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        機房零地電壓偏高成因分析及整改

        2018-07-28 07:12:14耿長友丁園月吳吉哲于振波
        科技視界 2018年12期

        耿長友 丁園月 吳吉哲 于振波

        【摘 要】本文通過對標(biāo)準(zhǔn)機房和非標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓異常實例的檢測,分析了標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓產(chǎn)生的主要原因、估算方法和消除手段,可以通過調(diào)整負(fù)載平衡消除中性線上的不平衡電流,或增大中性線線徑、減少電纜長度達(dá)到降低零地電壓的目的。在分析非標(biāo)準(zhǔn)機房混用配電設(shè)施出現(xiàn)電流不穩(wěn)定現(xiàn)象基礎(chǔ)上,提出了將非標(biāo)準(zhǔn)機房配電系統(tǒng)由TT系統(tǒng)改為TN-C-S系統(tǒng),采用共地不共線接地;加大非線性負(fù)載的相、零線截面積方法,消除零地電壓不平衡狀態(tài)的整改,達(dá)到規(guī)范要求。

        【關(guān)鍵詞】零地電壓;不平衡電流;三相負(fù)載平衡;重復(fù)接地

        中圖分類號: TM72;TN80 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 2095-2457(2018)12-0196-002

        DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.091

        0 前言

        零地電壓是指供配電系統(tǒng)中,零線(N線)與地線(PE線)之間的電位差,理想狀況下零地電壓為0V。由于電磁兼容的要求,一些設(shè)備(如信息設(shè)備)要求工作在較低的零地電壓的供配電系統(tǒng)中,否則就會影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,甚至損壞設(shè)備。如采用共用接地系統(tǒng)的銀行、保險公司大樓、證券公司等有較多遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信設(shè)備,這些設(shè)備對零地電壓要求很高。為此,有些設(shè)備(如服務(wù)器)還專門設(shè)計有零地電壓檢測電路,一旦零地電壓高于某一規(guī)定值就不能開機。一般零地電壓與電源質(zhì)量、負(fù)載和接地性能有直接關(guān)系,有時也與UPS等電子供電設(shè)備的選用有關(guān)。零地電壓是機房檢測的重要指標(biāo),正確處理零地電壓問題,對于保證機房安全穩(wěn)定運行、延長設(shè)備使用壽命至關(guān)重要。當(dāng)零地電壓不達(dá)標(biāo)時,對于中小功率的UPS,一般采用在其輸出端加裝輸出隔離變壓器;對于三進(jìn)三出的大功率UPS,一般采用在其旁路輸入加裝旁路隔離變壓器[1];對非UPS供電的各類機房,零地電壓指標(biāo)同樣重要。

        本文根據(jù)實際檢測中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)機房及非標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓偏高的問題,分析了其產(chǎn)生的可能原因,并提出了對應(yīng)解決方法,可為山區(qū)機房防雷檢測和問題整改提供參考。

        1 標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓偏高的原因和對策

        分析零地電壓產(chǎn)生的原因,主要有以下幾個方面:(1)三相電源配電負(fù)載不平衡;(2)接地電阻過大,或接地裝置使用不同的材料;(3)N線和PE線線徑過細(xì)或連接不良,造成阻抗偏大;(4)電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定,高頻諧波引起電位升高;(5)電磁干擾;(6)UPS、電子穩(wěn)壓器等電子供電設(shè)備選用不當(dāng)[2]。

        下面根據(jù)某一實例介紹標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓偏高的原因與對策

        2016年4月,筆者對某公司進(jìn)行防雷年檢時,發(fā)現(xiàn)該公司機房零地電壓偏高。經(jīng)進(jìn)一步檢測分析,確定了該機房零地電壓過高的原因,提出了整改措施。

        1.1 機房概況

        該機房按標(biāo)準(zhǔn)機房建設(shè),布局規(guī)范,供電系統(tǒng)采用TN-S制。

        1.2 現(xiàn)場檢測情況

        采用南京產(chǎn)mf-47系列指針式萬用表、4102A接地電阻測試儀進(jìn)行現(xiàn)場測試,測得數(shù)據(jù)如下:(1)電源保護(hù)接地:0.4Ω;(2)A相工作電流:93A;(3)B相工作電流:83A;(4)C相工作電流:73A;(5)中性線不平衡電流:20A;(6)零地電壓:2.2V。

