黃景峰, 李玉明

(清華大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100084)

0 引 言

信息技術(shù)設(shè)備(Information Technology Equipment,ITE)的應(yīng)用日益增多,這類(lèi)設(shè)備對(duì)用電電能質(zhì)量十分敏感。很多ITE交付使用后才發(fā)現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題,補(bǔ)糾十分困難。有些ITE供貨商提出獨(dú)立接地的要求,但又無(wú)法保障用電安全[1-5]。

因此,在有ITE的建筑物電氣裝置的設(shè)計(jì)安裝中,需重視ITE的用電電能質(zhì)量及用電安全問(wèn)題。本文以用電安全為基礎(chǔ),提出應(yīng)用雙繞組變壓器、局部TN-S系統(tǒng)、S式接地方法、M式接地方法等方案,提升ITE的用電電能質(zhì)量及抗干擾能力。

1 ITE產(chǎn)生干擾及電擊風(fēng)險(xiǎn)

1.1 ITE具有較大的正常對(duì)地泄漏電流

普通設(shè)備PE線只通過(guò)微小的正常對(duì)地泄漏電流,而ITE多采用開(kāi)關(guān)模式電源,本身具有較大的正常對(duì)地泄漏電流。多個(gè)ITE產(chǎn)生過(guò)大的PE線電流如圖1所示。ITE的開(kāi)關(guān)模式電源有大容量電容器跨接在相線和PE線之間,多個(gè)ITE在一條回路時(shí),相當(dāng)于多個(gè)電容器在同一電源線路上被并聯(lián)。

圖1 多個(gè)ITE產(chǎn)生過(guò)大的PE線電流

圖1中,并聯(lián)的電容器數(shù)量越多,電容量C越大,容抗XC隨之減少,PE線中流過(guò)的泄漏電流IPE因此增大。

(1)

由式(1),當(dāng)C=0.218 μF時(shí),總泄漏電流就超過(guò)15 mA,即超過(guò)了動(dòng)作值為30 mA的RCD的額定不動(dòng)作電流,有可能引起RCD的誤動(dòng)作。

1.2 過(guò)大的PE線電流產(chǎn)生過(guò)大的電壓降

ITE過(guò)大的PE線電流產(chǎn)生過(guò)大的電壓降如圖2所示。1條電源線路上有多個(gè)ITE時(shí),PE線上產(chǎn)生電流疊加,從而引起過(guò)大的電壓降,導(dǎo)致各ITE的地電位不均等,通常若ΔU>3 V,其信號(hào)電纜的地線上將流過(guò)足夠大的工頻電流,造成ITE不能正常工作。

圖2 ITE過(guò)大的PE線電流產(chǎn)生過(guò)大的電壓降

1.3 過(guò)大的PE線電流可能引起人身電擊事故

ITE的電容泄漏電流過(guò)大,還可能因電源線路中PE線的中斷而導(dǎo)致人身電擊事故。

PE線導(dǎo)電良好如圖3所示。假設(shè)圖中PE線導(dǎo)電良好,PE線截面為4 mm2,長(zhǎng)度10 m,阻抗為46 mΩ。人體阻抗為1 900 Ω(GB 13870.1—2008《電流通過(guò)人體的效應(yīng) 第一部分:通用部分》,表1,大的接觸面積,AC 50 Hz,路徑手到手,被測(cè)對(duì)象的95%)。ITE的泄漏電流通過(guò)PE線與人體的并聯(lián)回路返回電源,對(duì)人體的分流可忽略不計(jì),沒(méi)有電擊風(fēng)險(xiǎn)。

圖3 PE線導(dǎo)電良好

PE線斷線引起人身電擊事故如圖4所示。

圖4 PE線斷線引起人身電擊事故

假設(shè)PE線中斷,電容泄漏電流將轉(zhuǎn)而經(jīng)人體和大地這一通路返回電源。人體的預(yù)期接觸電壓Ut為人體阻抗Zt和人體的對(duì)地接觸阻抗RS在串聯(lián)回路中的分壓:

(2)

式中:Ut——人體的預(yù)期接觸電壓;

U0——系統(tǒng)相對(duì)地電壓,220 V;

Zt——人體阻抗;

RS——人體對(duì)地接觸電阻;

ZT——變壓器內(nèi)阻抗;

ZL——相導(dǎo)體阻抗;

XC——ITE的電容器容抗;

RB——電源接地電阻。

通常ZT、ZL、RB很小,可忽略不計(jì),式(2)簡(jiǎn)化為

(3)

