張建洲，夏華，郭天鴻

(1. 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；3. 國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司，河北 雄安 071600)

在電源領(lǐng)域，高壓直流供電技術(shù)逐漸被廣泛使用，該技術(shù)利用高壓直流為相應(yīng)的設(shè)備供電：在電力系統(tǒng)中為斷路器分合閘及二次回路中的繼電保護、微機保護等自動化設(shè)備供電，為室內(nèi)電信設(shè)備、計算機設(shè)備、主控設(shè)備等提供直流電[1]。目前，在通信信息領(lǐng)域中，5G技術(shù)大規(guī)模商用帶來數(shù)據(jù)量的迸發(fā)式增長，使得用戶對通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量以及速率的要求越來越高。為了實現(xiàn)高速、大規(guī)模的寬帶服務(wù)，通信企業(yè)安裝了大量高性能信息通信技術(shù)(information and communication technology，ICT)設(shè)備，這些設(shè)備的集成度越來越高，功耗越來越大，為此類大功率信息通信技術(shù)設(shè)備供電變得越來越困難[2]。為了解決這一問題，傳統(tǒng)供電方式采用-48 V低壓直流供電系統(tǒng)[3]，可以安全可靠地為大功率ICT設(shè)備持續(xù)提供電力[4]；但是，-48 V開關(guān)電源電壓較低，電流容量大，電纜線路長，對設(shè)備供電造成的損耗較大，成本較高[5-6]。而采用380 V直流供電系統(tǒng)供電可以有效解決上述問題。

與傳統(tǒng)-48 V低壓供電電源相比，380 V直流供電系統(tǒng)的設(shè)備集成度更高，單套高壓直流系統(tǒng)帶載等同約3套-48 V直流系統(tǒng)，相同的系統(tǒng)容量下，380 V直流系統(tǒng)可節(jié)省投資50%，并且其線徑較小，在運行時線損更低。隨著高壓直流供電系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，今后380 V直流設(shè)備將逐步代替-48 V通信電源設(shè)備[7]。本文分析的高壓直流系統(tǒng)采用380 V直流額定電壓，配置簡單，能夠有效為ICT設(shè)備提供電力。

電能傳輸效率更重要的作用是保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[8]。對于安全，本文特指發(fā)生意外接觸短路時的人身安全，映射到系統(tǒng)中對應(yīng)的是接地故障電流，它是由接地電阻決定的，而人體本身電阻較小，因此需要增加保護裝置來確保人身安全。供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與噪聲以及系統(tǒng)的發(fā)射、瞬態(tài)變化和振蕩有關(guān)[9]，此外，電路系統(tǒng)噪聲的排放與接地系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系[10]。因此，接地系統(tǒng)對保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重要作用，但目前關(guān)于接地系統(tǒng)對直流輸電系統(tǒng)噪聲傳導影響的研究較少。對此，本文同時考慮接地系統(tǒng)的安全以及接地噪聲的影響，提出改進的380 V直流供電系統(tǒng)。

本文通過分析高壓輸電系統(tǒng)接地系統(tǒng)的安全特性，加入高阻抗接地電阻，確保短路接地電流在一定范圍內(nèi)，增強了其安全性。并且在系統(tǒng)中增加合適的電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)濾波電路[11-12]，測量噪聲對加入EMI濾波前后2種接地系統(tǒng)的影響，分析在一定頻率范圍內(nèi)不同接地系統(tǒng)的傳導噪聲干擾。

1 2種典型接地系統(tǒng)配置

1.1 接地系統(tǒng)配置

本文首先定義380 V直流電源供電系統(tǒng)，如圖1所示，其中PFC為功率因數(shù)校正器，3Φ為三相電源。該系統(tǒng)基本設(shè)備包括整流器、DC/DC變流器、蓄電池、配電柜、電源線、ICT設(shè)備等[13]。整流器將經(jīng)過變壓器的三相220 V交流電源轉(zhuǎn)換為380 V直流電源，同時為蓄電池充電。為了避免人員接觸，保障人員安全，供電線路中所有設(shè)備都與地板絕緣，包括將供電變壓器和儲能電池放置在設(shè)備下方的地板中，與其他設(shè)備物理隔離。電源線連接整流器的正負輸出端口通過配電柜(power distribution cabinet，PDC)給ICT設(shè)備供電。

圖1 380 V直流供電系統(tǒng)Fig.1 380 V DC power supply system

接地系統(tǒng)的典型組件有垂直接地立管、連接處A和連接處B。電信大樓的鋼結(jié)構(gòu)連接了垂直接地立管，用來均衡接地電壓。接口A為地面與建筑物底部垂直接地立管之間的接地集成終端，集成大樓的所有接地系統(tǒng)；接口B連接各樓層垂直接地立管和綜合接地的端子，同一層樓所有設(shè)備的接地線都連接到這個終端。

