關于供電線路中零地電壓的形成

1、關于供電線路中零地電壓的形成、危害與控制 2009-07-22 10:12關于供電線路中零地電壓的形成、危害與控制 作者：王力堅 來源：cra-ccua 日期：2007-9-12 16:11:48 王力堅：中國人民銀行清算總中心高級工程師，中國計算機用戶協(xié)會機房設備應用分會專家。前言：隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，電能已成為國民經(jīng)濟建設及現(xiàn)代化生活的最重要能源之一。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化、自動化，高科技產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以及人民生活質(zhì)量和生活水平的提高，各行各業(yè)對電能的依賴性越來越大。對供電的質(zhì)量也提出了越來越高的要求，除了傳統(tǒng)的供電可靠性、電壓質(zhì)量與頻率質(zhì)量等衡量標準外，對零地電壓也提出了要求。零

2、地電壓問題在計算機機房設計國標中沒有做硬性規(guī)定，但在現(xiàn)實工作中又會經(jīng)常遇到，它如何產(chǎn)生？有什么危害？應控制在多高范圍？本文對此談一些自己的看法。零地電壓的形成我國發(fā)電廠的發(fā)電機組輸出額定電壓為3.1520kV。為了減少線路能耗、經(jīng)發(fā)電廠中的升壓變電所升壓至35500kV，再由高壓輸電線傳送到受電區(qū)域變電所，降壓至610kV，經(jīng)高壓配電線送到用戶配電變電所降壓至380V低壓，供用電設備使用。以機房最常用的TN-S接地系統(tǒng)為例，在變電站（或類似變電站的供電點）變壓器次級繞組的中性點一般和大地相連，然后由此引出兩條線，即一條零線N和一條地線PE，在此將接地作為交流參考點，由零線N和相線L一起作為設備

3、的供電電源。TN-S系統(tǒng)是把工作零線N 和地線PE嚴格分開的供電系統(tǒng)，用戶側零地線不允許再次短接。由于供電線路很長，N線和PE線上的電流不相等，在用戶端，零地之間是肯定存在零地電壓的。只要零地電壓控制在一定水平之內(nèi)，就是可以接受的。但在某些場合，異常情況會導致零地電壓偏大，例如：三相電源配電時負載不平衡；接地電阻不符合規(guī)范要求； N線、PE線線徑不夠或斷路；高頻諧波引起電位升高；電磁場干擾；使用UPS、電子穩(wěn)壓器等電子供電設備；使用的插線板不符合電器標準等。以前，造成零地電壓偏高的主要原因是前項。近些年來，隨著節(jié)能燈等氣體放電類光源的普遍使用，變頻技術、大容量可控硅整流裝置的廣泛應用，導致高次

4、諧波電流的產(chǎn)生并注入到供電系統(tǒng)中，在系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生出相應頻率的高次諧波電壓，使系統(tǒng)的電壓波形發(fā)生畸變。高次諧波不僅增加系統(tǒng)損耗，同時由于附加正常供電電流中，加大了電流流量，破壞了三相負荷的平衡，使中性點產(chǎn)生偏移，產(chǎn)生零序電流，使零線電流有可能增加到接近相線電流值。在采用三相五線制的供配電系統(tǒng)中，必將產(chǎn)生很高的零地線電壓。兩項引起的零地電壓問題日漸突出。圖1和圖2反映的是一個典型的高次諧波產(chǎn)生的零地電壓波形和零地電壓諧波分析。它的高次諧波電壓已大于工頻電壓。圖1 零地電壓波形示意圖圖2 零地電壓諧波分析示意圖第兩項是用戶設備的問題，以使用UPS為例，UPS是由整流電路，開關電源等組成，為了抑制

5、差模和共模干擾，對零線和項線都作了電器隔離。由于電子電路的特征和電感和電容的存在，會造成輸出零線與輸入零線之間存在電壓差，因而造成了輸出零線與地線之間的電壓差。二、零地電壓的危害零地電壓對負載的影響，主要表現(xiàn)在三個方面：1)引起硬件故障、燒毀設備；2）引發(fā)控制信號的誤動作；3）影響通信質(zhì)量，延誤或阻止通信的正常進行。現(xiàn)引用某故障分析報告如下：“對于*基站開關電源模塊多次燒毀的故障原因，可做如下分析：根據(jù)用戶手冊，開關電源整流模塊交流輸入電路第一部分即為EMI電路，該電路結構形式如圖3 所示。該電路起到兩方面的作用：避免電網(wǎng)中含有的共模和差模噪聲對開關電源產(chǎn)生干擾；減少開關電源整流電路對外界電網(wǎng)

