生的机理
为了掌握具有代表性的噪声现象和他们产生的机理，在这里把性质相近的噪声归纳在一起，用表10-5进行说明。
表10-5 噪声产生的机理
| 种类 | 产生的机理 | 典型情况 |
| 放 电 噪 声 | 火花放电 | 线路绝缘损坏造成 |
| 静电放电 | 强电场造成 | |
| 持续放电 | 电晕、辉光、电弧 | |
| 直击雷 | 天空云层和大地地表之间的放电 | |
接 触 噪 声 | 静态接触 | 触点接触压力改变引起接触电阻的变化 |
| 冲击 | 冲击过程中接触电阻的变化 | |
| 振动 | 机械振动引起的接触电阻变化 | |
| 表面损坏 | 接点表面损坏引起的电阻变化 | |
| 触点抖动 | 触点在接触与闭合之间抖动时引起的断续电流 | |
| 触点接触不充分 | 触点未完全断开或闭合的过渡状态 | |
| 电极电荷起伏，电极电压波动 | 电子设备电极触的电压波动（如医用仪器） | |
| 金属氧化物整流滤波输出 | 金属氧化物的调制和检波 | |
| 热电动势、直流成分 | 不同金属材料接触处温差引起的电动势 | |
| 金属接触面的断续接触 | 金属接触面断续接触引起的电流、电压变化 | |
| 电感电容LC元件的振荡工作状态 | LC正当形成的无用信号 | |
过 渡 性 噪 声 | 高速数字电路的电源通断 | 集成电路中的过渡过程产生的尖峰电流 |
| 接通时的冲击电流 | 日光灯和电动机的启动冲击电流 | |
| 电力线过渡电压 | 线路通断或故障时的异常电压 | |
| 感应雷 | 云层在传输线上所感应的电荷放电成为自由电荷，是传输线上的行波 | |
| 电子开关动作 | 电子开关器件的相位控制 | |
| 无 用 信 号 | 工频电源的非预期信号 | 电源的哼哼声，波形畸变等 |
| 无线电频率 | 高频设备、发射机、振荡器等高频信号发生器 | |
| 脉冲信号 | 数字电路工作时的数字脉冲信号的扩散 | |
| 无用发射 | 发射机的高次谐波，接受机的本地振荡 | |
| 反 射 波 | 信号本身的延迟信号 | 空中的反射波 |
| 不匹配 | 传输线路阻抗不匹配引起的反射 |
可以说，所有噪声都是通过各种导线、空间、大地来传递的。尽管把沿导线传输的噪声称为传导噪声，但实际上它往往包含这其他多种噪声，既有与导线直接相联的噪声源，也有导线沿途经感应、辐射等空间电磁场作用而吸收的噪声。由于噪声的传递是形成电磁干扰的重要过程，或者说噪声源大多是通过电磁场对有关电子设备形成电磁干扰作用的，因此可用表10-6进行说明。
表10-6 噪声的传递方式
| 传递途径 | 传递方式 | 决 定 因 素 | 噪声表现形式 | ||
导 线 | 传 导 | 经导线侵入 | 干扰模式 | 常模噪声：叠加在信号线之间的噪声 | |
| 共模噪声：叠加在线路与地之间的噪声 | |||||
侵入路线 | 电源线：由电源线路侵入的噪声 | ||||
| 信号线：从信号输入输出线侵入的噪声 | |||||
| 空 间 | 辐 射 | 距辐射电磁场距离 | 电磁波 | ||
| 辐射源的波长 | |||||
| 感 应 | 平行走线和多心电缆等近距离电磁场 | 静电感应：高阻抗电场的电耦合 | |||
| 电磁感应：低阻抗磁场的电磁耦合 | |||||
大 地 和 接地电路 | 地线传导 | 地线上出现的噪声电压 | 静电耦合 | 由地线侵入的噪声 | |
| 电磁耦合 | |||||
| 地线感应 | 电导耦合 | 外电流流入裸线 | |||
