发电机输出的也不是完美的正弦波交流电
赵聪（下简称“赵”）：邹总，这次我们来的目的，就是想与您深入探讨一下存在于市电中的各种干扰，它们的来源，以及发烧友如何针对各种干扰，采取有针对性的处理对策。我记得去年来这里为X系列纯净电源的评测收集素材时，您谈了很多关于电源的内容，其中很多内容对我来说都是闻所未闻，很有启发性的。
邹元元（下简称“邹”）：其实在开始设计X系列之前，我对于电源中所存在的问题，虽有一定了解，但还不是非常清楚。
赵：您谦虚。我记得多年前您设计的一款前级，在电源部分就采用了电子扼流圈的设计，而且它的交流电源插座，是没有地线的。直到现在为止，我还没有看到过其他品牌的音响产品上采用类似的设计。这样看来，您对电源纯净度的关注，从很早就开始了。
邹：哦，那个设计有两个作用，一是抑制交流电源相零线与地线间存在的干扰，我们称为共模干扰，二是起到类似隔离变压器的作用。就那款前级而言，这种电源抗干扰措施还是施加于低压部分，今天我们谈的，恐怕还是要集中在220V的市电这一块吧。
赵：嗯。一般发烧友谈起电源，总是围绕实践经验来谈，比如用了这个产品或措施，声音如何如何改善。我并不是否认实践的价值，但我觉得如果发烧友的探讨永远只是停留在这个层面，很容易被一些商业化的因素所干扰。有一些人就是老爱搞些怪力乱神，把本来一个很单纯的问题搅成一锅粥。
邹：对发烧友来说，玩电源，首先要知道交流电到达用户这个节点之前是什么样的，以及电源问题是如何影响音响或视频系统的。如果这些问题不搞清楚，光靠换一条线，或是在装修过程中排布电源线时加粗线径之类，就可能发生药不对症的情况了。我刚才说自己以前对这个问题了解不够，就是指对交流市电的产生及传输过程，知道得比较少。
赵：这恐怕要涉及到电力工程了，这和音频电子属于不同的专业领域啊？
邹：是的，所以以前我也不太清楚。后来在设计X系列时进行了一些学习，看了一些电能质量方面的专业书，确实获益匪浅。在这个领域，有一些很有意思的事，例如，从发电机出来的交流电，原来也不是纯粹的正弦波呢。你知道吗？
赵：是吗？怎么可能呢？
邹：理论上，发电机转子稳定旋转后，定子绕组应该感应出完美的正弦波。但事实上发电机的磁场并不是精确按照正弦规律分布，因此发电机输出的电能也不是理想的正弦波，而是含有一些谐波成分的有些失真的波形。在国家标准中，对电能的品质规定了很多的指标，诸如电压偏差、电压波动和闪变、波形畸变（直流分量、谐波、间谐波、陷波、噪声、频率偏差…，对我们来说，衡量电能纯净与否的最重要的是电压谐波指标。
为保证电源品质达标，在从发电机输出直到变成高压电以进行长距离传输这一系列的环节中，有不少大功率的电能品质控制措施，市电电能质量补偿是一个专门的学科。因为有电能质量控制措施，所以直到低压用户终端380V/220V前，电源的品质可以说是比较纯净的(高压电网谐波畸变1～1.5%)。
为简化问题，我们略去高压电传输到最终用户之间的逐级降压环节，单说到了最后一次降压到380V/220V，从终端变压器次级出来之后，电能品质控制环节就完全没有了，各种各样的用电设备接入后，就会造成电源品质的下降。因此，国家标准中对低压电网的谐波标准就有所放宽（低压电网谐波畸变5%），而在实际取样测量中我们发现，很多场合的谐波畸变远高于国家规定的5%容限。
大部分电器都在污染电源
赵：发烧友都知道电网里接入的电器多了，电源就不干净了。但为什么用电器会影响到电源呢？
邹：简单地说，电器或是大功率设备，只要共用同一条线路，相互之间就会产生影响。生活中最常见的例子就是夏季用电高峰时，一些比较老的小区只要使用空调的数量一多，电源电压就会明显跌落。从电学角度来说，这是线路内阻过大造成的。由于线路内阻不可避免地存在，为降低同一线路上各设备间的相互干扰，国家对所有电子电器设备制定了限制负载设备干扰电网的新标准——电磁兼容性。想必你应该听到过。
