零地电压的形成

1、零地电压问题一、 零地电压的形成二、 零地电压的危害三、 UPS电源与零地电压问题四、 目 录1-1、接地系统的定义u IEC 60364 的定义：S = 保护功能保护功能(PE)由一根与中性导体由一根与中性导体(N)或接地导体相独立的导体提供或接地导体相独立的导体提供C = 中性导体和保护功能组合在一根导体中性导体和保护功能组合在一根导体 (PEN) 中中TT I第第 1 个字母个字母第第 2 个字母个字母TNT电源系统对地的关系电源系统对地的关系:T = 一点直接接地一点直接接地 I = 所有带电部分与地隔离，所有带电部分与地隔离，或一点经阻抗接地或一点经阻抗接地装置的外露可导电部分与地的

2、关系装置的外露可导电部分与地的关系:T = 与地直接电气连接，独立于电源系与地直接电气连接，独立于电源系统的任一接地点统的任一接地点N = 与电源系统的接地点直接电气连接与电源系统的接地点直接电气连接（交流系统中，该点通常是中性点）（交流系统中，该点通常是中性点）补充的字母补充的字母TN 系统系统T-Terra 大地大地, I-Isolate 隔离隔离, N-Neutral 中性点中性点, S-Separate 分开分开, C-Combine 合并合并1-2、TT接地系统u TT接地系统：低压变压器中性点直接与接地极相连接；u 设备的外露可导电部分（外壳）连接到一个独立的接地电极上u故障电流值

3、If = Uo / (Rn + Ru)= 220 / (10 + 10) = 11A；u故障电压值Uf = RuIf =1011= 110 V UL( 50 V)u故障电流可能会产生危险接触电压；u随着线路对地泄漏电流的增大，可能产生电弧，进而引起火灾危险u必须选择RCD（Residual Current Device，剩余电流动作保护器，俗称漏电保护器）开关；1-3、TN-C接地系统u 低压变压器中性点直接与接地极相连接；u 保护接地线PE 和中性线N合并成一根PEN线；u 常采用重复接地的措施；1-4、TN-S接地系统u 低压变压器中性点直接与接地极相连接；u 装置的外露可导电部分都用PE

4、线连接到同一个接地电极上；u PE和中性线分离；1-4、TN-C-S接地系统u 在 TN-C-S系统中，上游部分是TN-C，下游部分是TN-S；注意：禁止在TN-C系统的上游使用TN-S系统；u 当铜芯电缆的截面积小于10mm2，铝芯电缆(和软电缆)的截面积小于16mm2时,应使用TN-S系统；u 常采用重复接地的措施；PEN1-5、IT接地系统u 低压变压器中性点不与接地极相连接；u 负载的外露可导电部分都用PE导线连接到一个公共接地极上，形成一个等电位联结；L1L2L3NPEPEPE1-6、接地系统的组合应用u 串联模式：L1L2L3NPELV/LVMV/LVRnRuRuTNCTNSTTI

5、TCPI123PENNPE1-7、接地系统的组合应用u 并联模式：123NPE1NPE2NPETNS(照明灯具)RnHV/LV123NPE1 2 3 N PETT(动力设备)IT(特殊负载)1-8、三极断路器与四极断路器的选择L1L2L33PNL1L2L34P1-9、三极断路器与四极断路器的选择u 根据IEC4651.1.5的规定，正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应采用四极开关；u 带漏电保护的双电源转换开关应采用四极开关；u 不同接地系统间的电源切换开关应采用四极开关；u TN-C系统严禁采用四极开关（IEC60364-4-473 第 461.2条规定：PEN线严禁被隔离电器隔离或被开

6、关切断）；u TN-S系统一般不需要设四极开关；u TT系统的电源进线开关应采用四极开关；u IT系统中当有中性线时应采用四极开关；2-1、零地电压产生的环境u 环境：我国发电厂的发电机组输出额定电压为3.1520kV。为了减少线路能耗、经发电厂中的升压变电所升压至35500kV，再由高压输电线传送到受电区域变电所，降压至610kV，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；u 以机房最常用的TN-S接地系统为例，在变电站（或类似变电站的供电点）变压器次级绕组的中性点一般和大地相连，然后由此引出两条线，即一条零线N和一条地线PE，在此将接地作为交流参考点，由零线N和相线

