微機(jī)群用戶供電零線的安全選擇及分析

劉文青+劉泉海+祁廣科+董家輝+耿凡娜

摘要：傳統(tǒng)的微機(jī)房，習(xí)慣將零線截面選為相線截面的0.5至1倍（模糊選擇）；現(xiàn)在的微機(jī)房常用的供電方式為不間斷電源（UPS）供電，負(fù)載以容性負(fù)載為主，常常將三相輸入的零線線徑選擇為相線線徑的1.5倍（經(jīng)驗選擇）。本文基于這兩種零線線徑選擇的現(xiàn)狀和問題，依據(jù)數(shù)理測量和分析提出了零線截面積要加大到相線的三倍以上，才能確保安全可靠。

關(guān)鍵詞：微機(jī)群；供電零線；選擇；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：G710 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）39-0126-02

一、零線和中性線的區(qū)別

發(fā)電機(jī)、變壓器和電動機(jī)的三相繞組星形聯(lián)接的公共點稱為中性點，如果中性點是接地的，則該點又稱為零點。從中性點引出的導(dǎo)線，稱作中性線；而從零點引出的導(dǎo)線就稱為零線。目前，國內(nèi)機(jī)房一般常采用50Hz交流電，380/220V三相四線制供電，有TN-C或TN-S兩種中性點運(yùn)行方式，都是中性點接地的運(yùn)行方式，在TN-C運(yùn)行方式中，保護(hù)中性線就是零線；在TN-S運(yùn)行方式中，中性線是零線，保護(hù)線是獨立的。

二、傳統(tǒng)微機(jī)房零線的選擇

目前，給國內(nèi)機(jī)房供電的有兩種中性點運(yùn)行方式，即零線和保護(hù)線共用（TN-C）或分開（TN-S）設(shè)置。傳統(tǒng)的微機(jī)房沒用UPS電源供電，三相負(fù)荷均衡分配，但由于機(jī)房的負(fù)荷構(gòu)成中，單相負(fù)載比重很大，且用電時間上也有差異，各相負(fù)荷經(jīng)常處于不平衡狀態(tài)，加之計算機(jī)開關(guān)電源的影響，零線上經(jīng)常會有電流通過，如果零線選擇不當(dāng)，就容易發(fā)生零線發(fā)熱，造成不安全隱患。一般三相四線制線路，零線截面的選擇是依據(jù)相線截面而選擇的。相線截面的選擇首先要滿足發(fā)熱條件：相線截面積的導(dǎo)線允許截流量Ia不小于通過相線的計算電流Ica，即Ia≥Ica，還應(yīng)校驗導(dǎo)體與其保護(hù)裝置是否配合得當(dāng)，不應(yīng)發(fā)生導(dǎo)體發(fā)熱熔斷而保護(hù)裝置不動作的情況。然后校驗電壓損耗及最小機(jī)械強(qiáng)度。依據(jù)經(jīng)驗，一般三相四線制線路，零線截面選為相線截面的0.5至1倍。

三、微機(jī)群UPS供電零線的選擇

隨著計算機(jī)天關(guān)電源技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在，微機(jī)群常用的供電方式為不間斷電源（UPS）供電。不間斷電源采用了脈寬調(diào)頻技術(shù)、使用了較成熟的高效功率器件，加之微處理器的迅猛發(fā)展，已經(jīng)成為計算機(jī)房供電的主要手段。不間斷電源的不間斷性是它的最大特點，而且能最大限度地提供穩(wěn)定電壓，隔離外電網(wǎng)的干擾。外電網(wǎng)一旦停電，UPS能在極短的時間內(nèi)自動從備用能源經(jīng)逆變器變換成與原供電電源（電壓、頻率和相位）相同的電能繼續(xù)向計算機(jī)供電?；蛘吣孀兤髡r，由逆變器供電；故障時，由靜態(tài)電子開關(guān)自動將計算機(jī)瞬時切換到外電網(wǎng)供電或切換到另一臺與之并聯(lián)的UPS上，實現(xiàn)不間斷供電。我們知道，容性負(fù)載具有非線性特性。而計算機(jī)機(jī)房的計算機(jī)、服務(wù)器等都屬于容性負(fù)載，因為容性負(fù)載的非線性特性和因此而帶來的諧波等干擾，加之三相負(fù)載不平衡的影響等，使計算機(jī)房的零線電流常常超過相線的電流值，甚至出現(xiàn)零線電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相線電流的情況。因而，現(xiàn)在大多數(shù)UPS三相輸入的零線線徑的選擇放大到相線線徑的1.5倍。