6、的電磁干擾。其中共模干擾的抑制是通過相線、零線與地（機殼）之間并聯(lián)電容實現(xiàn)。由此可知，過高的相線、零線對地電壓和零線高次諧波對電容影響較大。當達到一定程度后即可造成電容擊穿、燒毀的嚴重后果。*月*日A、C相整流模塊燒毀后，在對開關電源檢查過程中發(fā)現(xiàn)燒毀的兩模塊的安裝槽道與機架固定螺絲處有燒熔現(xiàn)象，由于整流模塊是通過槽道與機殼實現(xiàn)電氣接地的。而固定螺絲處為整流模塊對地回路接觸電阻最大處。圖3 開關電源EMI電路示意圖由此可以推斷，整流模塊起火原因有兩種可能：一種即為單相電壓過高或零地電壓過高引起模塊內(nèi)部SPD發(fā)熱燒毀；第二種原因即為由于電網(wǎng)過壓和高次諧波，使得模塊EMI電路共模抑制回路過載而引發(fā)

7、?！庇缮厦娴膶嵗梢钥吹搅愕仉妷哼^高可以引起硬件損壞。在1995年人民銀行衛(wèi)星網(wǎng)的建設過程中，我中心也有過因零地電壓過高，頻繁燒毀衛(wèi)星室外單元和室內(nèi)單元電源模塊的事例。對次總中心領導非常重視，曾專門舉行了多次技術討論會，后下發(fā)文件，要求再建衛(wèi)星小站，零地電壓不能的超過2V，超過2V將視為不具備建站條件。已建小站，要采取必要技術措施，將零地電壓控制在2V以下。采取上述措施后，衛(wèi)星設備的事就沒有再發(fā)生。零地電壓過高的危害，除了引起電子設備硬件直接損壞外，還引發(fā)控制信號的誤動作，造成設備的誤啟動和誤關機。例如電源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)共用同一接地干線，系統(tǒng)的屏蔽層、信號的參考點與PE線等電位，如PE線對N線

8、有很高的壓差，當PE線為高電位，N線為低電位，則信號有可能被湮沒被干擾了，反之則信號有可能誤發(fā)生。筆者曾于2001年在州和市分行維修過衛(wèi)星電視會議系統(tǒng)，前者是衛(wèi)星鏈路不能建立，重新對星和更換設備也沒能解決問題；后者是視頻圖像差，常常死機。工程維修小組在分行同志的配合下，分析問題測量環(huán)境后，發(fā)現(xiàn)故障均與零地電壓有關。前者因為衛(wèi)星電視會議系統(tǒng)設在分行新建的大樓中，大樓的裝修還沒有完全完工，運料的臨時施工電梯，電焊等對零地電壓影響很大。后者是衛(wèi)星室內(nèi)單元與電視會議系統(tǒng)不在一個樓內(nèi)，兩者之間沒有共地，零地電壓無法保證。采取了相應的技術措施后，問題全部解決。在我們主站的通信保障值班記錄中，這樣的記錄是很

9、多的?！?小站ODU故障，代碼，查零地電壓高，重裝UPS使零地電壓小于2伏，更換ODU后小站恢復正常?！薄?小站IDU故障，代碼，查零地電壓高，重接地線使零地電壓小于2伏，更換IDU后小站恢復正常?！痹陂L期的工作中，我們接到衛(wèi)星通信故障報告時，往往第一句話就是“你的零地電壓是多少？”零地電壓對通信系統(tǒng)的影響，除了衛(wèi)星系統(tǒng)外，其他的遠程數(shù)據(jù)通信設備（如DTU、RAS、FRAME適配器、X.25適配器、LOOP等）對零地電壓要求十分嚴格，不同設備要求零地電壓不同，原則上越小越好。因為，零地電壓過高，可能造成誤碼率上升，丟包率增加，造成通信緩慢，傳輸速率下降。影響通信質(zhì)量，延誤或阻止通信的正常進行。

10、對于計算機設備而言，零地電壓過高會導致服務器速度下降、網(wǎng)絡交換速度降低、服務器無故關機，甚至造成硬件損壞。在某機房的磁盤陣列柜，硬盤連續(xù)損壞了兩個，一個星期壞一個，經(jīng)專家分析是由于一些環(huán)境因素如：溫度、濕度、電壓（零地電壓的影響最大），造成這種情況的發(fā)生。有的服務器在零地電壓高于某一值（比如2V）時就無法啟動。因此用戶安裝的某些負載（例如HP小型機、IBM服務器等），廠家的安裝硬件工程師在現(xiàn)場就會對安裝環(huán)境的零地電壓進行測量，一般情況下要求2V，大于此數(shù)值則不予加電開機。要避免硬件故障發(fā)生，服務器管理人員必須注意服務器的使用環(huán)境完全正常。比較重要的服務器除必須在恒溫、恒濕的環(huán)境外；電源環(huán)境也要