| 天线效应 | 接地线称为天线而辐射出噪声 | ||||
| 接地噪声 | 地电流 | 共模噪声 | 接地点间的电位差 | ||
按照电磁场的理论，场中某点的特性取决于场源的性质和该点与场源的距离。电磁场由下列三部分构成：
1. 辐射场。也称远场。距离场源足够远的空间属于这种电磁场区。其特性主要由传递电磁场的介质来决定。在辐射场内，电场强度E和磁场强度H之比是一个常数，等于介质的波阻抗，真空或空气的波阻抗Z0=377。由于E和H在时间上同相而向外发射电磁能量。辐射场的强度和场源（电流强度等）有关，而且与频率成正比，频率越高，辐射场强越大。
2.静电场和静磁场。也称为近场。距离场源足够近的空间属于这种电磁场区。场源的性质决定改近场是电场还是磁场。在高电压小电流的场源附近，如一段垂直天线附近，主要是电场；而在低电压大电流的场源附近，如电流线圈或框性天线附近，主要是磁场。因为这种电场和磁场的强度可安静电场和稳定磁场的计算方法秋初，所以称之为静电场或静磁场。实际上，其场强是随场源而变的，并使近场中的电子设备产生感应噪声，所以其性质属于感应场，不对外辐射能量。
3.感应电磁场。是介于辐射场和.静电场、静磁场之间过渡区域，所以场的性质比较复杂。
上述三种区域的边界与波长和距离有关。设波长为（=c/，c为电磁波在真空中的传播速度，就是光速，c=3108m/s），距离为r0（r0=/2）。通常把离场源的距离r3r0，的区域定义为远场，即r/2的区域为远场；把r r0/3的区域定义为近场，即r /20的区域为近场。实践证明，这样的划分已相当准确。在处理问题时，即使把近场的距离扩大到r= r0/6，也能获得很好的结果。比如，=1MHz时，=300m， r0=50 m，因此，1MHz以下的电子设备内电子耦合性质属近场感应，只需按照场源的性质分清是电场还是磁场即可。
不过，从电场或磁场的角度研究噪声的传递方式仍然是很麻烦的。为了简化起见，可以认为两个带电导体间，其电场集中在以导电导体为极板的电容器中，磁场集中在载流回路构成的电感中。这样一来，噪声耦合通道就可用集中参数的电容C和电感L来
图10-18 噪声耦合原理图
表示。即，由于电位变化，在两个导体间引起的静电感应，可以用两个导体间的电容C耦合来代替；由于电流变化，在两个回路间引起的电磁感应，可以用两回路的互感M耦合来代替。这便是采用集中参数的回路分析法。不过，当电路的尺寸，如传输线的长度接近信号波长时，就不能忽略电磁场的波动特性，对电流和电压沿线路发生的变化必须予以考虑。在进行这种电路研究时，把整个电路设想成许多小的线路段，每段仍可用集中参数来表示，于是整个线路就能用分布参数的电路来表示。至于电磁屏蔽等问题，由于涉及到电磁场分布和电磁波在介质中的吸收和反射等，仍需从此场出发进行讨论。
下面就用回路理论来讨论电子设备间的电磁耦合。
图10-18种有三个噪声源：N1、N2和N3。R可以认为是机、电、仪一体化设备中电子部分的总称。这里举出三种耦合的例子：
公共阻抗耦合
这是一种噪声源和信号源具有公共阻抗时的传导耦合。图中的噪声源N1与接收器R因有公共阻抗Z而产生耦合。公共阻抗随元件配置和实际器件的具体条件而变．例如，电源线和接地线的电阻与电感在一定条件下会形成公共阻抗；一个电源电路同时给几个电路供电时，如果电源不是内阻抗为0的理想电压源，则其内阻抗就成为几个用户的公共阻抗，只要其中一个用户的电流发生变化，便会使电源输出电压发生变化，从而形成公共阻抗耦合。
静电感应耦合
设UN3为接收其R的感应电压UNC
其中 UNC =j CUNCZR
