关于供电线路中零地电压的形成

关于供电线路中零地电压的形成、危害与控制2009-07-2210:12关于供电线路中零地电压的形成、危害与控制作者：王力坚来源：cra-ccua日期：2007-9-1216:11:48王力坚：中国人民银行清算总中心高级工程师，中国计算机用户协会机房设备应用分会专家。前言：随着我国经济的迅速发展，电能已成为国民经济建设及现代化生活的最重要能源之一。工农业生产的机械化、自动化，高科技产业和第三产业的发展，以及人民生活质量和生活水平的提高，各行各业对电能的依赖性越来越大。对供电的质量也提出了越来越高的要求，除了传统的供电可靠性、电压质量与频率质量等衡量标准外，对零地电压也提出了要求。零地电压问题在计算机机房设计国标中没有做硬性规定，但在现实工作中又会经常遇到，它如何产生？有什么危害？应控制在多高范围？本文对此谈一些自己的看法。零地电压的形成我国发电厂的发电机组输出额定电压为3.15～20kV。为了减少线路能耗、经发电厂中的升压变电所升压至35～500kV，再由高压输电线传送到受电区域变电所，降压至6～10kV，经高压配电线送到用户配电变电所降压至380V低压，供用电设备使用。以机房最常用的TN-S接地系统为例，在变电站（或类似变电站的供电点）变压器次级绕组的中性点一般和大地相连，然后由此引出两条线，即一条零线N和一条地线PE，在此将接地作为交流参考点，由零线N和相线L一起作为设备的供电电源。TN-S系统是把工作零线N和地线PE严格分开的供电系统，用户侧零地线不允许再次短接。由于供电线路很长，N线和PE线上的电流不相等，在用户端，零地之间是肯定存在零地电压的。只要零地电压控制在一定水平之内，就是可以接受的。但在某些场合，异常情况会导致零地电压偏大，例如：①三相电源配电时负载不平衡；②接地电阻不符合规范要求；③N线、PE线线径不够或断路；④高频谐波引起电位升高；⑤电磁场干扰；⑥使用UPS、电子稳压器等电子供电设备；⑦使用的插线板不符合电器标准等。以前，造成零地电压偏高的主要原因是前①②③项。近些年来，随着节能灯等气体放电类光源的普遍使用，变频技术、大容量可控硅整流装置的广泛应用，导致高次谐波电流的产生并注入到供电系统中，在系统的阻抗上产生出相应频率的高次谐波电压，使系统的电压波形发生畸变。高次谐波不仅增加系统损耗，同时由于附加正常供电电流中，加大了电流流量，破坏了三相负荷的平衡，使中性点产生偏移，产生零序电流，使零线电流有可能增加到接近相线电流值。在采用三相五线制的供配电系统中，必将产生很高的零地线电压。④⑤两项引起的零地电压问题日渐突出。图1和图2反映的是一个典型的高次谐波产生的零地电压波形和零地电压谐波分析。它的高次谐波电压已大于工频电压。图1零地电压波形示意图图2零地电压谐波分析示意图第⑥⑦两项是用户设备的问题，以使用UPS为例，UPS是由整流电路，开关电源等组成，为了抑制差模和共模干扰，对零线和项线都作了电器隔离。由于电子电路的特征和电感和电容的存在，会造成输出零线与输入零线之间存在电压差，因而造成了输出零线与地线之间的电压差。二、零地电压的危害零地电压对负载的影响，主要表现在三个方面：1)引起硬件故障、烧毁设备；2）引发控制信号的误动作；3）影响通信质量，延误或阻止通信的正常进行。现引用某故障分析报告如下：“对于****基站开关电源模块多次烧毁的故障原因，可做如下分析：根据用户手册，开关电源整流模块交流输入电路第一部分即为EMI电路，该电路结构形式如图3所示。该电路起到两方面的作用：避免电网中含有的共模和差模噪声对开关电源产生干扰；减少开关电源整流电路对外界电网的电磁干扰。其中共模干扰的抑制是通过相线、零线与地（机壳）之间并联电容实现。由此可知，过高的相线、零线对地电压和零线高次谐波对电容影响较大。当达到一定程度后即可造成电容击穿、烧毁的严重后果。