由式(3),當(dāng)濾波電容器并聯(lián)的數(shù)量越多時(shí),XC值越小,人體的預(yù)期接觸電壓Ut越大。參考GB 13870.1—2008《電流通過(guò)人體的效應(yīng) 第一部分:通用部分》,當(dāng)流經(jīng)人體電流為50 mA、超過(guò)1 s的時(shí)間,就可能引發(fā)人體心臟功能障礙。

2 降低電壓擾動(dòng)的措施

ITE的電能質(zhì)量問(wèn)題來(lái)源于兩大方面,其中之一是由電源線路傳導(dǎo)來(lái)的電壓擾動(dòng)。

2.1 雙繞組變壓器消除共模電壓

利用雙繞組變壓器消除共模電壓干擾如圖5所示。

圖5 利用雙繞組變壓器消除共模電壓干擾

電源線路過(guò)長(zhǎng),中性線壓降過(guò)大,ITE受共模電壓干擾。在ITE前設(shè)置雙繞組變壓器,其二次繞組作為該ITE的電源,則中性線與PE線間的電位差在變壓器二次繞組這一點(diǎn)起始又從0 V開(kāi)始,共模電壓干擾得以有效降低。

2.2 放射式供電限制PE線上的正常泄漏電流

ITE固有較大的對(duì)地泄漏電流,當(dāng)電源線路供給多個(gè)ITE時(shí),PE線上疊加過(guò)多的泄漏電流而產(chǎn)生的電壓降,致各ITE的地電位不均等,其信號(hào)電纜的地線上由于兩端的電位差,也將流過(guò)工頻電流,這些都能對(duì)ITE引起干擾。因此應(yīng)盡量采用放射式供電,以限制PE線上的正常泄漏電流。

2.3 在ITE前設(shè)置雙繞組變壓器消除過(guò)大的PE線電流

在正常泄漏電流大的ITE前,配置一臺(tái)1∶1的雙繞組變壓器。設(shè)置雙繞組變壓器消除過(guò)大的PE線電流如圖6所示。ITE的PE線泄漏電流只返回變壓器二次側(cè)繞組,不再流入變壓器前的PE線,不會(huì)對(duì)其他ITE產(chǎn)生干擾(雙繞組變壓器只要求基本絕緣,非隔離變壓器)。

圖6 設(shè)置雙繞組變壓器消除過(guò)大的PE線電流

3 設(shè)備獨(dú)立接地引發(fā)電擊事故及設(shè)備損壞

有些ITE供貨商提出獨(dú)立接地,這一點(diǎn)必須明確,不允許建筑物內(nèi)某一設(shè)備單獨(dú)接地。單獨(dú)接地的設(shè)備發(fā)生碰殼故障時(shí),將造成設(shè)備外殼與接地出現(xiàn)電位差,可能引發(fā)人身電擊等電氣事故。其次,雷電感應(yīng)產(chǎn)生大于單獨(dú)接地設(shè)備絕緣耐沖擊電壓的電位差時(shí),會(huì)擊壞設(shè)備。

規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)也不允許設(shè)備獨(dú)立接地。JGJ 91—2019《科研建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[6]中第9.4.3條規(guī)定,各種接地宜共用一組接地裝置;GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中第6.3.3-1條規(guī)定,每棟建筑物本身應(yīng)采用一個(gè)接地系統(tǒng);IEC 60364-5-54:2011第542.1.1規(guī)定,電氣裝置可以兼有或分別承擔(dān)保護(hù)接地和功能接地兩種作用,應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地。

3.1 電擊風(fēng)險(xiǎn)

ITE單獨(dú)接地引起人身電擊事故如圖7所示。

圖7 ITE單獨(dú)接地引起人身電擊事故

ITE單獨(dú)接地,該設(shè)備發(fā)生碰殼故障時(shí),人體的預(yù)期接觸電壓Ut為

(4)

式中:RE——獨(dú)立接地電阻。

假設(shè)人體阻抗Zt+RS=2 000 Ω,RE=RB=1 Ω,由式(4)得,Ut=110 V,大于安全電壓。

3.2 雷電感應(yīng)擊壞設(shè)備

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》,電子類(lèi)設(shè)備為I類(lèi)設(shè)備,設(shè)備絕緣耐沖擊電壓的額定值1.5 kV。ITE單獨(dú)接地,當(dāng)雷電電涌沿電源線路引入ITE,或沿獨(dú)立接地的接地線引入ITE時(shí),雷電感應(yīng)極易產(chǎn)生大于該設(shè)備絕緣耐沖擊電壓的電位差,從而擊壞設(shè)備。