式中：ZR是接收器阻抗，ZR1/ C；
C是N3与接收器间的分布电容。
电磁感应耦合
噪声电流IN2对接收器R产生的感应电压UNM为
UNM =j M IN2
是中M为互感，因是户感引起，所以也称M耦合。
不论是C耦合还是M耦合，都与频率成正比。如果电路结构相同，则频率越高，则干扰越大。
除了上述三种耦合外，通常在电子设备的机壳内还有漏电流耦合。这种耦合有时是单独发生，有时是同时发生或交叉发生，形成错综复杂的噪声，所以需要兼用多种措施进行抑制。
为了概括的掌握噪声耦合的机理，表10-7中列出了电子设备中噪声耦合机理的等效电路、计算表达式等与实际器件的对应关系和常用的噪声抑制方法
表10-7 噪声耦合机理
类别
| 项目 | 静电感应 | 电磁感应 | 公共阻抗耦合 | 漏电流耦合 |
| 等效电路 | (a) | (b) | (c) | (d) |
| 估算公式 | U2= j CU1Z2 | U2==j M I1 | U2=R I1+ j L I1 | U2=( U1/R)Z2 |
（括号内为示例和代表性数据） 与实际器件的对应状况 | 元件内部的分布电容 （电阻器和线圈等） 元件内部的耦合电容 （光电耦合器0.8pF） （大功率继电器15 pF） （舌簧继电器2 pF） 元件相互间的电容 元件和地之间的电容 端子或插座引脚间电容 印制导线间 配线、电缆间电容 电缆芯线间电容 （控制电缆90 pF/m） 电缆和大地间的电容 | 电磁元件漏磁通 （变压器） （线圈） （继电器） （扼流圈） 印制导线间的互感 电缆间的互感 | 交流电源阻抗 （电源变压器） （配电线） 直流电源阻抗 （输出阻抗） 导线阻抗 （直径0.8mm得到线，1H/m） （供电线） 条形电源母线 （印刷电路板上的公用地线） （公用接地线） | 印刷电路板表面电阻 （尤其是靠近运算放大器输入端） 端子板表面 继电器端子间 加热炉 热电偶 电容器等的漏电流等 |
| （从估算共是的处的基本技术措施） 防止噪声干扰的主要方法 | 减小噪声电压强度U1 抑制高频分量（或抑制电流的急剧变化） 减小耦合电容 （隔离、缩短导线平行布线场度，减小相对部分的面积） （加屏蔽） 减小负载边阻抗Z2 | 减小噪声电流I1 抑制高频分量（或抑制电流的急剧变化） 减小互感（隔离，将线圈的朝向错开，增加相对距离，减小环路面积） （加磁屏蔽） （用双绞线） | 减小噪声电流I1 抑制高频分量（或抑制电流的急剧变化） 减小电阻分量R（也减小集肤效应） 减小本身电感（增大界面机、用编制线、用无感线圈） | 减小噪声电压强度U1 增加绝缘电阻（改善材料、减小爬电距离、进行表面处理等） 用隔板 减小负载边阻抗Z2 |
在UPS的解决方案中经常会碰到对噪声指标的要求，为了描述包括UPS在内的工业电子设备场与导的噪声，如工频噪声、瞬变噪声、PWM调制噪声等等，要用到物理学、数学、电工学等多方面的基本知识，这里给出的仅仅是一些最基本的术语和基本概念。
（1）噪声频谱和功率
工频噪声和瞬变噪声的频率范围直接关系到所采取的抗干扰措施。一般来说，工频噪声的频率较低，对数字电路无明显影响，但对低电平的模拟电路危害颇大；瞬变噪声的频率范围超过0.5MHz时，将会引起一系列的问题。所以在进行电磁兼容设计和解决实际干扰问题过程中，应对噪声的频谱静性研究和分析。为此，需要进行噪声波形观测和频谱分析。
波形观测使用时间坐标，用示波器观测噪声峰值和宽度等时间特性；频谱分析用频率坐标，用频谱分析仪观测各种频率的噪声特性。时间特性和频率特性之间为傅里叶变换关系。