7、L一起作为设备的供电电源。TN-S系统是把工作零线N 和地线PE严格分开的供电系统，用户侧零地线不允许再次短接。u 由于供电线路很长，N线和PE线上的电流不相等，在用户端，零地之间就会产生并存在零地电压。2-2、零地电压产生的原因u 零线电压Vn=InZn ；In为零线电流；零线线路电抗Zn=LS，为导线电导率，L为线长，S为导线截面；如果In=60A、Zn=0.1欧姆，Vn将为6V；u 电源阻抗：在高频谐波下，导线之间不在是一个纯电组性元件，而是一个集电感、电容、电阻为一体的高频阻抗电路，其中感抗为XL= 2fC，容抗为Xc=1/2fC，因为线间存在耦合电感和电容，高次谐波将在零线、地线产生

8、一定的高频电流，也可能抬升零地电压；RLC2-2、零地电压产生的原因（续）u 零线电流In：u 理想状态下，零线上不应该有电；u 在三相五线制供电系统中，零线带电大多数是因为三相负载不平衡造成的；u 有故障状态下，零线没有良好接地，未能形成回路，零线会带电；u 在三相五线制供电系统中，存在谐波也会造成零线带电；由与三相电流或电压矢量方向相同的谐波【3n（n=1、2、3）次】产生的电流，从零线流回（零线中流回的是相线中的3次倍数谐波的三倍，而不是相线电流的3倍）。u 电源阻抗和线路阻抗Zn：u 电流流过导体会产生电压降，这是由于电源和导体都具有电阻和电抗，中性线N和保护地线PE也存在着阻抗，并且

9、随着电缆线的延伸，电缆的阻抗在不断地累积增大；u 在线性电路中线缆的阻抗形式： （R为电缆的电阻；wL为电缆的感抗）；当电缆中存在着谐波电流时，由于感抗部分变为nw的非线性函数，其数值是随着谐波频率的增大而变化的 【Zn (nw) 为第n次谐波电流产生的阻抗，它是谐波角频率nw的函数，是各次谐波对感抗的平方和的根】。2-3、导致零地电压偏大的异常情况u三相电源负载不平衡；u接地电阻不符合规范要求；uN线、PE线线径不够或断路；u高频谐波引起电位升高；u电磁场干扰；u使用UPS、电子稳压器等电子供电设备；u使用的插线板不符合电器标准。2-4、供配电线路中的零地电压u 在380V交流供电系统里，由

10、于线路保护的需要，通常将三相四线制或三相五线制的中心点通过接地装置直接接地。系统中通常配置一台或数台10KV/380V /Yo变压器，Yo侧的中心点通过接地网直接接地，如图中的G点；u 从变压器到各IT负载之间，通常将这一距离中的线路分成三级配电母线，即UPS输入配电母线或称市电输入母线L1(含柴油发电机切换后输入)，UPS输出配电母线L2，楼层配电母线L3，楼层配电再分路到列头柜(也有将楼层配电与列头柜合而为一的)，然后单相接入机架PDU对IT负载进行供电；2-4、供配电线路中的零地电压（续）u 从变压器的二次侧接地点G到 IT负载的零线输入点N之间，有很长的输电距离，当负载投入运行后，一定

11、有大量的零线电流从N点流回到各级母线，在母线的零排处叠加，叠加后未被抵消的部分将流回到G点。由于零线阻抗的存在，在各级母线的零排之间就形成了电压降。这样以G为参考点，零线上的各个点就形成了对地的电压降，这就是所谓的“零地电压”。u 以UPS输入母排为参考点，分别讨论以下四个参数值：u UPS输入端零地电压：U（N1-G）= I1 Z（N1-G）；u UPS输出端零地电压：U（N2-G）=U（N1-G）+U（N-UPS）；u UPS楼层输出配电柜上的零地电压：U（N3-G）=U(N1-G) + U(N-UPS) + U(N3-N2)；u IT负载机柜输入端的零地电压：U（N-G）=【U(N1-G