11、符合標準，不僅要采用UPS，還必須接良好的地線，零地電壓低于2伏。在機器的使用過程中，如遇到設備損壞，到場的廠家維修工程師一般也要首先測量場地環(huán)境，如使用環(huán)境的零地電壓超出范圍，要求免費維修時會遇到很多麻煩。三、零地電壓的控制因為零地電壓是影響機器運行可靠性的重要因素，零地電壓高會造成機器故障或損害，所以必須對它加以控制。因為零地電壓的形成原因很復雜，所以控制要有針對性。具體到零地電壓對負載的影響，則應當具體問題具體討論。主要考慮的問題和解決的途徑有：1、負載平衡問題，三項用電不平衡，零線N上的電流就會加大，零線N兩端的電壓差就會直接造成零地電壓。對由上述原因產(chǎn)生中性點偏移而引起零地電壓過高的

12、防治措施，除了從設備維護管理著手，在可能的條件下要盡量配平三相負載，并定期根據(jù)負載的使用變化進行必要的調(diào)整外。還可以通過增加零線截面積，減少零線的線路電壓損失，從而在一定程度上降低零地線電壓，減小中性點偏移。GB50054-95低壓配電設計規(guī)范“第2.2.6條：在三相四線制配電系統(tǒng)中，中性線的允許截流量不應小于線路中最大不平衡負荷電流，且應計入諧波電流影響。第2.2.7條：以氣體放電燈為主要負何的回路中，中性線截面不應小于相線截面”，的相關規(guī)定都應得到嚴格執(zhí)行。2、建立良好的接地系統(tǒng)，盡量降低接地電阻。接地電阻一高，很小的電流就會產(chǎn)生零地電壓，所以一定要降低。接地系統(tǒng)中，特別要注意的是地線截面

13、積問題，因為電阻的大小與長度成正比，與截面積成反比。我單位在年為控制零地電壓過高問題的下發(fā)文件中，在計算地線線徑問題時，在考慮了系統(tǒng)可能的最大用電量和安全的基本需要后，專門計算了電纜長度，對不同高度的樓層使用的不同線徑的地線給予了明確規(guī)定。3、盡量選用綠色的，諧波干擾符合國家規(guī)定的用電設備，對照明器具如電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈等氣體放電燈及大功率可控硅整流變頻設備等高次諧波的產(chǎn)生源，嚴格進行相關的技術測試，減少高次諧波的產(chǎn)生源及危害性。必要時還可安裝相應抑制高次諧波的設備，以從根本上凈化電網(wǎng)。同時還必須加強定時、定期和有針對性的設備維護保養(yǎng)，才能確保設備正常運行，降低高次諧波。4、選用有零地電壓控制

14、能力或零地電壓升小的UPS。在機房中，大量負載為服務器、交換機等類型的負載，這些負載本身因為電路原因產(chǎn)生大量諧波，諧波導致電纜發(fā)熱，還會導致輸入電源的零地電壓大于超過服務器所要求的2V的指標，在選購UPS時需要考慮零地電壓控制這個問題。有些類型的UPS經(jīng)過特殊的設計可以使輸出的零地電壓小于1伏。也有些類型的UPS零地電壓壓升很小，從而避免上述問題的發(fā)生。5、供配電的二次裝修的電氣施工的監(jiān)管要嚴格。由于二次裝修的工程量大小不一，施工單位素質(zhì)參差不齊，如果管理不好會影響施工質(zhì)量和供電系統(tǒng)安全。如插座接線應符合下列規(guī)定：1）單相兩孔插座，面對插座的右孔或上孔與相線連接，左孔或下孔與零線連接；單相三孔

15、插座，面對插座的右孔與相線連接，左孔與零線連接；2）單相三孔、三相四孔及三相五孔插座的接地（PE）或接零（PEN）線接在上孔。插座的接地端子不與零線端子連接。同一場所的三相插座，接線的相序一致；3）接地（PE）或接零（PEN）線在插座間不串聯(lián)連接。我單位最近就因為使用了零相接反的插座，加之不共地，燒毀了一塊電視會議控制板。6、加裝隔率變壓器也是降低零地電壓的有效措施。在零地電壓過高，一般手段無法控制零地電壓的情況下，為保證負載可以正常上電開機，通常的做法是采用加裝隔離變壓器的辦法，來隔離輸入和輸出之間的電氣連接，在變壓器副邊零地短接，從而達到降低零地電壓的目的。此方法只適用于無內(nèi)置隔離變壓器的UPS，一般采用在其輸出端加裝輸出隔離變壓器的方式。該連接方式構成的UPS供電系統(tǒng)一般不會對電網(wǎng)和