设时间特性为t，其在频率范围上的表现形式，就是t的傅里叶变换Fj：
（10-14）
Fj的绝对值Fj就是t的幅值频谱，习惯上成为频谱F。由于实际上不能得到的时间积分值，所以计算时应规定观测时间。
若能给出具体的t，便可由式（10-14）得出相应的F。他们之间有下述的一般关系：脉宽较窄的脉冲含有较高的频率成分，前沿和后沿比较平缓的脉冲仅在较低的频率上有明显的能量，尖脉冲均含高频成分。
很多噪声是随机产生的，需要用统计的方法来掌握它们。其统计量一般区下列几项：
1.不定时突发式噪声出现的频率
2.随机振荡的振幅分布
3.振幅有效值和离散度（或标准偏差）
4.噪声的功率
在第1项中，当个突发式噪声之间无任何关系，是完全的时，就有下述关系：单位时间出现次突发式噪声，在时间T内出现k次的概率Pk为
（10-15）
这是一个被称为泊松分布的情况。
若 T 10时，便是高斯分布：
（10-16）
式中：是k的平均值， =T。
关于第2项，最重要的分布式高斯分布。假设有一个随机振幅服从高斯分布率，则这幅为x的概率密度px就是
（10-17）
式中：是x的平均值，是在时间T内观察到振幅x的平均数，但要求T要足够大。是标准偏差，也就是第3项的离散度。例如，热噪声的振幅平均值为零，离散度等于振幅有效值。对x进行T秒观测所得的平均值便是第4项的功率。
在平均的时间上，噪声量的大小用噪声功率或电压均方根值来表示，还常以某一功率或电压作为基准值，其他功率或电压则以他们相对于基准值的分贝数来表示。
无线电波（包括如逆变器之类的开关电路辐射干扰）和数字电路的时钟信号也会成为噪声，但这类噪声的周期明确，波形也易掌握，故可以不用上述的统计方法。
（2）噪声温度
描述噪声可用噪声温度表示法，也就是折合热噪声法。电路内产生的热噪声是温度的函数，热噪声可用功率密度表示，即在单位频率内的噪声功率表示。
根据奈奎斯特（Nyquist）定理，电阻性元件的有效功率谱密度和温度之间的关系如下：
N=kT （10-18）
式中：
N为温度在T时，电阻所产生的热噪声功率谱密度（W/Hz）；
k为玻尔兹曼常数，k=1.3810-23(J/K);
T为电阻温度（K），也称噪声温度。
J为能量单位（焦耳），1千焦耳=0.948BTU=0.27710-3千瓦小时（度），
为了便于研究电子设备的噪声特性，习惯上多选用290K为环境温度参考值。
（3）信噪比S/N
电子系统某一特定点上的信号功率和噪声功率的比之成为信噪比。信噪比可以反映电路中信号和噪声强度的相对关系，信号小于噪声，信号便被淹没在噪声中；只有信号大于噪声时，才易于从噪声中检测出有用的信号。为了提高电子电路的信噪比，必须选择适宜的元器件和设计优良的电路方式。由于热噪声是无法去掉的，所以电路元器件的热噪声是信噪比提高的关键因素。
信噪比一般用分贝dB（decibel）表示，它的定义为：
dB=10lg(P1/P2)
或 dB=20lg(U1/U2)= 20lg(I1/I2)
式中：P1、P2为信噪功率；
U1、U2；I1、I2分别为信噪电压和信噪电流。
那末信噪比也可写成：
dBS/N=10lg(S/N)
式中：S为信号功率，N为噪声功率。
于是，信噪比的极限值是0 Db到 dB。当S/N =1时， dBS/N=10lg(S/N)=0；当
S/N =100时，dBS/N=10lg(S/N)=20。
（4）噪声系数NF