        1.3 原因分析

        通過現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),零地電壓(2.2V)偏高,存在系統(tǒng)不穩(wěn)定性隱患。根據(jù)平時小電流經(jīng)驗,從三相不平衡電流按比例看,不是太嚴(yán)重,而變壓器地網(wǎng)與保護(hù)接地共用一個地網(wǎng),零地電壓的產(chǎn)生只能是不平衡電流iN在中線線阻RN上產(chǎn)生的壓降。由于中性線為25mm2銅芯線,所以線阻RN應(yīng)該很小,相應(yīng)的零地電壓也應(yīng)該很小。但實際情況并非如此,所以只好進(jìn)行定量計算查找原因。如果采用復(fù)數(shù)方法計算將比較繁瑣,由于是工程應(yīng)用,不需要數(shù)據(jù)十分精確,采用座標(biāo)矢量圖進(jìn)行直觀分析(圖2)。

        以三相電流值為三軸,相互差120°,按合適比例在座標(biāo)紙上畫出,經(jīng)圖上矢量運算可清晰看出中點電位已經(jīng)從O點飄移到O點(假定功率因數(shù)為1,則電壓與電流同相)。按比例計算,O到O的值為18A,與萬用表測得的中線不平衡電流20A數(shù)值比較接近。

        20A中線不平衡電流是否能產(chǎn)生2.2V多的壓降呢?設(shè)中線線阻為RN,不平衡電流iN為20A,零地電壓UO按測試值2.2V計,根據(jù)歐姆定理計算RN=0.11Ω。銅的電阻率ρ為0.0175Ω·mm2·m-1,銅導(dǎo)線截面積S為25mm2,根據(jù)RN=ρL/S,推算電線長度為157m,這與現(xiàn)場估測的實際電纜長度接近,由此說明零地電壓產(chǎn)生的主要原因是不平衡電流在中性線上產(chǎn)生的電壓降所致。

        1.4 整改方法

        通過以上分析可見,該機房零地電壓偏高的主要原因是:由于三相負(fù)載不平衡,導(dǎo)致中性線上產(chǎn)生不平衡電流,在中性線上產(chǎn)生電壓降。為此,可以通過調(diào)整負(fù)載平衡消除中性線上的不平衡電流,或增大中性線線徑、減少電纜長度達(dá)到降低零地電壓的目的。但是由于該電纜是埋地鎧裝引入,因此無法采用后者方法加以改進(jìn),只能通過三相負(fù)載平衡的措施。通過進(jìn)一步現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn),該機房配電柜還帶了該樓層的照明、辦公等負(fù)載,最后通過將照明、空調(diào)等負(fù)載調(diào)整到其它電纜上,解決三相負(fù)載不平衡問題,從而降低零地電壓。

        2 非標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓偏高的原因和對策

        下面以某一小型通信基站為例介紹非標(biāo)準(zhǔn)機房零地電壓偏高的原因及對策。

        2.1 非標(biāo)準(zhǔn)機房概況

        筆者在對某通訊公司山頂一處通訊基站進(jìn)行整改時,通過現(xiàn)場檢測,發(fā)現(xiàn)該基站的零地電壓很高,高達(dá)十幾伏。經(jīng)現(xiàn)場勘察,該基站電源輸入為一農(nóng)村配電室,供電系統(tǒng)采用TT系統(tǒng);變壓器用電分配為:全村照明兩相用電,一修配車間的三相用電和照明用電;配電的三相線分別分配三個村莊,基站距變壓器約1.5km。

        2.2 現(xiàn)場檢測

        利用4102接地電阻測試儀檢測,變壓器接地電阻為35Ω(供電變壓器接地電阻≤30Ω),用萬用表測量零地電壓為19V,中性線不平衡電流為39A。

        2.3 原因分析

        由于負(fù)載電流不是很大,僅靠調(diào)整三相負(fù)載平衡并不能完全解決問題,經(jīng)初步分析造成零地電壓偏高的原因要復(fù)雜得多。由于供電系統(tǒng)采用TT制,所以影響零地電壓的因素就不僅中性線線阻RN和中性線電流iN,還有變壓器接地電阻Rp和地中電流ip。

