维普资讯 http://www.cqvip.com 供电线路中零地电压的 形成 危害与控制 中国人民银行清算总中心王力坚 随着我国经济社会的迅速发展，电能已成为是国 接地作为交流参考点，由零线和相线Ｌ一起作为设备的 供电电源。由于ＴＮ—Ｓ系统是把工作零线Ｎ和地线ＰＥ 严格分开的供电系统，用户端零地线不允许再次短接。 由于供电线路很长，Ｎ线和ＰＥ线上的电流不相等，在用 户端，零地之间是肯定存在零地电压的，只要零地电压 控制在一定水平之内，就可以接受。 民经济建设及现代化生活的最重要能源之一。目前，各 个行业都高度依赖电能，对供电的质量要求越来越高。 除传统的供电可靠性、电压质量与频率质量外，对零地 电压也提出了要求。 零地电压问题在计算机机房设计国标中没有做硬 性规定，但在现实工作中会经常遇到。有效控制零地电 压，对保证供电的可靠性，保障用电设备的安全运行具 有重要意义。 但在某些情况下，异常情况导致零地电压偏大。例 如：三相电源配电时负载不平衡；接地电阻不符合规范 要求；Ｎ线、ＰＥ线的线径不够或断路；高频谐波引起电 位升高；电磁场干扰；使用ＵＰＳ、电子稳压器等电子供电 一、零地电压的形成 设备；使用的插线板不符合电器标准等。 以前造成零地电压偏高的主要原因是前３项。近些 我国发电厂的发电机组输出的额定电压为３．１５ ｋＶ～２０ｋＶ。为了减少线路能耗，经发电厂中的升压变电 年来，随着节能灯等气体放电类光源的普遍使用，变频 技术、大容量可控硅整流装置的广泛应用，从而产生高 所升压至３５ ｋＶ～５００ｋＶ，再由高压输电线传送到受电区 域变电所，降压至６ ｋＶ～１０ｋＶ，经高压配电线送到用户 配电变电所，降压至３８０Ｖ低压，供用电设备使用。以机 房最常用的ＴＮ—Ｓ接地系统为例，在变电站（或供电点） 变压器次级绕组的中性点一般和大地相连，然后由此中 次谐波电流并注入到供电系统中，在系统的阻抗上产生 出相应频率的高次谐波电压，使系统的电压波形发生畸 变。高次谐波不仅增加系统损耗，同时由于附加在正常 供电电流中，加大了电流流量，破坏了三相负荷的平衡， 使中性点产生偏移，产生零序电流，使零线电流有可能 增加到接近相线电流值。在采用三相五线制的供配电系 中国金融电．脑９＇００７年第８期・７７ 性点引出两条线，即一条零线Ｎ和一条地线ＰＥ，在此将 维普资讯 http://www.cqvip.com 统中，必将产生很高的零地线电压。因使用ＵＰＳ、电子稳 压器等供电设备或插线板不符合电器标准等引起的零 地电压问题日渐突出。 工频电压。 以使用ＵＰＳ为例，ＵＰＳ是由整流电路，开关电源等 组成，为了抑制差模和共模干扰，对零线和项线都作了 电器隔离。由于电子电路的特征和电感和电容的存在， 会造成输出零线与输入零线之间存在电压差，因而造成 图１和图２是一个典型的高次谐波产生的零地电 压波形和零地电压谐波分析。它的高次谐波电压已大于 ８∞２∞ 名称＝电压 日期＝２００６—９－１０ 时间＝１９：２９：叭 Ｙ比例－４ＶｆＤｉ Ｙ于５Ｏ％－－Ｏ００Ｖ 当前 ２００｝ １０ １ ２ ０１ １ ＭＡ，Ｄｉｖ ｎ∞ＭＡ ８ ｍｓ，Ｄｉｖ １＆０ ｍｓ ・４．∞１∞ ｘ比例＝８ｍａ／Ｄｉ Ｘ于０％一１６．０ｍ ｘ大小＝２５０（２５４、 最大值＝１ ４０Ｖ 最－＇ｂ值一１．６３Ｖ ２弱１２５４１ ｎ∞ＭＡ －０∞ＨＡ ０ ００Ｖ ０ ００ＨＡ ：．● ． 。。。‘ｆｆ。 Ｉ ． ． ． ．．． ： ．， Ｊ ＾ Ｉｔ ． ． ｌ 。 ／ 『－ｒ～． ７＿ｒ］ ’ ｒ●●ｒ一’ Ⅳ～ Ｘ１： Ｘ２：ｄ×：ｙ１： ｙ２： ｄＹ：３．８Ｉ僻 ４３８Ｉ僻 ４００Ｉ僻 －０１２ ａ２８Ｖ －０．１２ ａ２８Ｖ ０ ００ ｎ００Ｖ ４∞．１∞ －８∞－２∞ ６０Ｉ僻 ８毫秒，数字输入组电压（ｍｓ，Ｄｉｖ） 图１零地电压波形 １００ ９０ ∞ 名称＝伏特ｆｖｏｌｔｓ） 日期＝２００６—９—１０ 时间＝１９：３２：０２ 基波＝５０．