关于零地电压的讨论

1第十章关于接地、零地电压和噪声干扰的讨论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2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（）335kV配电所高、低压共用接地系统4335Kv线路杆、塔在居民区的接地系统30PE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10100Kv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）应当指出的是，关于接地电阻的最大允许值，除特殊要求外，如果建筑物内实现了等电位连接，被连接的导体便形成了等电位体而代替了大地。此时，等电位体的电位就成为参考电位，这时的接地电阻允许值已无意义。正因如此，IEC标准及其他发达国家标准都已不再规定接地电阻允许值。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，比机柜外壳UAUBCNUCNCNNECN变电站地桩3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外露可导电部分外露可导电部分电力系统接地点NPEPEPEABCN外露可导电部分电力系统接地点阻抗PEABC外露可导电部分电力系统接地点外露可导电部分电力系统接地点PEPEPENPEABCNABCNNPENPEPEABC4（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.独立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5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）独立地线并联一点接地（b）独立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。AB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123N123N高频接地~机壳地6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fCXC21（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gLCLnURXRU（10-2）由于在低频时XCRL，则0LCLRXR，所以加在负载上的干扰电压信号电压强度Un0，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的电电路1电路2~UgUs~RLUgUnCII7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1