*月*日A、C相整流模块烧毁后，在对开关电源检查过程中发现烧毁的两模块的安装槽道与机架固定螺丝处有烧熔现象，由于整流模块是通过槽道与机壳实现电气接地的。而固定螺丝处为整流模块对地回路接触电阻最大处。图3开关电源EMI电路示意图由此可以推断，整流模块起火原因有两种可能：一种即为单相电压过高或零地电压过高引起模块内部SPD发热烧毁；第二种原因即为由于电网过压和高次谐波，使得模块EMI电路共模抑制回路过载而引发。”由上面的实例可以看到零地电压过高可以引起硬件损坏。在1995年人民银行卫星网的建设过程中，我中心也有过因零地电压过高，频繁烧毁卫星室外单元和室内单元电源模块的事例。对次总中心领导非常重视，曾专门举行了多次技术讨论会，后下发文件，要求再建卫星小站，零地电压不能的超过2V，超过2V将视为不具备建站条件。已建小站，要采取必要技术措施，将零地电压控制在2V以下。采取上述措施后，卫星设备的事就没有再发生。零地电压过高的危害，除了引起电子设备硬件直接损坏外，还引发控制信号的误动作，造成设备的误启动和误关机。例如电源系统与信息系统共用同一接地干线，系统的屏蔽层、信号的参考点与PE线等电位，如PE线对N线有很高的压差，当PE线为高电位，N线为低电位，则信号有可能被湮没被干扰了，反之则信号有可能误发生。笔者曾于2001年在××州和××市分行维修过卫星电视会议系统，前者是卫星链路不能建立，重新对星和更换设备也没能解决问题；后者是视频图像差，常常死机。工程维修小组在分行同志的配合下，分析问题测量环境后，发现故障均与零地电压有关。前者因为卫星电视会议系统设在分行新建的大楼中，大楼的装修还没有完全完工，运料的临时施工电梯，电焊等对零地电压影响很大。后者是卫星室内单元与电视会议系统不在一个楼内，两者之间没有共地，零地电压无法保证。采取了相应的技术措施后，问题全部解决。在我们主站的通信保障值班记录中，这样的记录是很多的。“***小站ODU故障，代码×××××，查零地电压高，重装UPS使零地电压小于2伏，更换ODU后小站恢复正常。”“***小站IDU故障，代码×××××，查零地电压高，重接地线使零地电压小于2伏，更换IDU后小站恢复正常。”在长期的工作中，我们接到卫星通信故障报告时，往往第一句话就是“你的零地电压是多少？”零地电压对通信系统的影响，除了卫星系统外，其他的远程数据通信设备（如DTU、RAS、FRAME适配器、X.25适配器、LOOP等）对零地电压要求十分严格，不同设备要求零地电压不同，原则上越小越好。因为，零地电压过高，可能造成误码率上升，丢包率增加，造成通信缓慢，传输速率下降。影响通信质量，延误或阻止通信的正常进行。对于计算机设备而言，零地电压过高会导致服务器速度下降、网络交换速度降低、服务器无故关机，甚至造成硬件损坏。在某机房的磁盘阵列柜，硬盘连续损坏了两个，一个星期坏一个，经专家分析是由于一些环境因素如：温度、湿度、电压（零地电压的影响最大），造成这种情况的发生。有的服务器在零地电压高于某一值（比如2V）时就无法启动。因此用户安装的某些负载（例如HP小型机、IBM服务器等），厂家的安装硬件工程师在现场就会对安装环境的零地电压进行测量，一般情况下要求2V，大于此数值则不予加电开机。要避免硬件故障发生，服务器管理人员必须注意服务器的使用环境完全正常。比较重要的服务器除必须在恒温、恒湿的环境外；电源环境也要符合标准，不仅要采用UPS，还必须接良好的地线，零地电压低于2伏。在机器的使用过程中，如遇到设备损坏，到场的厂家维修工程师一般也要首先测量场地环境，如使用环境的零地电压超出范围，要求免费维修时会遇到很多麻烦。三、零地电压的控制因为零地电压是影响机器运行可靠性的重要因素，零地电压高会造成机器故障或损害，所以必须对它加以控制。因为零地电压的形成原因很复杂，所以控制要有针对性。