赵：这个术语经常听到，但它到底是什么意思呢？
邹：对电气设备的电磁兼容性要求，好比是限制汽车的尾气排放指标。在电气设备中，只有纯电阻性的负载，可以单纯地消耗能源而不会产生污染。其他任何非纯电阻性的负载，都会产生污染，并排放到共用的电网中。而生活中，纯电阻特性的电器设备很少，只有不带调光的白炽灯、不带调温的电水壶等很少几种。对电网产生污染的主要根源是电器负载的非正弦波电流，我们也称它为“谐波电流”，它是污染电源的主要非线性（杂波）成分。
赵：这个非线性是怎么来的呢？
邹：就拿我们熟悉的放大器产品来说吧，其中的整流滤波电路对于供电线路来说，这就是一个典型的非线性负载，你应该知道滤波大电容中的电流波形，和市电电压波形并不相同，因为电容只在市电电压峰值时进行充电，电流波形其实是一种脉冲波形，也就是包含有丰富的市电频率的谐波成分。事实上，像放大器整流滤波电源那样，被设计成在市电电压峰值时刻取电的电器设备非常普遍。同一条电源线路上这种设备一多，市电电压波形峰值附近与正弦波相比就有明显的畸变。这就是电源波形的失真。
电源波形的失真，除了表现为谐波，还有因波形正负半周不对称产生的直流成分。
赵：交流电中有直流，这又怎么理解呢？
邹：起因其实很简单，有些负载只在正弦波的半个周期内耗电，就会造成交流电正负半周波形不对称，或者说正负半周波形面积之和不为零，这就形成交流电一个波形周期内平均值不为零，这个平均值即为直流成分。
电源中的直流成分对音响器材的影响，主要是造成变压器机械振动噪声。因为直流分量可以使低内阻变压器铁芯发生磁饱和从而引发哼声并降低电能传输效率（很低的直流电压加至电阻很低的变压器初级就可产生很大的直流电流，并在铁芯中产生很高的直流磁通）。而且越是高品质（低内阻）的变压器，遇直流成分时越容易产生哼声。所以我们可以看到高性能低内阻环型变压器时不时发出哼声的例子较多，而性能平平的EI变压器反而很少有产生哼声的现象。
赵：原来发烧友经常遭遇的放大器变压器哼声是这么来的！也就是说，有这种哼声主要并不是变压器问题，而是交流电源品质有问题。
邹：是的，这个结论与发烧友的直观判断普遍相反，变压器哼声时有时无的放大器，变压器品质往往反而是很高的（任何时候都有哼声的变压器当不属此列）。
赵：我有个问题，电源中的非线性失真成分，是不是可以用专门的滤波器过滤掉呢？
邹：理论上可以，但你知道，对于50Hz波形畸变而导致的非线性，其成分是市电频率的低次谐波，除非用非常大体积的电抗元件组成的滤波网络才可能滤除。现在我们常见的带滤波器的插座，以及线路滤波器，针对的都是兆赫级的EMI干扰，对前面说的这种波形失真基本上没有作用。
说到滤波器的体积，我倒想起以前我们无线厂的电波屏蔽室，为防止外界干扰经电源线进入屏蔽室，就需要对电源进行滤波处理，在屏蔽室电源进线处你可以看到外壳约40厘米宽，60厘米高左右，这样大的一个低通滤波器，但即便做得这么大，也仍然无法阻止千赫级频率范围内的干扰。
赵：那么我们能否从影音器材的输出端听出或看出电源波形失真的影响呢？
邹：你把电视机和电钻接在同一个插座上，即便将电视机却换至视频输入（排除空中电波传输的影响），电钻工作时你也能在屏幕上看到干扰条纹，同时在喇叭中听到噪声。对音频设备的干扰，在我们工厂里也不陌生。在我们对电源进行净化处理前，生产中测量放大器时我们的技术人员常常会发现在某些特定时段噪声特别大，而且用示波器观察噪声成分时，可以明显看出干扰信号的频率与工频电源相关，而过了这一特定时段，干扰信号就会完全消失，排查后发现这些时段正是工厂中一些大功率设备运行的时段，它对同一用电线路上正在被测量的放大器形成干扰，并以噪声的形式反映在了放大器的输出端。