噪声系数也是衡量一个设备质量的重要指标，对于UPS电源来说主要还是指可闻噪声。至于逆变器在PWM时的对外辐射的噪声，是受一定标准约制的，比如必须符合UPS电磁兼容标准EN50091-2等。对于一般电子设备而言，噪声系数就是电路输入端的信噪比与输出端信噪比的比值（就是商），用NF表示。它是反映电子电路内部噪声量的重要参数之一，可用数学公式表示如下：
NF （10-19）
式中：
Si为输入端的信号功率；
Ni为输入端的噪声功率；
So为输出端的信号功率；
No为输出端的噪声功率。
一个电路的噪声系数也用分贝来表示，其表达式为
dB(NF)=10lgNF （10-20）
作为分贝表示的基准噪声系数是NF=1，即
dB(NF)=10lg1=0
噪声系数的下限是1或0 dB，上限是dB。当从数学上计算电子电路的噪声时，只要计算出输入端和输出端的信噪比的比值即可。
例：某电路的输入端信噪比是60，输出端的信噪比是3，那末该电路的噪声系数就是
NF
若以分贝表示，则
NF=10lg20=13dB
（5）电磁干扰发送量和电磁干扰敏感度
电磁干扰发送量是指噪声源发出的电磁能量，比如由于PWM方式工作时发出的干扰，以传导或辐射方式向外传播，用噪声源发出的频谱和功率来定向描述。
电磁干扰敏感度是指电子部件、电子设备、电子分系统或系统由于受到环境电磁干扰而产生不应有的相应时的敏感程度，通常用能够使设备产生不应有相应的最小电磁干扰量来表示。敏感度越低，表示对电磁干扰的抗拒能力越强。
在数字集成电路中，逻辑电路对噪声不敏感程度的量度叫抗扰度(noise immunity)。抗扰度包括直流抗扰度和交流抗扰度，直流抗扰度可以作为数字电路一个基本的参数，也可称为直流噪声容限(noise margin)。
在电磁兼容技术中，允许的极限值大多与传导或辐射的电磁干扰发送量和电磁干扰敏感度有关。电磁干扰发送量可以用电场强度、磁场强度、电压高低和电流大小来表示，而对传导的敏感度常常用电压来表示，辐射敏感度常用V/m表示。同时，因为要表示和测量的极限值范围往往很大，所以大都用对数表示，诸如dBV、dBV、dBA等。
四、抑制干扰的一般措施
在讨论电子设备及其部件之类的电磁干扰抑制措施之前，先对电子设备电磁兼容性的评价原则作一简单介绍。
通常多用下面的“电磁兼容不等式”对电子设备的电磁兼容性进行评价：
噪声发送量耦合系数 噪声敏感度
从噪声源发出的传导噪声或辐射噪声静导线或空间到达电子设备的相应部位（称为入口部位），进入电源电路、输入电路等，形成侵入电子设备的噪声。此噪声小于该电子设备相应部位的噪声敏感度时，设备就不受干扰；如果电子设备所有噪声“入口处”都能达到一定的抗干扰条件，并有足够的余量时，就意味着该电子设备达到了电磁兼容的相应标准要求。如果电子设备的某一个或某一些“入口”部位不能满足上述的不等式要求，或这勉强满足，但余量不大时，则应按实际情况对上述不等式中各环节（噪声发送量、耦合系数和噪声敏感度）采取措施。而后需再一次校核是否满足上面的不等式，并有足够的余量。
为达到电磁兼容的目的，应该对影响电子设备的噪声源及其电磁干扰量、传递途径和衰减情况作具体分析，并测试电子设备对电磁干扰的灵敏度，在取得必要数据的基础上选用行之有效且经济的抑制干扰措施。实践证明，某些措施对各种电子设备有相同的作用，而另一些措施则对不同类型的电子设备具有不同的作用。尽管多年来许多国家已进行了多种研究，也积累了一些经验，并分别制定和公布了若干标准，如图10-19就是欧洲VDE组织在上个世纪下半期制定的G、N、K三条分别对应严重、正常和低干扰
图10-19 射频干扰电压UN与频率的关系曲线