具体到零地电压对负载的影响，则应当具体问题具体讨论。主要考虑的问题和解决的途径有：1、负载平衡问题，三项用电不平衡，零线N上的电流就会加大，零线N两端的电压差就会直接造成零地电压。对由上述原因产生中性点偏移而引起零地电压过高的防治措施，除了从设备维护管理着手，在可能的条件下要尽量配平三相负载，并定期根据负载的使用变化进行必要的调整外。还可以通过增加零线截面积，减少零线的线路电压损失，从而在一定程度上降低零地线电压，减小中性点偏移。GB50054-95《低压配电设计规范》“第2.2.6条：在三相四线制配电系统中，中性线的允许截流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流影响。第2.2.7条：以气体放电灯为主要负何的回路中，中性线截面不应小于相线截面”，的相关规定都应得到严格执行。2、建立良好的接地系统，尽量降低接地电阻。接地电阻一高，很小的电流就会产生零地电压，所以一定要降低。接地系统中，特别要注意的是地线截面积问题，因为电阻的大小与长度成正比，与截面积成反比。我单位在××年为控制零地电压过高问题的下发文件中，在计算地线线径问题时，在考虑了系统可能的最大用电量和安全的基本需要后，专门计算了电缆长度，对不同高度的楼层使用的不同线径的地线给予了明确规定。3、尽量选用绿色的，谐波干扰符合国家规定的用电设备，对照明器具如电子镇流器、节能灯等气体放电灯及大功率可控硅整流变频设备等高次谐波的产生源，严格进行相关的技术测试，减少高次谐波的产生源及危害性。必要时还可安装相应抑制高次谐波的设备，以从根本上净化电网。同时还必须加强定时、定期和有针对性的设备维护保养，才能确保设备正常运行，降低高次谐波。4、选用有零地电压控制能力或零地电压升小的UPS。在机房中，大量负载为服务器、交换机等类型的负载，这些负载本身因为电路原因产生大量谐波，谐波导致电缆发热，还会导致输入电源的零地电压大于超过服务器所要求的2V的指标，在选购UPS时需要考虑零地电压控制这个问题。有些类型的UPS经过特殊的设计可以使输出的零地电压小于1伏。也有些类型的UPS零地电压压升很小，从而避免上述问题的发生。5、供配电的二次装修的电气施工的监管要严格。由于二次装修的工程量大小不一，施工单位素质参差不齐，如果管理不好会影响施工质量和供电系统安全。如插座接线应符合下列规定：1）单相两孔插座，面对插座的右孔或上孔与相线连接，左孔或下孔与零线连接；单相三孔插座，面对插座的右孔与相线连接，左孔与零线连接；2）单相三孔、三相四孔及三相五孔插座的接地（PE）或接零（PEN）线接在上孔。插座的接地端子不与零线端子连接。同一场所的三相插座，接线的相序一致；3）接地（PE）或接零（PEN）线在插座间不串联连接。我单位最近就因为使用了零相接反的插座，加之不共地，烧毁了一块电视会议控制板。6、加装隔率变压器也是降低零地电压的有效措施。在零地电压过高，一般手段无法控制零地电压的情况下，为保证负载可以正常上电开机，通常的做法是采用加装隔离变压器的办法，来隔离输入和输出之间的电气连接，在变压器副边零地短接，从而达到降低零地电压的目的。此方法只适用于无内置隔离变压器的UPS，一般采用在其输出端加装输出隔离变压器的方式。该连接方式构成的UPS供电系统一般不会对电网和负载造成负面影响。但应注意采用这种方法后，原来TN-S的配电系统，就变成实际的TN-C系统，T-S系统的优点将荡然无存。加装隔离变压器后严禁把负载零线N连接到电网零线N，由于接地的不可靠可能会造成设备损坏甚至人身伤害，所以一定要保证接地系统满足机房的接地规范要求并保证使用中的可靠性。零地电压问题是近年来困扰信息类设备使用的一个较突出问题，关于这方面我们的认识还很肤浅，有些案例我们还没有能力进行定量分析，此文只是希望该问题能引起大家的重视，并起到一个抛砖引玉的作用。（全文完）