零地電壓產生的原因_配電係統與零地電壓的關係
零地電壓產生的原因
在解釋零地電壓產生的原因之前,先澄清一個問題:線路阻抗對高頻電流和低頻電流的影響。圖1給出了線路電阻和感抗的示意圖。
以一台200kVA、開關頻率為6kHz的UPS為例,相電流300A,輸入用AWG3/0線纜,典型長度為50m,N線和PE線線徑加倍,則N線線纜電阻為0.0021Ω,線路電感約10μH。為簡化運算,把工頻電流、工頻電壓、工頻阻抗和高頻電流、高頻電壓、高頻阻抗解耦。從表1可以看出,如果是工頻電流,需要476A的電流才能在N線上產生1V的工頻壓降,如果N線工頻電流是相電流的1/3(100A),則隻產生約0.2V的壓降,而如果N線上是24kHz的高頻電流,則隻需要660mA電流就可以產生1V的高頻壓降。
在接線規範的情況下,從上麵的計算可以看出,對於小於1/3相電流的N線工頻電流,或小於1/10相電流的N線三次諧波電流,對線路壓降影響很小,可以忽略;而對於開關頻率級別的高頻電流,或者是開關頻率倍頻的高頻電流,即使是很小的電流也會對線路壓降產生較大的影響。
下麵分析TN-S係統中的UPS零地電壓。
圖2中,設RAO、RBA、RCB分別為AO、BA、CB段N線(零線)阻抗;
ROX、RXY、RYZ分別為OX、XY、YZ段PE線(地線)阻抗。
負載側的零地電壓
可以看出,負載側的零地電壓與零地線阻抗以及零地線電流相關。下麵詳細介紹各部分線路的影響。
1、AO段
i1為隔離變壓器到UPS之間的N線電流,包括輸入三相不平衡在N線上形成的工頻電流,以及三相高頻紋波電流在N線上形成的高頻電流。當前的三相UPS,輸入三相電流一般都是平衡的,N線工頻電流極小,小於相電流的5%。根據前麵的分析,該數量級的工頻電流對N線壓降影響極小,可以忽略。而高頻電流則不能忽略。對於UPS輸入來說,高頻N線電流為N線壓降的主要影響因素。
圖3是某高頻UPS的輸入電流圖,波形為正弦波,但包含開關頻率的高頻紋波,三相高頻紋波無法抵消,在N線上形成高頻電流。
2、BA段
i2同樣包括UPS輸出的工頻N線電流、三次諧波電流和高頻N線電流,高頻N線電流對N線壓降的影響不能忽略,而對於工頻電流和三次諧波電流,還是以上述200kVA的UPS為例說明。在三相負載不平衡的情況下,工頻N線電流最大可達相電流300A,帶非線性負載時,N線三次諧波電流可能達到相電流的兩倍,約600A,可見UPS輸出N線電流中的工頻成分和三次諧波成分均對N線壓降有影響。即,對於BA段線路來說,N線工頻電流(包括三次諧波電流)和高頻電流均對N線壓降有較大影響。
3、CB段
CB段的N線工頻電流等於相電流,因此CB段與BA段相似,N線工頻電流和高頻電流均對N線壓降有較大影響。
4、OX、XY、YZ段
i4、i5、i6主要是UPS、ICT設備內對PE的Y電容電流及其它漏電流,安規一般要求電源漏電流小於3.5mA,但大多數電源均為大漏電流設備,漏電流均大於3.5mA,運行中甚至達到1A以上。這部分電流主要成分為高頻電流,OX、XY、YZ段地線壓降主要是由高頻漏電流引起。
通過上麵的分析,圖4畫出了零地電壓的產生原因,i1～i6及對應的線路阻抗是產生零地電壓的原因。
配電係統與零地電壓的關係
以上的分析主要是基於TN-S係統,這是國內數據機房最普遍的配電係統,實際上,對於國外或者一些縣局單位,還會用到其他配電係統,而其他配電係統中的零地電壓與TN-S係統中的零地電壓,不管是產生原因還是影響,都不盡相同。
根據IEC及GB定義,一共分為IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五種配電係統,其中TN-C-S是TN-C、TN-S兩種的綜合體,不單獨分析。
1、IT係統
IT係統(見圖7)中,UPS設備外殼直接接地,而電源中性點不接地或高阻接地,不建議設中線,對於有中線的IT係統,由於N和PE之間高阻,因此可能存在幾伏或者十幾伏的零地電壓。
2、TT係統
TT係統(見圖8)中,電源中性點接地,設備外殼也接地,兩個接地點沒有電氣連接。國內很多小的通信局使用這種配電係統。而實際中,由於設備外殼接地不規範或者沒有可靠接地,設備零地電壓達到幾十伏到上百伏,但這麼高的零地電壓除了對EMC電路有直接破壞風險以外,並沒有造成設備異常。
3、TN-C係統
TN-C係統(見圖9)中,N和PE共用一根線,因此零地電壓為0。北美中大數據機房均為480V的TN-C係統,而機房負載又是120V單相電源輸入,因此需要在列頭櫃加降壓隔離變壓器。同時,該隔離變壓器會把TN-C係統變為TN-S係統,這種架構中的負載由於離隔離變壓器近,基本上沒有零地電壓問題。TN-S係統是國內機房最常見的配電係統,前文已經做了具體分析,這裏不再贅述。