依據(jù)GB 50057—2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》式(4.2.4-6),雷電沖擊電流值為

(5)

式中:I——雷電流,二類(lèi)防雷;

n——地下和架空引入的外來(lái)金屬管道和線路的總數(shù);

m——電氣進(jìn)線內(nèi)導(dǎo)體芯線的總根數(shù)。

以二類(lèi)防雷建筑為例,I=150 kA,n=3,m=4。將上述數(shù)據(jù)代入式(5)得,Iimp=6.25 kA。

假設(shè)單獨(dú)接地線電阻L=0.5 Ω,則雷電感應(yīng)產(chǎn)生的電位差U=IimpL=3.1 kA,大于電子類(lèi)設(shè)備的絕緣耐沖擊電壓1.5 kV,極易擊壞設(shè)備。

4 ITE的安全接地

GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]第1.0.1條及其條文說(shuō)明規(guī)定,該規(guī)范制定的目的:為使交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì),在電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障時(shí),能保證電氣裝置和人身的安全。IEC 60364-5-54:2011第542.1.1條規(guī)定,電氣裝置可以兼有或分別承擔(dān)保護(hù)接地和功能接地兩種作用,應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)保護(hù)接地的作用。電氣設(shè)計(jì)人員的首要設(shè)計(jì)原則,就是保障人身的安全。

4.1 ITE需實(shí)現(xiàn)兩個(gè)接地

為保證人身安全,ITE金屬外殼需接地。TN系統(tǒng)中,PE線隨相線引至設(shè)備外殼,降低接地故障回路阻抗,提高防間接接觸電擊的自動(dòng)切斷電源措施的動(dòng)作靈敏度。

另一個(gè)是接同一ITE金屬外殼的信息技術(shù)系統(tǒng)的高頻信號(hào)接地,其要求高頻條件下的接地阻抗小,以獲得各ITE間相等或接近的參考電位,屬功能性接地。

ITE必須與建筑物電氣裝置內(nèi)的其他電氣設(shè)備或其他電氣系統(tǒng)共用接地裝置。為保證人身和電氣設(shè)備安全,以避免在發(fā)生雷擊或接地故障時(shí),各系統(tǒng)間出現(xiàn)危險(xiǎn)的電位差,而引發(fā)事故,如果某一ITE要求設(shè)置局部接地極,則此接地極必須與等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)的接地母排相導(dǎo)通,而實(shí)現(xiàn)共用接地。

4.2 防止PE線中斷的措施

為防ITE電氣裝置中過(guò)大的PE線電流引發(fā)電擊危險(xiǎn),首先應(yīng)采取措施防止PE線中斷。文獻(xiàn)[2]建議采取如下措施之一:

(1) 采用電線明敷供電時(shí),無(wú)論相線截面積為多少,銅芯PE線的截面積都不小于10 mm2,或采用兩根并聯(lián)的,且有各自接線端子的雙PE線,每根PE線的截面積不小于4 mm2。

(2) 采用電纜供電時(shí),電纜內(nèi)PE線、相線和中性線截面積的總和不小于10 mm2。

(3) 采用導(dǎo)線穿管供電時(shí),PE線應(yīng)與該金屬管并聯(lián),且PE線截面積應(yīng)不小于2.5 mm2。

(4) 利用敷線的金屬導(dǎo)管做PE線時(shí),其連接應(yīng)可靠,并應(yīng)具有足夠的截面積、機(jī)械強(qiáng)度以及抗腐蝕強(qiáng)度。

(5) 盡量縮短PE線長(zhǎng)度。

4.3 雙繞組變壓器構(gòu)成局部TN-S系統(tǒng)

為抑制配電線路導(dǎo)入的共模電壓,ITE常配置1∶1的雙繞組變壓器做簡(jiǎn)單分隔。利用此變壓器構(gòu)成新的局部TN-S系統(tǒng),從而最大限度地縮短局部TN-S系統(tǒng)內(nèi)PE線的長(zhǎng)度。

雙繞組變壓器降低TN系統(tǒng)過(guò)大的PE線電流如圖8所示。ITE的電源是雙繞組變壓器的二次側(cè)繞組,其出線上的過(guò)電流防護(hù)保護(hù)器兼做接地故障保護(hù)。正常時(shí),電容器的大泄漏電流經(jīng)PE線返回雙繞組變壓器的二次側(cè)繞組,不再返回上級(jí)電源。當(dāng)設(shè)備中對(duì)地絕緣損壞,發(fā)生接地故障時(shí),因回路接線端阻抗小,故障電流足夠大,可以使變壓器二次側(cè)過(guò)電流防護(hù)器動(dòng)作切斷電源。雙繞組變壓器電源側(cè)PE線已不是ITE內(nèi)大電容泄漏電流的通路,即使中斷,也不會(huì)對(duì)接觸設(shè)備的人構(gòu)成電擊危險(xiǎn)。通常雙繞組變壓器就在設(shè)備近旁,PE線在使用人員的直接監(jiān)視之下,中斷的可能性幾乎不存在。

