耿長友 丁園月 吳吉哲 于振波

【摘 要】本文通過對標準機房和非標準機房零地電壓異常實例的檢測，分析了標準機房零地電壓產(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、減少電纜長度達到降低零地電壓的目的。在分析非標準機房混用配電設施出現(xiàn)電流不穩(wěn)定現(xiàn)象基礎上，提出了將非標準機房配電系統(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，達到規(guī)范要求。

【關鍵詞】零地電壓；不平衡電流；三相負載平衡；重復接地

中圖分類號： TM72；TN80 文獻標識碼： 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，一些設備（如信息設備）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)絡數(shù)據(jù)傳輸，甚至損壞設備。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程數(shù)據(jù)通信設備，這些設備對零地電壓要求很高。為此，有些設備（如服務器）還專門設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、負載和接地性能有直接關系，有時也與UPS等電子供電設備的選用有關。零地電壓是機房檢測的重要指標，正確處理零地電壓問題，對于保證機房安全穩(wěn)定運行、延長設備使用壽命至關重要。當零地電壓不達標時，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，零地電壓指標同樣重要。

本文根據(jù)實際檢測中發(fā)現(xiàn)的標準機房及非標準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 標準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)壓器等電子供電設備選用不當[2]。

下面根據(jù)某一實例介紹標準機房零地電壓偏高的原因與對策

2016年4月，筆者對某公司進行防雷年檢時，發(fā)現(xiàn)該公司機房零地電壓偏高。經(jīng)進一步檢測分析，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

該機房按標準機房建設，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接地電阻測試儀進行現(xiàn)場測試，測得數(shù)據(jù)如下：（1）電源保護接地：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，不是太嚴重，而變壓器地網(wǎng)與保護接地共用一個地網(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應該很小，相應的零地電壓也應該很小。但實際情況并非如此，所以只好進行定量計算查找原因。如果采用復數(shù)方法計算將比較繁瑣，由于是工程應用，不需要數(shù)據(jù)十分精確，采用座標矢量圖進行直觀分析（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：由于三相負載不平衡，導致中性線上產(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，只能通過三相負載平衡的措施。通過進一步現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，該機房配電柜還帶了該樓層的照明、辦公等負載，最后通過將照明、空調(diào)等負載調(diào)整到其它電纜上，解決三相負載不平衡問題，從而降低零地電壓。

2 非標準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準機房零地電壓偏高的原因及對策。

2.1 非標準機房概況

筆者在對某通訊公司山頂一處通訊基站進行整改時，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

由于負載電流不是很大，僅靠調(diào)整三相負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載，更主要的是它截斷了供電與負載的電流回路。

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機房前，將中線進行重復接地，并引出接地線作為基站設備接地之用，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 非線性負載

非線性負載是產(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。設該基站重復接地到基站為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。

按非線性負載布線：相線截面積取先行負載的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，達到規(guī)范要求[6]。

3 結語

通過標準機房和非標準機房的實例分析，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載平衡，還要考慮非線性負載帶來的問題。在進行查找原因時，一定要充分勘察現(xiàn)場，進行全面細致的檢測，通過“一問、二看、三測”，分析原因，結合實際進行整改。

【參考文獻】

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