機(jī)房零地電壓偏高成因分析及整改

耿長友 丁園月 吳吉哲 于振波

【摘 要】本文通過對標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房和非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房零地電壓異常實(shí)例的檢測，分析了標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(fù)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(dá)到降低零地電壓的目的。在分析非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房混用配電設(shè)施出現(xiàn)電流不穩(wěn)定現(xiàn)象基礎(chǔ)上，提出了將非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(fù)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(dá)到規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】零地電壓；不平衡電流；三相負(fù)載平衡；重復(fù)接地

中圖分類號(hào)： TM72；TN80 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shè)備（如信息設(shè)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(huì)影響網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，甚至損壞設(shè)備。如采用共用接地系統(tǒng)的銀行、保險(xiǎn)公司大樓、證券公司等有較多遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信設(shè)備，這些設(shè)備對零地電壓要求很高。為此，有些設(shè)備（如服務(wù)器）還專門設(shè)計(jì)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(jī)。一般零地電壓與電源質(zhì)量、負(fù)載和接地性能有直接關(guān)系，有時(shí)也與UPS等電子供電設(shè)備的選用有關(guān)。零地電壓是機(jī)房檢測的重要指標(biāo)，正確處理零地電壓問題，對于保證機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行、延長設(shè)備使用壽命至關(guān)重要。當(dāng)零地電壓不達(dá)標(biāo)時(shí)，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(jìn)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(jī)房，零地電壓指標(biāo)同樣重要。

本文根據(jù)實(shí)際檢測中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房及非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(yīng)解決方法，可為山區(qū)機(jī)房防雷檢測和問題整改提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(gè)方面：（1）三相電源配電負(fù)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(xì)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(shè)備選用不當(dāng)[2]。

下面根據(jù)某一實(shí)例介紹標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房零地電壓偏高的原因與對策

2016年4月，筆者對某公司進(jìn)行防雷年檢時(shí)，發(fā)現(xiàn)該公司機(jī)房零地電壓偏高。經(jīng)進(jìn)一步檢測分析，確定了該機(jī)房零地電壓過高的原因，提出了整改措施。

1.1 機(jī)房概況

該機(jī)房按標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房建設(shè)，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(jìn)行現(xiàn)場測試，測得數(shù)據(jù)如下：（1）電源保護(hù)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(shí)小電流經(jīng)驗(yàn)，從三相不平衡電流按比例看，不是太嚴(yán)重，而變壓器地網(wǎng)與保護(hù)接地共用一個(gè)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(yīng)該很小，相應(yīng)的零地電壓也應(yīng)該很小。但實(shí)際情況并非如此，所以只好進(jìn)行定量計(jì)算查找原因。如果采用復(fù)數(shù)方法計(jì)算將比較繁瑣，由于是工程應(yīng)用，不需要數(shù)據(jù)十分精確，采用座標(biāo)矢量圖進(jìn)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(biāo)紙上畫出，經(jīng)圖上矢量運(yùn)算可清晰看出中點(diǎn)電位已經(jīng)從O點(diǎn)飄移到O點(diǎn)（假定功率因數(shù)為1，則電壓與電流同相）。按比例計(jì)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(shè)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(jì)，根據(jù)歐姆定理計(jì)算RN=0.11Ω。銅的電阻率ρ為0.0175Ω·mm2·m-1，銅導(dǎo)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(shí)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(jī)房零地電壓偏高的主要原因是：由于三相負(fù)載不平衡，導(dǎo)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(fù)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(dá)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(jìn)，只能通過三相負(fù)載平衡的措施。通過進(jìn)一步現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)，該機(jī)房配電柜還帶了該樓層的照明、辦公等負(fù)載，最后通過將照明、空調(diào)等負(fù)載調(diào)整到其它電纜上，解決三相負(fù)載不平衡問題，從而降低零地電壓。

2 非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(biāo)準(zhǔn)機(jī)房零地電壓偏高的原因及對策。

2.1 非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房概況

筆者在對某通訊公司山頂一處通訊基站進(jìn)行整改時(shí)，通過現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)該基站的零地電壓很高，高達(dá)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(gè)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(fù)載電流不是很大，僅靠調(diào)整三相負(fù)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(fù)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(fù)載面寬、點(diǎn)多、線長，在公用變壓器中性點(diǎn)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(fù)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(diǎn)。

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(diǎn)的地電位抬高，該電壓降構(gòu)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(shè)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(yuǎn)高于專用變壓器供電的站點(diǎn)。因?yàn)榈刂须娏魇遣▌?dòng)的，并不穩(wěn)定，將引起供電系統(tǒng)的整體波動(dòng)。最傳統(tǒng)有效的改進(jìn)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(fù)載，更主要的是它截?cái)嗔斯╇娕c負(fù)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(jì)可行的方法。改造方法是在供電線路進(jìn)機(jī)房前，將中線進(jìn)行重復(fù)接地，并引出接地線作為基站設(shè)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(diǎn)

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?yàn)榫€阻存在。改造效果可以用4102地阻儀進(jìn)行驗(yàn)證，因?yàn)?102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(gè)獨(dú)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(fù)載

非線性負(fù)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(shè)該基站重復(fù)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(fù)載布線：相線截面積取先行負(fù)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(fù)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(dá)到規(guī)范要求[6]。

3 結(jié)語

通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房和非標(biāo)準(zhǔn)機(jī)房的實(shí)例分析，造成零地電壓偏高的原因有多種，在實(shí)際分析時(shí)不能只考慮負(fù)載平衡，還要考慮非線性負(fù)載帶來的問題。在進(jìn)行查找原因時(shí)，一定要充分勘察現(xiàn)場，進(jìn)行全面細(xì)致的檢測，通過“一問、二看、三測”，分析原因，結(jié)合實(shí)際進(jìn)行整改。

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