圖8 雙繞組變壓器降低TN系統(tǒng)過(guò)大的PE線電流

5 ITE工作接地

電源線路上的電壓擾動(dòng)只是引起用電電能質(zhì)量問(wèn)題的一個(gè)方面,對(duì)于ITE而言,接地和等電位聯(lián)結(jié)的設(shè)計(jì)和安裝不當(dāng)引起的ITE間的地電位不均等,是引發(fā)設(shè)備噪音問(wèn)題的另一重要方面。文獻(xiàn)[2]給了一個(gè)例子:美國(guó)電能質(zhì)量會(huì)議多次調(diào)查發(fā)現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)反映的ITE工作不正常的起因并非電壓擾動(dòng),而大多數(shù)是接地和等電位聯(lián)結(jié)不當(dāng),因此有經(jīng)驗(yàn)的電能質(zhì)量專(zhuān)家在現(xiàn)場(chǎng)處理電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí),首先檢查的就是接地和等電位聯(lián)結(jié)設(shè)置中存在的問(wèn)題。所以,在信息系統(tǒng)電氣裝置中,應(yīng)高度重視接地和等電位聯(lián)結(jié)的正確設(shè)置。

5.1 等電位聯(lián)結(jié)的作用優(yōu)于接大地

接地是以大地電位為參考電位,在地球表面實(shí)施的等電位聯(lián)結(jié);而等電位聯(lián)結(jié)則可視為將等電位聯(lián)結(jié)代替大地以導(dǎo)體電位作為參考電位的接地。因此,兩者一般是相通的。當(dāng)然也有不同處,例如接大地可以泄放雷電流和靜電荷,消除其對(duì)ITE的干擾和危害,而不接地的等電位聯(lián)結(jié),則不具備有這一作用。但就減少信息系統(tǒng)電氣裝置內(nèi)各ITE間地電位的高頻電位差而言,等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)做“地”,可相對(duì)容易降低系統(tǒng)對(duì)地的高頻阻抗,以獲得更好的ITE間的等電位效果,而普通接地則難以降低高頻阻抗。因此,等電位聯(lián)結(jié)的作用遠(yuǎn)優(yōu)于降低接地電阻的接大地。

5.2 無(wú)需要求ITE接地電阻的阻值

接大地的接地系統(tǒng)的高頻阻抗太大,以代替大地的等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)的電位為地電位。這樣在等電位聯(lián)結(jié)系統(tǒng)內(nèi),可方便采取許多措施減少連接線的高頻阻抗,最大限度地實(shí)現(xiàn)ITE信號(hào)系統(tǒng)地電位的均等。該等電位聯(lián)結(jié)就是使信息系統(tǒng)正常工作的功能性等電位聯(lián)結(jié)。

5.3 減少高頻電抗的措施

由式(5)知,導(dǎo)體電阻與材料、長(zhǎng)度及截面積相關(guān)。另外,交變電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí),由于感應(yīng)作用引起導(dǎo)體截面上電流分布不均勻,愈近導(dǎo)體表面電流密度越大。這種現(xiàn)象稱(chēng)“趨膚效應(yīng)”,使導(dǎo)體的有效電阻增加,頻率越高,趨膚效應(yīng)越顯著。

依據(jù)文獻(xiàn)[3]式(9.4-1)及式(9.4-3),導(dǎo)體阻抗為

(6)

式中:Kjf——趨膚效應(yīng)系數(shù);

ρ——導(dǎo)體電阻率,銅導(dǎo)體在20 ℃時(shí),取0.018 4 Ω·mm2/m;

L——導(dǎo)體長(zhǎng)度;

S——導(dǎo)體截面積;

R——導(dǎo)體電阻。

為降低高頻阻抗,ITE的接地聯(lián)結(jié)線應(yīng)具有足夠的截面積和足夠的表面積,前者可減少其電阻分量R,后者可減少高頻趨膚效應(yīng),從而減少高頻電抗分量X。聯(lián)結(jié)線的走線應(yīng)盡量短而直,以降低其電感,其連接質(zhì)量應(yīng)保證良好,以減少接觸電阻。