圖2(a)所示為電信通信建筑常用接地系統(tǒng)；圖2(b)則是對該系統(tǒng)的改進，在系統(tǒng)中加入正負接地阻抗，此時負線對地有電壓，為了保證接地故障安全，需要在負線段增加1個熔斷器。

由圖2可知：對于I型接地結(jié)構(gòu)，接地線直接連接到整流器輸出端口的負線上，因此，負線對地電壓總是為0，當人體誤觸到負線時，相對安全。對于Ⅱ型接地結(jié)構(gòu)，正負線通過高阻R+、R-接至接地線，二者為相同值，以確保電壓平衡；因此，380 V的直流供電系統(tǒng)的正線電壓為+190 V，負線電壓為-190 V。

圖2 2種接地系統(tǒng)配置Fig.2 Configuration of two grounding systems

1.2 安全性分析

當380 V直流供電系統(tǒng)發(fā)生漏電等接地故障時，故障電流通過人體的路徑如圖3所示。

圖3 接地故障電流路徑Fig.3 Ground fault current path

為了保證高壓直流供電系統(tǒng)的安全性，必須考慮發(fā)生人體接觸故障時系統(tǒng)的電流大小。一般人體電阻為1～2 kΩ，本文假設(shè)為1 kΩ，因此，對于I型接地系統(tǒng)，當發(fā)生誤觸接地故障時，通過人體的接觸電流約為380 mA。根據(jù)IEC標準，人體接觸電流超過20 mA有危險[14]，此時無法保證人身安全。而對于Ⅱ型接地系統(tǒng)，可以通過增加接地電阻值來控制流過人體的電流大小。Ⅱ型接地時，如果接地點設(shè)置了20～40 kΩ的電阻，則能夠使流過人體的電流減小到20 mA以下。由此可知，Ⅱ型系統(tǒng)比I型系統(tǒng)更加安全。

2種系統(tǒng)的另一個區(qū)別是短路故障的斷路方法以及接地故障產(chǎn)生的影響。對于Ⅰ型接地系統(tǒng)，在沒有人的情況下，發(fā)生的短路電流和接地故障電流基本相同，當保險絲熔斷時，短路電流大小約為1～10 kA(取決于熔斷器的特性和供電系統(tǒng)的阻抗)[15]。這個電流值表明熔斷器可以用于斷路系統(tǒng)，但必須考慮接地故障點大電流造成的影響[16]。如前所述，Ⅱ型接地故障電流非常小。因此,盡管接地故障電流檢測系統(tǒng)是必要的，Ⅱ型接地故障電流大的風險比Ⅰ型接地故障電流小得多，一般不會對系統(tǒng)造成嚴重的電流沖擊。但發(fā)生短路故障時，其電流將遠大于接地故障電流，因此需要額外進行短路保護。

2 噪聲傳導實驗

本章進一步考慮供電系統(tǒng)的傳導噪聲問題，對2種接地系統(tǒng)進行改進，加入合適的EMI濾波裝置，以減少傳導噪聲的影響[17]。對比分析2種不同接地方式加入濾波器后其噪聲傳導影響效果，系統(tǒng)配置如圖4所示。為了更好地分析對比2種接地系統(tǒng)噪聲排放水平的差異，首先測量整流器通過電源電纜、接地系統(tǒng)傳輸?shù)脑肼暸欧潘?如圖3的連接方式)，接著對2種系統(tǒng)增加EMI濾波器后(如圖4連接方式)再次進行測量，對比前后噪聲排放水平。

圖4 2種接地系統(tǒng)的配置(含EMI濾波)Fig.4 Configuration of two grounding systems (with EMI filtering)

噪聲排放測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該測量系統(tǒng)來自于國際微擾無線電技術(shù)委員會(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)第22號《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法》和16號《無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和方法規(guī)范》。在這個系統(tǒng)中，被測試設(shè)備是一個100 kW的實驗高壓直流整流器，在距高壓直流整流器0.8 m處，連接頻譜分析儀的人工干線網(wǎng)絡(luò)(artificial mains network，AMN)，位于地面參考平面，整流器

圖5 噪聲排放水平測量系統(tǒng)配置Fig.5 Configuration of noise emission level measurement system