０Ｈｚ 有效值＝５８４ｍＶ 电压基波总频率＝８： ×１：５９９４Ｉ－Ｉｚ ×２：１８柏２Ｉ－Ｉｚ ｄ×１２柏８Ｈｚ Ｙ１ ０ ２名 ７０ ∞ Ｙ２： ５０ ２２ ｄＹ： ２０ Ｐｈ１ １７ ｉ Ｐｈ２：１１９ ｉ ４０ ３０ ２０ １０ ０ —ｌ Ｊ．． ．．．一＿．．＿…～．一． 一 频率（Ｈｚ） ＼ ，一 图２零地电压谐波分析 ７８・中国金融电脑２００７年第８期 维普资讯 http://www.cqvip.com 了输出零线与地线之间的电压差。 二、零地电压的危害 零地电压对负载的影响，主要表现在三个方面：引 起硬件故障、烧毁设备；引发控制信号的误动作；影响通 信质量，延误或阻止通信的正常进行。 以某基站开关电源模块多次烧毁的故障为例，做 如下分析。 根据用户手册，开关电源整流模块交流输入电路 第一部分即为ＥＭＩ电路，该电路结构形式如图３所示。 Ｌ１ Ｌ 输入 源 Ｎ 图３开关电源ＥＭＩ电路 该电路起到两方面的作用：避免电网中含有的共 模和差模噪声对开关电源产生干扰；减少开关电源整流 电路对外界电网的电磁干扰。其中共模干扰的抑制是通 过相线、零线与地（机壳）之间并联电容实现。由此可知， 过高的相线、零线对地电压和零线高次谐波对电容影响 较大，达到一定程度后即可造成电容击穿、烧毁的严重 后果。 某月某日Ａ、Ｃ相整流模块烧毁后，在对开关电源 检查过程中，发现烧毁的两模块的安装槽道与机架固定 螺丝处有烧熔现象。由于整流模块是通过槽道与机壳实 现电气接地的，而固定螺丝处为整流模块对地回路接触 电阻最大处。由此可以推断，整流模块起火原因有两种 可能：一种即为单相电压过高或零地电压过高引起模块 内部ＳＰＤ发热烧毁；第二种原因即为由于电网过压和 高次谐波，使得模块ＥＭＩ电路共模抑制回路过载而引 发。 由上面的实例可以看出，零地电压过高可以引起 硬件损坏。在１９９５年中国人民银行卫星网的建设过程 中，清算总中心也有过因零地电压过高，频繁烧毁卫 星室外单元和室内单元电源模块的事例。对此总中心 曾专门举行了多次技术讨论会并下发文件，要求此后 再建的卫星小站零地电压不能超过２Ｖ，超过２Ｖ将视 为不具备建站条件；已建卫星小站，要采取必要技术 措施将零地电压控制在２Ｖ以下。采取上述措施后， 未再发生类似事故。 零地电压过大的危害，除了引起电子设备硬件直接 损坏外，还引发控制信号的误动作，造成设备的误启动 和误关机。例如电源系统与信息系统共用同一接地干 线，系统的屏蔽层、信号的参考点与ＰＥ线等电位，如ＰＥ 线对Ｎ线有很高的压差，当ＰＥ线为高电位，Ｎ线为低 电位，则信号有可能被湮没和干扰，反之则信号有可能 误发生。 零地电压对通信系统的影响，除了卫星系统外，其 他的远程数据通信设备（如ＤＴＵ、ＲＡＳ、ＦＲＡＭＥ适配器、 ｘ．２５适配器、ＬＯＯＰ等）对零地电压要求十分严格，不同 设备要求零地电压不同，原则上越小越好。因为零地电 压过高，可能造成误码率上升、丢包率增加，使得通信缓 慢、传输速率下降，影响通信质量，延误或阻止通信的正 常进行。 对于计算机设备而言，在零地电压过高会导致服务 器速度下降、网络交换速度降低、服务器无故关机，甚至 造成硬件损坏。在某机房的磁盘阵列柜，硬盘连续损坏 了两个，一个星期坏一个，经专家分析是由于一些环境 因素如温度、湿度、电压（零地电压的影响最大）造成这 种情况的发生。有的服务器在零地电压高于某一值（比 如２Ｖ）时就无法启动。因此用户安装的某些负载（如ＨＰ 小型机、ＩＢＭ服务器等），厂家的安装硬件工程师在现场 就会对安装环境的零地电压进行测量，一般情况下要求 小于２Ｖ。大于此数值则不予加电开机。要避免硬件故障 发生频率，服务器管理人员必须注意服务器的使用环境 完全正常。比较重要的服务器除必须在恒温、恒湿的环 境，电源环境也要符合标准。不仅要采用ＵＰＳ，还必须接 良好的地线，零地电压低于２Ｖ。在机器的使用过程中， 如遇到设备损坏，到场的厂家维修工程师一般也要首先 测量场地环境，如使用环境的零地电压超出范围，要求 免费维修有时会遇到很多麻烦。 