6 ITE接地的型式

6.1 高頻低電阻的等電位聯(lián)結(jié)

將總等電位聯(lián)結(jié)中的接地母排延伸為接地母干線。沿建筑物外墻內(nèi)側(cè)的墻角敷設(shè)一條截面積不小于50 mm2的銅導(dǎo)體,凡需連接的金屬部件,例如進(jìn)入建筑物的金屬管道、柱子鋼筋、基礎(chǔ)鋼筋以及其他金屬構(gòu)件、電纜金屬護(hù)套等都就近與該接地母線直接聯(lián)結(jié)。

應(yīng)盡量多地利用柱子鋼筋和垂直的金屬管道作多根并聯(lián)垂直等電位聯(lián)結(jié),鋼筋間的連接應(yīng)采用焊接或壓接,如因影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等原因不能施焊或壓接時(shí),可植入電氣專(zhuān)用的鋼筋,其聯(lián)結(jié)應(yīng)為焊接或壓接,以降低接觸電阻。

6.2 S式信號(hào)接地

S式的信號(hào)接地方式如圖9所示。配電箱PE母排放射引出的PE線兼做ITE的信號(hào)接地線。S式的信號(hào)接地方式、簡(jiǎn)單易行、成本低。但PE線具有較大的高頻阻抗,設(shè)備間信號(hào)線承受的噪聲水平較高,要求ITE抗干擾能力強(qiáng)。

圖9 S式的信號(hào)接地方式

6.3 M式信號(hào)接地

M式的信號(hào)接地方式如圖10所示。

圖10 M式的信號(hào)接地方式

M式接地除用PE線作為保護(hù)接地外,還將每個(gè)ITE的金屬外殼盡量短直地聯(lián)結(jié)到設(shè)備下方的局部水平等電位銅質(zhì)網(wǎng)格上,以實(shí)現(xiàn)低阻抗信號(hào)接地。

網(wǎng)格也和配電箱內(nèi)的PE母排相連接。網(wǎng)眼的尺寸不可過(guò)大,約為ITE工作頻率波長(zhǎng)的1/10,一般為600 mm×600 mm,銅帶寬60～80 mm,厚0.6 mm(寬厚比不宜小于5∶1,)以增大表面積,減少高頻集膚效應(yīng)。ITE與網(wǎng)格間的連接線也應(yīng)盡量短且直,其長(zhǎng)度以不大于500 mm為宜。

在TN系統(tǒng)中,PE線須和相線緊貼走線,即采用包含PE線的多芯電纜或電線穿管供電,以降低接地故障的故障回路阻抗,用于防人身電擊。銅網(wǎng)格和銅帶接地線用于實(shí)現(xiàn)高頻低阻抗的信號(hào)接地,雖然最后都接向同一PE母排,但兩者各有用途,不可或缺。

在M式接地方式中,如果將ITE的電源線路以及PE線與其他線路分隔開(kāi),并將銅質(zhì)網(wǎng)格與地絕緣,則抗干擾效果更好。這時(shí)在配電箱內(nèi)為ITE另設(shè)一個(gè)隔離的PE母排,即ITE的PE線需和電源插座的金屬接線盒,穿線鋼管以及其他回路的PE線絕緣,直到與總等電位聯(lián)結(jié)的接地母排聯(lián)結(jié)為止。

M式接地具有眾多的聯(lián)結(jié)點(diǎn)和并聯(lián)分流通路,其高頻阻抗可以有效降低,對(duì)于只有一般抗干擾水平的ITE,可以消除大部分的干擾。同時(shí)適用于各種工藝未知的ITE,但施工復(fù)雜,初期投資較高。

7 結(jié) 語(yǔ)

正確的接地不僅可以保護(hù)人員的安全,還可以減少信息系統(tǒng)電氣裝置內(nèi)各ITE間地電位的高頻電位差,保障ITE的正常工作。為保證人身安全,ITE金屬外殼需接PE線做接地。為保障ITE正常工作,需設(shè)置信息技術(shù)系統(tǒng)的高頻信號(hào)接地,這兩個(gè)接地必須共用一個(gè)接地裝置。

設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量采用放射式供電。在ITE前,配置1∶1的雙繞組變壓器,可以有效杜絕形成過(guò)大的PE線電流,減少對(duì)其他ITE產(chǎn)生干擾,最大限度地縮短局部TN-S系統(tǒng)內(nèi)PE線的長(zhǎng)度,減少其中斷的可能性,有效降低共模電壓干擾。