的電源線通過AMN連接到純電阻負載上。連接到AMN上的頻譜分析儀測量非對稱信號電壓，即接地線與負線之間、接地線與+380 V線之間的電壓信號。根據(jù)常見電源噪聲影響范圍，將測量頻率設(shè)置為0.01～30 MHz，檢測噪聲峰值。CISPR技術(shù)標準所定義的能夠接受的值可以為準峰值或平均值，本文僅測量峰值以減少實驗時間。對于超過CISPR限值的測量結(jié)果，采用準峰值檢測重新測量。

2.1 噪聲傳導干擾實驗及仿真

首先對原先2種接地系統(tǒng)模型進行測量，如圖6所示。其中圖6(a)、(b)分別顯示了I型和Ⅱ型接地系統(tǒng)在沒有增加EMI濾波器情況(圖3連接方式)下傳導干擾電壓的測量結(jié)果，圖6(c)為I型和Ⅱ型系統(tǒng)傳導干擾電壓差的數(shù)據(jù)。

圖6 實驗整流器傳導干擾電壓測量結(jié)果(無EMI濾波器)Fig.6 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (without EMI filter)

由圖6(a)、(b)可以看出，噪聲傳導影響對正線(380 V)和負線(0 V)電壓擾動的影響幾乎相同。因此，在這2種系統(tǒng)中，共模干擾噪聲的影響占主導地位[18]。另外，未加濾波器時，在超過0.10 MHz頻率時，2個系統(tǒng)模型的測量結(jié)果都顯示出幾個尖峰，這些噪聲峰值是由AC/DC變換器的開關(guān)噪聲引起的。第1個峰值在133 kHz，為轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，在這個頻率上，出現(xiàn)了更高模式的開關(guān)噪聲[19]。干擾電壓最大值出現(xiàn)在266 kHz，是開關(guān)噪聲的第2種模式。比較在0.10 MHz以上頻率的傳導噪聲影響，I類接地系統(tǒng)與II類接地系統(tǒng)沒有明顯差異。同時，在100 kHz以下的頻率條件下，2個接地系統(tǒng)之間的傳導噪聲干擾電壓略有不同。由圖6(c)可以看出，當頻率在70 kHz以下時，2種系統(tǒng)傳導干擾電壓差的范圍約為10 dB。

圖7 共模傳導干擾等效電路模型及仿真結(jié)果Fig.7 Equivalent circuit model of common mode conducted interference and simulation results

由圖7(a)可以看出，從干擾電流的傳播線路來看，I型接地模型噪聲源經(jīng)過電流回路(a→b→c→d→e)，同時向右側(cè)傳播到AMN；對于接地模型II﹝圖7(b)﹞，干擾電流(a→b→c→d→e→f)需要經(jīng)過較長的線路，通過接地電阻R-(40 kΩ)阻擋，再傳播到AMN；因此，傳播到ICT設(shè)備的傳導干擾電流在低頻時低于I型系統(tǒng)，對設(shè)備造成的影響也較小。

根據(jù)電路對2種模型進行仿真實驗，測量380 V正線電壓干擾情況﹝如圖7(c)所示﹞。在100 kMz頻率以上，2種類型傳導噪聲測量結(jié)果沒有明顯差異，但在0.01～100 kHz之間，接入接地電阻的電路產(chǎn)生的噪聲相對更小。因此，加入接地電阻不僅可以增加安全性能，而且能夠在一定頻率范圍內(nèi)減小傳導噪聲的影響，該結(jié)論與測量結(jié)果一致。

2.2 含EMI濾波電路噪聲傳導干擾實驗

對圖7中的2種380 V直流供電系統(tǒng)增加EMI濾波電路，進一步對比分析傳導噪聲干擾的影響，圖8所示為加入典型LCL濾波器的共模傳導干擾等效電路模型[20]。通常用插入損耗PIL來衡量EMI濾波器對傳導噪聲的抑制作用[21]，通過二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法對含EMI濾波器的電路進行分析[22]。

圖8 共模傳導干擾等效電路模型(含EMI濾波)Fig.8 Equivalent circuit model of common mode conducted interference (with EMI filtering)

二端口傳輸方程為

(1)

將式(1)化成矩陣形式為

(2)

式中Z為阻抗參數(shù)矩陣。

EMI濾波電路圖如圖9所示，其中C為濾波電容，L1、L2為濾波電路兩側(cè)濾波電感。

圖9 EMI濾波電路模型Fig.9 EMI filter circuit model

根據(jù)圖9對式(1)與式(2)計算并化簡得到EMI濾波器的等效電路參數(shù)矩陣

(3)

式中ω為傳導噪聲頻率。

為方便分析與計算，對加入EMI濾波器的干擾傳導電路模型進行簡化，得到等效模型如圖10所示。

圖10 加入EMI濾波器的等效模型Fig.10 Equivalent model with EMI filter

其中插入的損耗

(4)

由式(1)和(4)可以推導出插入損耗與源阻抗Zs、負載阻抗ZL及Z參數(shù)矩陣各個元素之間關(guān)系式為

PIL=20lg|(z11ZL+z12+z21ZsZL+

z22Zs)/ (Zs+ZL)|.