12、)+U(N-UPS)+U(N3-N2)】+U(N-N3); 其中，U（N-UPS）是指UPS产生的零线电压增益；2-5、UPS输入端零地电压u UPS输入端零地电压：U（N1-G）=I1Z（N1-G），I1为零线上流过的电流，Z（N1-G）为N1零排到接地点的零线阻抗。u 零线阻抗Z（N1-G）的大小取决于零线的线路长度与线径，对于数据机房而言是个不变量；而零线电流的大小则取决于下列运行条件：u 电网三相电压、相位的平衡度（不可控）;u 三相负载电流大小的平衡度；u 三相负载相位的平衡度；u 三相负载中是否有3n次谐波的存在。u 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流：当L1母线三相配电系统中

13、各相负载大小不相同时，就会出现三相不平衡电流，这一不平衡电流汇流到N1零排时，就合成为零线电流I1-1，如图(a)所示。最极端的情况，当A、C两相的负载全部跳开时，此时的零线电流I1-1就等于B相的电流IB，达到该条件下零线电流的最大值，如图(b)所示。u 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流I1-2：当I段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因素不相同时，三相电流IA、IB、IC的相位不再符合相差120的相位关系，此时也会导致不平衡电流的出现，同样在N1零排处，汇合成零线电流I1-2，如图(C)所示。u 三相负载中的3n次谐波电流的存在产生的零线电流I1-3：由于非线性负载的存在，导致了零

14、线中不仅有基本电流流过，还可能有三次及三的倍数次谐波流过。其三次谐波电流刚好同相位，在N1零排处直接相加成为同相的零线电流。u 如果线路较长、负载的不平衡度很高或含有三次谐波的非线性负载较多，就可能使UPS的输入零地电压很高。u 越是在供电链路的末端，其零地电压越高。2-5、UPS输入端零地电压（续）2-6、有效消除UPS输入端零地电压的措施u 减少从变压器到UPS输入配电柜的距离（长度）；u 电缆的选择与降低电缆施工中的电磁干扰；u 采用多根同等截面的电缆（2S）合并使用时，比选择一根大截面（2S）的电缆要好；采用多芯的交联电缆；u 电缆排布整齐，绑扎紧密，横平竖直，直角转弯，结果反而造成相

15、线电缆之间、相线对零线的差模式分布电容以及对地线的共模式分布电容；宜深型的电缆槽；u 匹配UPS与负载的容量，减少谐波电流THDI：在低负载率情况下，由于中性线上存在较大的3次谐波5次谐波电流，因此THDI也较大，由此造成的THDU也较大；最先进的IGBT-PFC整流电路中，100%负载率时THDI=45%；50%负载率时THDI=78%；2-7、UPS产生零线电压增益的机理u 工频机UPS（具有有升压变压器UPS）的中性线连接方式2-7、UPS产生零线电压增益的机理（续）u 工频机UPS：采用可控硅相控整流将交流变成432V直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电还原成成交流，但这一双转

16、换后的线电压只有190V，为了满足负载输出380V/220V的需要，不得不在逆变器的输出端(注意：不是在UPS输出，不含旁路输出端)加一1:2的升压变压器将190V的线电压升高到380V；同时，通过这一变压器的/Y0接法生成零线，以实现UPS三相四线制的输出要求。对于工频机而言，输出升压变压器是必加的标准件，否则就根本无法正常工作；u 从图中可见，中性线N是由UPS电源的旁路输入端引入，并且与逆变变压器（而不是起“隔离”作用的变压器）的中性点直接连接，作为UPS输出的中性线。即使有了这一隔离变压器，但是零线与地线在UPS内部从输入到输出是直通的。这一隔离变压器在UPS内部没有起到任何的隔离作用

17、。在UPS正常开机工作时，由于旁路关断，其零线上也不会有电流流过，所以由零线电流产生的零地增益在UPS内部基本是不存在的。2-7、UPS产生零线电压增益的机理（续）u 但是如果UPS输出的滤波器设计不好或电容故障，就会导致逆变器输出的PWM高频电压成份会部分溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其大小完全取决于滤波器参数的优劣，通常可达35V，频率上明显含有高频成份。如果设计得到好，这一电压增益通常应为0.51V。u 采用中性点钳位(NPC)三电平电路拓扑结构的双变换UPS（一个NPC三电平变换器的一个桥臂由四个IGBT组成，它们各自有反并联二极管及两个钳位二极管)，可有效降低电气和热应力