赵：这样说来，很多发烧友反映在深夜音响系统音质变好，其理论依据就在这里，而且这种干扰完全能被发烧友察觉。
邹：对，这是很容易被察觉的，一套打开的音响系统长时间不播唱片的话，你时不时就能听到喇叭里发出一些各样的噪音，抗干扰能力不强的系统甚至房间里一次开灯或关灯的影响也能被听到。
接地和地线
赵：那么除了用电设备引起的电源污染，还有什么引发电源污染的因素呢？
邹：还有就是自然因素造成的干扰，比如雷电。雷电不但可造成严重干扰，我相信你一定还经常听到雷电烧坏电气设备的案例报道。
赵：是啊，所以现在有一些比较高档的扩展电源插座，我说的不一定是音频专用的插座，都加入了浪涌保护器件，用以吸收这些突发的过压。
邹：电网中的浪涌，是一种持续时间很短，但能量非常巨大的脉冲波。引起浪涌的原因，除了雷电这类自然因素，还可以包括人为因素，如大功率设备的干扰、短路等等。
赵：我还是想讨论一下雷击这种极端的例子。一般的浪涌保护，就是将浪涌电流通过浪涌保护电路导入到地线。是否可以这样理解，如果接地措施优良，浪涌就完全不能对用电设备产生影响？
邹：这是理想的情况，事实上接地线总是存在一定的电阻，所以浪涌还是会引发输电线路上的电压波动，只是大小程度而已。事实上，从电厂开始，接地就是一个最主要的防雷击措施。
发电机输出的三相交流电，其实不接地的话也完全可以使用，但一旦传输过程中受到雷击，线路上就会产生极具破坏性的超高电压。出于安全考虑，输电线路中的中性线（我们家里的零线）在进入我们家里前已经接入大地成为零电位。接地后，由于整个输电系统的一端被连接至大地，雷击对输电线的安全威胁就大大减弱了，再加上传输过程中各级变压器的隔离作用，到了用户端，即使干线上受雷击，影响也会很小，新闻报道上看到的雷击引发的住宅内电器被烧毁的情况，几乎都是低压终端线路直接遭受雷击所致，所有降低雷击损害的主要手段都是将雷击产生的电流引入大地，所以足够线径的接地线和可靠的接地是非常重要的。
赵：既然零线和大地导通，为什么不叫它地线？
邹：发电厂接地的零线，和市电输出插座中的那个“地线”不是一个概念。
赵：是吗？那市电的这个地线是怎么来的？真正的作用是什么？
邹：输电系统接地的主要目的是为了防止外部高压（如雷电）入网后，使整个供电线路携带相对于大地的悬浮高压造成人身伤害和电器设备损坏。这里我就简单地对最常见的住宅系统的接地进行一点说明。连接终端用户的降压变压器输出三相交流电，各相间互相连结并与大地接通的称为中性线（也称零线），其余三条为相线。按照我国住宅电气设计规范的要求，变压器输出中性点除了接地，还需要另外引出一根保护性接地线，这根线除了在变压器处与中性线共同接地之外，其它部分都是独立于中性线之外的。它，也就是你可以在市电插座中看到的那根黄绿相间的“地线”。按照规定，电器设备的外壳必须与保护性接地线相连，如这一名称所揭示的那样，这根地线的存在是为了消除设备漏电可能造成的人身电击伤害，具有安全保护作用，这就是地线的由来和作用。功放不接地时触摸面板会有轻微麻电感觉，接地后就没有了，大多数发烧友都有这样的体验。概括来说，相线和零线是输送电力的两条回路线，其中与大地相连通的那条线就被称为零线，地线只是起接通设备外壳与大地的作用，正常情况下没有电力电流流经其中。
独立接地线和独立供电回路
赵：另一种思路，既然地线漏电流引入的干扰与机器内地线阻抗有关，那么降低地线阻抗，干扰程度自然也降低了。
邹：是的，同样大小的地线漏电流流经机内地线阻抗低的放大器，干扰哼声相对就小一些，隔离是解决源于地线漏电流干扰最彻底的方法，如果没有这个条件，将产生地线漏电流的前端设备先行接地，使地线漏电流在流入放大器地线前，改道经低阻抗接地线流入大地也是一个可选择的方法。