中国金融电脑２００７年第８期・７９ 维普资讯 http://www.cqvip.com 三、零地电压的控制 因为零地电压是影响机器运行可靠性的重要因 素，零地电压太大会造成机器故障或损害，所以必须加 以控制。零地电压的形成原因很复杂，因此控制要有针 对性。具体到零地电压对负载的影响，则应当具体问题 具体讨论，主要考虑的问题和解决的途径有以下几种。 （１）负载平衡问题，三项用电不平衡，零线Ｎ上的 电流就会加大，零线Ｎ两端的电压差就会直接造成零 地电压。对由上述原因产生中性点偏移而引起零地电压 过高的防治措施，除了从设备维护管理着手，在可能的 条件下要尽量配平三相负载，并定期根据负载的使用变 化进行必要的调整外。还可以通过增加零线截面积，减 少零线的线路电压损失，从而在一定程度上降低零地线 电压，减小中性点偏移。ＧＢ５００５４—９５《低压配电设计规 范》第２．２．６条，“在三相四线制配电系统中，中性线的允 许截流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计 入谐波电流影响”；第２．２．７条，“以气体放电灯为主要负 何的回路中，中性线截面不应小于相线截面”等相关规 定都应得到严格执行。 （２）建立良好的接地系统，尽量降低接地电阻。接 地电阻一高，很小的电流就会产生零地电压，所以一定 要降低。接地系统中，特别要注意的是地线截面积问题， 因为电阻的大小与长度成正比，与截面积成反比。 （３）尽量选用谐波干扰符合国家规定的绿色用电 设备，对照明器具如电子镇流器、节能灯等气体放电灯 及大功率可控硅整流变频设备等高次谐波的产生源，严 格进行相关的技术测试，减少高次谐波的产生源及危害 性。必要时还可安装相应抑制高次谐波的设备，以从根 本上净化电网。同时还必须加强定时、定期和有针对性 的设备维护保养，才能确保设备正常运行，降低高次谐 波。 （４）选用有零地电压控制能力或零地电压升小的 ＵＰＳ。在机房中，大量负载为服务器、交换机等类型的负 载，这些负载本身因为电路原因产生大量谐波，谐波导 致电缆发热，还会导致输入电源的零地电压大于超过服 务器所要求的小于２ｖ的指标，在选购ＵＰＳ时需要考虑 零地电压控制问题。有些类型的ＵＰＳ经过特殊的设计 ８０・中国金融电脑２００７年第８期 可以使输出的零地电压小于１ｖ，也有些类型的ＵＰＳ零 地电压压升很小，从而避免了上述问题的发生。 （５）供配电的二次装修的电气施工的监管要严格。 由于二次装修的工程量大小不一，施工单位素质参差不 齐，如果管理不好会影响施工质量和供电系统安全。 插座接线应符合下列规定： ①单相两孑Ｌ插座，面对插座的右孔或上孔与相线连 接，左孔或下孔与零线连接；单相三孔插座，面对插座的 右孔与相线连接，左孔与零线连接。 ②单相三孑Ｌ、三相四孔及三相五孔插座的接地（ＰＥ） 或接零（ＰＥＮ）线接在上孔；插座的接地端子不与零线端 子连接；同一场所的三相插座，接线的相序一致。 ③接地或接零线在插座间不串联连接。 （６）加装隔离变压器也是降低零地电压的有效措 施。在零地电压过高，一般手段无法控制零地电压的情 况下，为保证负载可以正常上电开机，通常的做法是采 用加装隔离变压器的办法，来隔离输入和输出之间的电 气连接，在变压器副边零地短接，从而达到降低零地电 压的目的。此方法只适用于无内置隔离变压器的ＵＰＳ， 一般采用在其输出端加装输出隔离变压器的方式。该连 接方式构成的ＵＰＳ供电系统一般不会对电网和负载造 成负面影响。 但应注意采用这种方法后，原来ＴＮ—Ｓ的配电系 统，就变成实际的ＴＮ—Ｃ系统，ＴＮ—Ｓ系统的优点将不再 存在。加装隔离变压器后严禁把负载零线Ｎ连接到电 网零线Ｎ，由于接地的不可靠可能会造成设备损坏甚至 人身伤害，所以一定要保证接地系统满足机房的接地规 范要求并保证使用中的可靠性。帕圆 栏目编辑：王晓军 Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｘｉａｏｊｕｎ＠ｆｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