(5)

根據(jù)式(3)和(5)得

PIL=20lg|[(1-ω2L1C)ZL+jω(L1+L2)-

jω3L1L2C+jωCZsZL+

(1-ω2L2C)Zs]/(Zs+ZL)|.

(6)

在允許的條件下，電路插入損耗越小越好，為保證濾波效果，一般用于濾波器時，共模電容必須小于0.01 μF，可取范圍為2 200～4 700 pF，本文中的共模電容C選用2 000 pF，其共模電感取值范圍為20～30 mH，取L1=L2=20 mH。將相關(guān)參數(shù)代入上述公式，計算圖8中的插入損耗。當傳導噪聲頻率ω=20 kHz時，PIL分別為72.6 dBμV(I型)、61.4 dBμV(Ⅱ型)；ω=30 kHz時，PIL分別為80.2 dBμV(I型)、69.3 dBμV(Ⅱ型)；ω=1 MHz時，PIL分別為53.8 dBμV(I型)、54.2 dBμV(Ⅱ型)。由計算結(jié)果分析可知，在較低頻率段時，Ⅱ型插入損耗較小，其濾波效果較好；在高頻時，二者的濾波效果相差不大。

為了進一步驗證計算結(jié)果，對2種帶有濾波器的系統(tǒng)進行測量，結(jié)果如圖11所示。

圖11 實驗整流器傳導干擾電壓測量結(jié)果(含EMI濾波器)Fig.11 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (with EMI filter)

測量得出2種類型的接地系統(tǒng)在加入EMI濾波器后，導電干擾的噪聲影響明顯減少，說明加入的濾波器起到了一定的濾波效果。在低于100 kHz范圍內(nèi)，Ⅱ型系統(tǒng)的傳導噪聲抑制明顯優(yōu)于I型，在高頻范圍內(nèi)，抑制效果相差不大。該結(jié)果與上述計算插入損耗分析結(jié)果相吻合。

同時，雖然在2.36 MHz和5.13 MHz的峰值檢測中測量到了79 dBμV以上的傳導干擾電壓，但準峰值低于79 dBμV。如圖11所示，0.15～30.00 MHz頻段的傳導干擾電壓被抑制到79 dBμV以下(CISPR-A類)。雖然在0.02～0.03 MHz頻段測量到超過79 dBμV的導電干擾電壓，但是在低于0.15 MHz的頻帶范圍內(nèi)不受CISPR技術(shù)標準的限制。因此，本實驗的測量結(jié)果可為進一步研究0.15 MHz以下頻段穩(wěn)定運行的可接受干擾電壓水平提供一定參考。

3 結(jié)束語

本文從380 V直流供電系統(tǒng)的接地故障對人體安全的影響以及傳導噪聲電壓干擾排放的角度，對不同接地配置的380 V直流供電系統(tǒng)進行分析研究。零線直接接地的I型系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于通信建筑物的-48 V直流供電系統(tǒng)中，但對于380 V直流供電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)無法保障供電過程中的安全。對于加入接地電阻的Ⅱ型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與浮動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，接地線通過正負2個高電阻(20～40 kΩ)連接。I型系統(tǒng)雖然配置簡單，但接地故障電流為1～10 kA，人體觸電流高于100 mA?？梢酝ㄟ^改變電阻值來控制Ⅱ型接地故障電流，降低到20 mA以下，能夠有效保障人員生命安全。因此，Ⅱ型接地結(jié)構(gòu)用于380 V直流供電接地系統(tǒng)將更加安全。

利用頻譜分析儀對系統(tǒng)噪聲排放進行測試對比分析。在0.1～30 MHz之間，I型接地系統(tǒng)與Ⅱ型接地系統(tǒng)之間沒有明顯差異；在0.1 MHz以下，Ⅱ型系統(tǒng)有略微優(yōu)勢；仿真結(jié)果進一步驗證了測量結(jié)果的正確性。在加入EMI濾波器的I型和Ⅱ型系統(tǒng)中，2種接地方式干擾噪聲都有明顯下降，并且在一定的頻率范圍類，傳導干擾電壓被抑制在79 dBμV以下。因此，通過對比，對含接地電阻的系統(tǒng)同時加入EMI濾波，有效提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。