赵：以前偶尔也看到过有发烧友通过在地下打入钢筋的方法为影音系统设置新的接地线，这种做法显然也是为了降低接地阻抗，但这种做法有没有安全上的问题？对器材有没有不良影响呢？
邹：前面已经分析过了，进户的保护性地线，是在变压器输出端接地的，从接地到入户这一段距离，其电阻确实不小。况且，在小区中这根地线至少是由整幢楼用户共用，所以这根地线也是电源干扰的一个重要来源。那么，如果我们能在家中找到一个更低电阻的接地点，就完全可以弃用这根公共的地线。这种做法，是完全符合安全规范要求的。现在很多新建住宅的供电系统，就采用这种接地方式。
赵：那么在普通多层、高层住宅楼内，有没有条件拉出独立的地线呢？
邹：并非完全没有可能。现在的很多新建住宅内都有独立的接地端子“等电位连接端”，新买房屋的发烧友完全可在装修时将其保留并利用其作为音响系统的独立接地点。这个等电位连接点，一般直接与建筑物钢筋和金属管道相连，这也是一种接地，而等电位点的对地电阻，很可能要比保护性接地线的对地电阻来得低。但要注意，现在国内住宅内的等电位连接措施有很多种，为避免产生新的安全隐患，确保有效降低接地电阻，在准备敷设独立接地线时要委托有电工资质的专业人员进行设计和施工，而不能随意进行接地。
赵：这样说来，不仅独立接地线，如果影音系统的供电回路也独立的话，也可以起到一定的抗干扰作用。
邹：确实有一定作用，至少在这一独立供电回路之内连接的器材，受到其他回路不良负载污染的影响降低了。比如说，家中的影音系统独立供电后，空调之类电器对它们的干扰就可以降低。关于接地，重要的其实就这两点，一是避免地线漏电流流经放大器机内信号地线（电源隔离），二是避免音响系统与其它电器设备共用地线（独立接地）。
选择最适合你的电源产品
赵：前面您谈了这么多电源中的干扰类型，也谈到了一些抗电源干扰的措施。下面能不能结合不同的干扰类型，谈谈发烧友应该怎样选择市场上形形色色的电源产品？
邹：让我们先把电源干扰的类型归纳一下，结论也就呼之欲出了。电源中的干扰主要有两大类，即电源波形不纯所带来的干扰和源于地线漏电流的干扰。对于后一种干扰，前面已经说过，最理想的是用隔离变压器隔断地回路。其实隔离变压器不仅对源于地线的干扰有隔离作用，因传输不了高频，对于电源干扰中的高频成分也有过滤作用。
赵：对于波形失真的干扰呢？
邹：电源波形中的失真成分有时很复杂，对不同频段的干扰处理手段也是不同的。市售电源产品经常用到的手段，无非是过滤、吸收、波形修正、再生电源这几种。前面说过了，过滤（滤波）通常用于衰减高频干扰，吸收主要是针对浪涌。波形修正方式，就是德颂X系列纯净电源所采取的方法，简单地说，就是对交流电源进行在线的波形修正，使其输出波形精确逼近标准正弦波，也就是去除了所有干扰。理论上说，只要修正放大器的带宽足够，一切与波形相关的干扰，包括浪涌、直流成分、欠压、过压，都可以得到修正。再生法则采用另一种思路，用大功率放大器将所需频率、波形的信号放大至所需的电压（如220V），并提供所需的功率输出，这相当用市电提供能量实现重新发电，它可以产生频率、波形任意的交流电。
赵：按照我的理解，理论上应该是再生法产生的电源最纯净，如果能配合良好的布线和接地措施，受到再次污染的可能性也很低。
邹：你说的是再生式电源的最大优点。不能忽视的是，再生式电源须由大功率放大器输出全部所需电能，放大器的功率直接限制了这个电源的最大输出功率。你需要1KW电能，放大器就至少需要1KW功率的输出能力。如果采用线性放大器，因为效率低，产品的体积和工作时的发热量会很大，成本会很高。如果采用开关放大器来提高效率，如果处理不当，开关放大器本身又会成为新的干扰来源。
赵：从你设计的产品看，显然是对波形修正方式法情有独钟。