四、選擇的矛盾

供電零線的選擇看似簡單，但為了選擇安全而又經(jīng)濟(jì)的電纜截面，則需要綜合考慮多方面的因素。因為選擇了過大的線徑會增加建設(shè)成本，選擇過小的線徑會增加運(yùn)行成本并可能導(dǎo)致嚴(yán)重的安全風(fēng)險。目前通信領(lǐng)域及微機(jī)群多數(shù)供電電纜配置偏于安全，在銅材日益昂貴、電纜費用占比越來越高的今天，有必要選擇經(jīng)濟(jì)的電纜。對于正在運(yùn)行中的系統(tǒng)，很有必要實施機(jī)房評估與整改，以確保供電安全、經(jīng)濟(jì)。

五、數(shù)據(jù)測量與分析

1.數(shù)據(jù)測量。為了能直觀地監(jiān)測到計算機(jī)房零線電流的變化狀況，課題組成員到計算機(jī)房，選取了15臺微機(jī)，每相接5臺，來測試計算機(jī)房用電情況，將零線穿過電流變送器3匝，要求每相電流均達(dá)到5.4A，用示波器測得一相加載到三相都加載時的零線電流波形。通過比對得知，三相都加載時，零線電流是單相電流波形的簡單疊加，有效值為三相電流有效值之和，振幅與電流最大的一相相等。如果三相負(fù)載完全相同，零線與相線的材質(zhì)和截面積也一樣，那么，零線的電壓降、發(fā)熱量及損耗都為單根相線的3倍。

2.數(shù)理分析。通過實測發(fā)現(xiàn)：微機(jī)房即使在負(fù)載均衡時，零線的電流不為零，而是遠(yuǎn)大于相電流。下面從數(shù)學(xué)理論分析非正弦波電流的特性。我國的市電是22OV50Hz正弦波，但由于微機(jī)房中UPS、變頻空調(diào)、開關(guān)電源等非線性設(shè)備的大量使用，市電相電流已不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是畸變較大的非正弦波形。根據(jù)高等數(shù)學(xué)知識，周期性函數(shù)在滿足狄來赫利特條件時，可以變換為傅立葉級數(shù)。對交流電來說非正弦波電流可以表示為：直流分量以及各次諧波之和。很容易得知：A、B、C三相的1、2、4、5、…除3n次外的諧波是對稱的，合成電流為零；3n次諧波是同相的，合成電流為3n次諧波相電流的三倍。微機(jī)房A、B、C的3n次諧波電流是同相的，在零線的電流合成為相線的三倍。正因3n次諧波的同相疊加，才導(dǎo)致即使在三相負(fù)載均衡時零線電流也不為零，在諧波嚴(yán)重時零線電流會遠(yuǎn)大于相電流。主要原因是三次諧波會產(chǎn)生特別高的中線電流，甚至超過相電流值，造成電器設(shè)備壽命大為減短，電網(wǎng)過熱，甚至可能引起火災(zāi)。

3.波形分析。計算機(jī)使用的是開關(guān)型穩(wěn)壓電源，也就是說，220V電源經(jīng)整流濾波后得到280V左右的直流電壓，再經(jīng)震蕩、脈沖變壓器降壓，再次整流、濾波、穩(wěn)壓得到計算機(jī)底板所需的各種低壓差直流電壓。用示波器觀察微機(jī)220V電源輸入端的電流波形發(fā)現(xiàn)，三相電流合并到零線之后在橫軸（時間軸）上不能抵消，零線電流的有效值是三相電流之和。當(dāng)三相負(fù)載平衡時，零線電流是相電流的3倍。

六、解決措施

計算機(jī)是非線性負(fù)載，與相同功率的線性負(fù)載比，其峰值電流為較大，零線電流是三相電流之和，且不存在工頻基波成分，最低頻率成分變?yōu)?倍。要避免零線發(fā)熱的問題，最有效的辦法是加大供電線路的截面積。

通過分析，我們可以得出，三相供電且負(fù)載平衡的計算機(jī)房，相線電流為非正弦窄脈沖，匯集到零線后不能互相抵消，其有效值為相電流的三倍，基波頻率為150Hz，用加裝濾波器的方法不能解決上述問題，最有效的辦法是加大供電線路的截面積，將相線截面積選取為線性負(fù)載時的2.5倍，同時零線截面積要加大到相線截面的3倍，這樣不僅可以降低零地電壓、解決零線發(fā)熱或在接頭處燒壞的問題，而且投入低，操作簡單易懂，在實際的施工中較容易實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]周方君.周萌.葉福鑾.計算機(jī)房零地電壓偏高的成因及解決辦法[J].電子測試，2013，（07）：269-271.

[2]于風(fēng)林.認(rèn)識三次諧波建好電源系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電視技術(shù)，2006，（08）：140-141.

作者簡介：劉文青（1971-），女，陜西韓城人，西安科技大學(xué)自動控制專業(yè)畢業(yè)，獲陜西科技大學(xué)輕工與技術(shù)工程碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，副教授，主要從事供配電及電工電子等方面的教學(xué)及研究工作；劉泉海（1955-），男，陜西乾縣人，西安科技大學(xué)自動化專業(yè)畢業(yè)，現(xiàn)任職于陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，電學(xué)教授。endprint