电平的干扰限度。但对近代工业电子设备的电磁兼容性，到目前为止还只能在传导噪声等有限的几个方面进行定量评价，还有很多方面尚缺少定量分析，没有代表性数据。所以现阶段还不得不依靠从长期的实践中积累的经验来针对具体情况制定机制噪声的措施。表10-8给出了一些最基本的噪声抑制措施。
表10-8 最基本的噪声抑制措施
| 措 施 | 适用范围 | 方式方法举例 |
1. 电路/器件 | 旋转机械 | 用RC电路、LC滤波器等 |
| 继电器、线圈等 | 用RC电路和二极管等 | |
| 电子电路 | 用旁路电容器、压敏电阻、积分电路、光电偶和器等 | |
| 2.滤波 | 电源回路 | 用电源变压器、常模或工模滤波器、非线性电阻等 |
| 信号回路 | 用传输滤波器、工模滤波器等 | |
| 3.屏蔽 | 外壳、外套、外罩 | 用机壳、盒子、屏蔽网、金属板、屏蔽室等 |
| 封装插件 | 用衬、垫圈、密封材料等 | |
| 4.布线 | 配线 | 分开走线、扭绞线、屏蔽线、同轴电缆等 |
| 连接器 | 用带屏蔽的接插件、滤波连接器、浪涌吸收器等 | |
| 5.接地 | 结构（件） | 通过建筑物、机房、机箱、底盘等 |
| 电路、导线 | 各种电缆的外皮等 |
下面对表中的几种措施进行一下简单的说明。
1.用电路或器件抑制干扰
举例来说，电路中的继电器、接触器、制动器等感性负载当电流变化时就会产生尖峰式的反电势，形成干扰。这时可用并联二极管或接入RC电路环节加一抑制。这类器件和电路环节很多，如浪涌吸收器、隔离噪声变压器、旁路电容器、隔离变换器、反激式单端变换器、光电耦和器、各种触发器等。
2.滤波
滤波器是有集中参数或分布参数的电阻、电感和电容构成的网络，把叠加在有用信号上的噪声分离开来。用无损耗电抗元器件构成的滤波器可最大限度地隔断噪声的通路；用有损耗元器件构成的滤波器可将不希望的噪声吸收掉；用振荡滤波器可将噪声抑制掉；在抗干扰措施中用得最多的是低通滤波器。在设计滤波器时，必须注意电感、电容等元器件的寄生特性，以避免滤波特性偏离预期值。滤波器对抑制感性负载的瞬变噪声有很好的效果；在滤波电路中还可采用一些专用滤波元器件，如穿心电容器、三端电容器、铁氧体磁环、它们都能够改善电路的滤波特性。
3.屏蔽
它是通过各种屏蔽物体对外来的电磁干扰进行吸收或反射，从而达到抗干扰效果；同时，将设备本身辐射的电磁能在机壳以内，以防止干扰其它设备。用良导称的外壳可坐电屏蔽，用导磁材料制成的屏蔽体适用于磁屏蔽。屏蔽体的类型很多，有金属隔板式，壳式、盒式等实心型屏蔽体，也有金属网式的非实心型屏蔽，还有电缆用的金属编制式屏蔽。屏蔽的效果和很多因素有关，它和金属材料的性能、厚薄，辐射频率的高低，距离辐射源的远近，屏蔽有无中断或缝隙，屏蔽层的端接状况好坏都有关系。
4.布线
合理布线式抗干扰措施中又一重要方面。导线的种类、陷阱的粗细、走线的方式、线间的距离、、路径的长短、捆扎或绞合、屏蔽方式以及布线的对称性等都对导线的电感、电阻、噪声的耦合有影响。
5.接地
这式系统结构、电路设计、设备组装以及现场安装等过程中又一重要环节。通常，接地的目的有两个：一是防止触电，保障人身安全；二是为电子设备或系统提供基准电位。前者称为安全接地，后者称为功能性接地。一般电子设备或系统都含有多种电路、部件、组件和器件，他们的性质多种多样，有些装置布局分散，但都有信号交换和传输。需把各级电路和结构件的接地线按类划分成信号地、交流地、直流地、安全地等，还应根据具体设备的设计目标分别采用一点接地或多点重复接地，或混合接地等方式。
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