零地电压产生的原因_配电系统与零地电压的关系
零地电压产生的原因
在解释零地电压产生的原因之前,先澄清一个问题:线路阻抗对高频电流和低频电流的影响。图1给出了线路电阻和感抗的示意图。
以一台200kVA、开关频率为6kHz的UPS为例,相电流300A,输入用AWG3/0线缆,典型长度为50m,N线和PE线线径加倍,则N线线缆电阻为0.0021Ω,线路电感约10μH。为简化运算,把工频电流、工频电压、工频阻抗和高频电流、高频电压、高频阻抗解耦。从表1可以看出,如果是工频电流,需要476A的电流才能在N线上产生1V的工频压降,如果N线工频电流是相电流的1/3(100A),则只产生约0.2V的压降,而如果N线上是24kHz的高频电流,则只需要660mA电流就可以产生1V的高频压降。
在接线规范的情况下,从上面的计算可以看出,对于小于1/3相电流的N线工频电流,或小于1/10相电流的N线三次谐波电流,对线路压降影响很小,可以忽略;而对于开关频率级别的高频电流,或者是开关频率倍频的高频电流,即使是很小的电流也会对线路压降产生较大的影响。
下面分析TN-S系统中的UPS零地电压。
图2中,设RAO、RBA、RCB分别为AO、BA、CB段N线(零线)阻抗;
ROX、RXY、RYZ分别为OX、XY、YZ段PE线(地线)阻抗。
负载侧的零地电压
可以看出,负载侧的零地电压与零地线阻抗以及零地线电流相关。下面详细介绍各部分线路的影响。
1、AO段
i1为隔离变压器到UPS之间的N线电流,包括输入三相不平衡在N线上形成的工频电流,以及三相高频纹波电流在N线上形成的高频电流。当前的三相UPS,输入三相电流一般都是平衡的,N线工频电流极小,小于相电流的5%。根据前面的分析,该数量级的工频电流对N线压降影响极小,可以忽略。而高频电流则不能忽略。对于UPS输入来说,高频N线电流为N线压降的主要影响因素。
图3是某高频UPS的输入电流图,波形为正弦波,但包含开关频率的高频纹波,三相高频纹波无法抵消,在N线上形成高频电流。
2、BA段
i2同样包括UPS输出的工频N线电流、三次谐波电流和高频N线电流,高频N线电流对N线压降的影响不能忽略,而对于工频电流和三次谐波电流,还是以上述200kVA的UPS为例说明。在三相负载不平衡的情况下,工频N线电流最大可达相电流300A,带非线性负载时,N线三次谐波电流可能达到相电流的两倍,约600A,可见UPS输出N线电流中的工频成分和三次谐波成分均对N线压降有影响。即,对于BA段线路来说,N线工频电流(包括三次谐波电流)和高频电流均对N线压降有较大影响。
3、CB段
CB段的N线工频电流等于相电流,因此CB段与BA段相似,N线工频电流和高频电流均对N线压降有较大影响。
4、OX、XY、YZ段
i4、i5、i6主要是UPS、ICT设备内对PE的Y电容电流及其它漏电流,安规一般要求电源漏电流小于3.5mA,但大多数电源均为大漏电流设备,漏电流均大于3.5mA,运行中甚至达到1A以上。这部分电流主要成分为高频电流,OX、XY、YZ段地线压降主要是由高频漏电流引起。
通过上面的分析,图4画出了零地电压的产生原因,i1～i6及对应的线路阻抗是产生零地电压的原因。
配电系统与零地电压的关系
以上的分析主要是基于TN-S系统,这是国内数据机房最普遍的配电系统,实际上,对于国外或者一些县局单位,还会用到其他配电系统,而其他配电系统中的零地电压与TN-S系统中的零地电压,不管是产生原因还是影响,都不尽相同。
根据IEC及GB定义,一共分为IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五种配电系统,其中TN-C-S是TN-C、TN-S两种的综合体,不单独分析。
1、IT系统
IT系统(见图7)中,UPS设备外壳直接接地,而电源中性点不接地或高阻接地,不建议设中线,对于有中线的IT系统,由于N和PE之间高阻,因此可能存在几伏或者十几伏的零地电压。
2、TT系统
TT系统(见图8)中,电源中性点接地,设备外壳也接地,两个接地点没有电气连接。国内很多小的通信局使用这种配电系统。而实际中,由于设备外壳接地不规范或者没有可靠接地,设备零地电压达到几十伏到上百伏,但这么高的零地电压除了对EMC电路有直接破坏风险以外,并没有造成设备异常。
3、TN-C系统
TN-C系统(见图9)中,N和PE共用一根线,因此零地电压为0。北美中大数据机房均为480V的TN-C系统,而机房负载又是120V单相电源输入,因此需要在列头柜加降压隔离变压器。同时,该隔离变压器会把TN-C系统变为TN-S系统,这种架构中的负载由于离隔离变压器近,基本上没有零地电压问题。TN-S系统是国内机房最常见的配电系统,前文已经做了具体分析,这里不再赘述。