邹：波形修正方式法和再生法各有所长，性能上不能绝对说哪一种一定更好。X系列选择波形修正方式主要还是考虑效率和最大输出功率的问题。X系列产品综合使用了过滤、隔离和波形修正三种手段，几乎所有的手段都用上了。这其中线路滤波器主司高频滤波，隔离变压器和在线波形修正手段分别针对杜绝地线电流干扰和与电源杂波相关的干扰，综合在一起就成为一个高效、全面的电源净化方案。
赵：这样说来，为了解决地线漏电流问题，对于影音系统电源处理，要么用再生式电源，要么就要用兼有隔离和波形修正方式的电源，而线路滤波器只能作为对于高频干扰的辅助抑制手段。这个结论对发烧友来说是很具有实践上的可操作性的。比如说，如果确认家里的器材系统中存在地线电流干扰，那么就要认真考虑是否要采用电源隔离措施（用隔离变压器或隔离式电源）。
邹：使用这些电源产品时，不要忘记为大功率器材留出足够的功率裕量。在不同种类的电源产品中，波形修正方式的电源，同体积下可以提供最大的纯净电能输出，因为波形修正方式电源中，功率放大器只须输出满足修正波形部分的功率。比起再生式电源，相同功率的内置放大器，波形修正方式的电源可以轻松达到数倍的功率输出容量，相比之下，波形修正方式法可以说是“四两拨千斤”了。
赵：看来您还是最倾向于波形修正方式电源，经过前面的讨论，我也同意这是最具性价比的电源处理方式。不过市场上的波形修正方式电源，除了德颂X系列，还有不少国外的品牌，在选择这些产品时要注意哪些方面呢？
邹：各种品牌波形修正方式电源的原理虽然基本上都一样，但实现起来具体手段又有区别。比如内置的修正波形用校正放大器，就有开关方式和线性方式之分。开关放大器效率很高，但要在设计中注意防止电磁辐射泄漏；线性放大器没有电磁泄漏问题，但是效率较低，成本也高。
另外要注意的一个问题，就是波形修正方式电源处理器的工频基准参考正弦波品质。这包括两个方面，一个是参考波形本身的非线性失真程度，这个重要性不用我说你也会明白，处理器输出电源的失真大小，等于参考波形的失真大小。另一方面，参考波形必须与市电波形严格同步，不能存在相位差，否则可能起不到校正市电波形的作用，或是电源的工作效率大打折扣。这一点，在国内现有供电品质条件下尤其重要。
我们在设计X系列电源过程中也考察了一些国外的波形修正方式电源产品，某些产品以限幅器方式产生工频方波，然后经高阶滤波器取得工频正弦波作为参考信号，这种方式就较难适应中国电网的实际情况。它很容易因电源频率的漂移而使参考信号与线路电压间产生严重相位差，使工作效率大打折扣。在国外，市电品质本来就比较好，频率稳定度高，不会产生相位漂移问题。但在我看来，这样的产品面对中国的市电情况，将经受严峻的考验。
赵：看来在选择电源处理类产品时，还需要对具体产品的工作机理进行比较深入的了解才行。反过来，如果发现是用某种电源产品后效果不明显或是有反作用，也要从电源品质和产品等多方面考察，去发现问题的根源。
说到这里，我还是要提一提您设计的CT-1电能品质测试仪，这个小东西对发烧友了解家中电源污染情况真是太有用了。
邹：当初设计CT-1的目的，就是希望为发烧友提供一种简单、直观而又科学的测量手段，去发现家中供电系统中存在的问题，从而有针对性地选用最适合的电源处理设备，并检验其可以达到的实际功效。不过我倒是觉得，测量电能品质往往是阶段性地使用CT-1，各地的经销商只要能提供代为检测的服务，或是临时租用服务就可以了。
赵：谢谢您今天能为本刊读者解答了这么多有关电源和电源处理产品的问题。
邹：其实除了电源处理产品，还有一个与电源相关的话题，即影音系统的接地处理，也是很可以一谈的。这个话题我们今天也涉及到了一些，但还很不够。关于这个话题，贵刊也可以做一个专题，透彻地谈一谈。
赵：是呀，我也是觉得接地是一个需要高度技巧的技术，在处理具体案例的时候，总会碰到很多疑问。既然您这么说，到时候一定再来打扰。
《现代音响技术》第137期