        由于基站供電系統(tǒng)所帶負(fù)載面寬、點多、線長,在公用變壓器中性點接地處形成地中電流ip,其產(chǎn)生原因大體有以下幾種(如圖3所示):圖3(a)絕緣污染產(chǎn)生的漏電流i污;圖3(b)用電器漏電產(chǎn)生的電流i漏;圖3(c)供電線路對大地的耦合ic;圖3(d)野外違規(guī)用電,如抽水、打谷等產(chǎn)生的電流i違以及其它各種意想不到的漏電流,都在地中產(chǎn)生地電流以及非線性負(fù)載。各種因素產(chǎn)生的電流疊加形成地電流ip回流變壓器中性點。

        如圖4所示,由于公用變壓器Rp接地不良,接地電阻偏高,地中電流ip在接地電阻Rp上產(chǎn)生電壓降,造成中性點的地電位抬高,該電壓降構(gòu)成了零地電壓的重要部分。由于基站供電系統(tǒng)采用的是TT系統(tǒng),在基站設(shè)備處的接地線(PE線)的電位很小,從而造成零地電壓偏高。

        零地電壓偏高將影響系統(tǒng)可靠性和危及系統(tǒng)安全,特別是線路上疊加雷電波后,使其被雷擊的概率遠(yuǎn)高于專用變壓器供電的站點。因為地中電流是波動的,并不穩(wěn)定,將引起供電系統(tǒng)的整體波動。最傳統(tǒng)有效的改進(jìn)方法是加裝隔離變壓器,并配合其它方法,如屏蔽電磁場干擾等[2]。隔離變壓器相對供電線路而言是三相平衡負(fù)載,更主要的是它截斷了供電與負(fù)載的電流回路。

        2.4 整改措施

        2.4.1 更改配電系統(tǒng)

        加裝隔離變壓器需要資金投入[3],還有沒有其它方法能減輕零地電壓的危害呢?我們將TT供電制改為TN—C—S制是經(jīng)濟可行的方法。改造方法是在供電線路進(jìn)機房前,將中線進(jìn)行重復(fù)接地,并引出接地線作為基站設(shè)備接地之用,從而使供電系統(tǒng)由TT系統(tǒng)改為TN-C-S系統(tǒng)[4],其示意圖如圖5所示。

        2.4.2 更改接地點

        由于零地共網(wǎng),所以零地電壓差消失或者很小,很小的部分是因為線阻存在。改造效果可以用4102地阻儀進(jìn)行驗證,因為4102地阻儀的接地樁與圖4、圖5的地網(wǎng)都無電氣聯(lián)系,相對于被測地網(wǎng),它是另一個獨立地網(wǎng)。改造前用4102地阻儀(AC V)檔測中線接地電壓;改造后同樣再測一次,兩相比較發(fā)現(xiàn),雖然零地電壓有所減小,但仍不理想。

        2.4.3 非線性負(fù)載

        非線性負(fù)載是產(chǎn)生零地電壓的原因之一[5],用加大相線截面積,消除零地電壓。設(shè)該基站重復(fù)接地到基站為15m,用電總功率為13.2KW,每相線功率為4.4KW,相線電流有效值為20A,電流峰值約40A。

        按先行常規(guī)布線,銅芯線電流密度取5A/mm2,線截面積=4mm。

        按非線性負(fù)載布線:相線截面積取先行負(fù)載的2.5倍,截面積為10mm2;零線取三倍相線截面積為30mm2,零線負(fù)載R=0.017×15/30=0.0085Ω,零地電壓有效值U=0.0085×20×3=0.51V。非線性布線,零地電壓降到1V以下,達(dá)到規(guī)范要求[6]。

        3 結(jié)語

        通過標(biāo)準(zhǔn)機房和非標(biāo)準(zhǔn)機房的實例分析,造成零地電壓偏高的原因有多種,在實際分析時不能只考慮負(fù)載平衡,還要考慮非線性負(fù)載帶來的問題。在進(jìn)行查找原因時,一定要充分勘察現(xiàn)場,進(jìn)行全面細(xì)致的檢測,通過“一問、二看、三測”,分析原因,結(jié)合實際進(jìn)行整改。

        【參考文獻(xiàn)】

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