18、，提高UPS可靠性，降低电磁噪声，减少半导体损耗，提高了效率。2-7、UPS产生零线电压增益的机理（续）u 高频机UPS（没有有升压变压器UPS）的中性线连接方式2-7、UPS产生零线电压增益的机理（续）u 高频UPS采用先进成熟的IGBT升压整流技术将交流变成600V左右的直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电直接还原成380V/220V三相四线制的交流电，所以无需所谓工频机的升压变压器。它使UPS的转换效率大幅度提高，内部损耗发热大幅度减少，器件的可靠性得以明显提高。u 从图中可以看到，就零、地线而言，高频机UPS与工频机UPS完全一样，都是在UPS内部从输入到输出是直通的，不会产生

19、零线电流产生的零地增益。但是，对于早期的高频机或某些高频机技术起步较晚的厂商，出于降低成本的设计考虑，其输出滤波器设计容量偏小，导致了较高的PWM高频电压成份溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其值达35V，并伴有明显的高频成份。u 高频机与工频机具有同样的零线电压增益产生机理，零线与地线在两种UPS内部都是直通的；只要滤波器设计得好，两者都可以很好地解决零地电压问题，并使零地电压不含有高频成份，反之，两种UPS都会产生较高的零地电压。2-8、IT负载机柜输入端零地电压u IT负载机柜输入点的零地电压才是“最可怕”的零地电压。无论在UPS的输出端、楼层输出配电柜上采取什么样的降低零地电压

20、措施，只要IT负载设备输入端的零地电压U（N-G）没有降低（不小于1V），其“严重的危害”就依然存在。u IT负载机柜输入端的零地电压是所有UPS输入零线压降、UPS输出零线压降及楼层配电零线压降的叠加；u 楼层配电柜输出的零地电压高低直接影响IT负载机柜输入点的零地电压；但在楼层配电柜中加装/Yo隔离变压器，并将变压器输出的中心点重新接地，即形成新的接地点G2。这样就在楼层配电柜的输出零排上生成了新的零地电压，此时的零、地线是“紧密”地连接在一起的，所以其新的零地电压一定小于1V，是自欺欺人的做法；u 就数据中心机房而言，楼层输出配电柜到负载机柜之间采用单相配电，这样在这一配电区间内的零线电

21、流就等于机柜负载电流I，此时在楼层配电与IT负载之间产生的零线电压增益为U（N-N3）=IZ（N-N3）,由于I较大，而配电的线路又较细，这一电压依然有可能大于1V。在楼层配电柜中加装/Yo隔离变压器可以降低IT负载机柜输入点的零地电压，但要保证每个机柜IT负载的零地电压小于1V是不可能的，除非在每一个机柜上再安装一台隔离变压器。2-9、零地电压对IT负载的影响u 零地电压对IT负载是否真的有影响，关键的问题是零地电压是否真正传到了IT内部的CPU、存储芯片等核心部件。实际上，通过分析IT负载内部的结构不难得到，UPS输出的电压只是给IT负载内部的电源模块供电，这一电源模块的输出才向IT内部的

22、核心部件供电。u 所以，要了解零地电压是否对IT负载有影响或影响的大小，关键是零地电压对这一电源模块的输出电压是否有影响或产生多大的影响。关于这一点，我们只需要分析一下IT负载内部电源模块的电路工作原理，就会得出理性的结论。u 当前IT负载内部的输入电源模块采用两种制式，即ATX标准和SSI标准。ATX标准是Intel公司在1997年推出的一个电源规范，输出功率一般在125瓦350瓦之间;SSI(Server System Infrastructure)规范是Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商在ATX标准上推出的新型服务器电源规范。这两种电源的主电路如图所示。u 分析这一电源的工作原

23、理可以看出，无论是ATX还是SSI电源，UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压，提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”使用。这四级变换如下图所示，分别为：u第一级：桥式整流器，将220V交流电变为约200300V的直流电;u第二级：高频逆变器，将直流电再转换成几十到几百KHZ稳压的高频交流电;u第三级：高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离;u第四级：高频整流器，将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(或5V、3.3V)输出。2-9、零地电压对IT负载的影响2-9、ATX标准与SSI标

24、准u 从上图可见，具有数伏零地电压的220V交流电，进入IT负载的电源后，从第一到第二级，也许我们还能“追寻”到这一电压的存在踪迹，但经过第三级后，由于变压器的隔离作用，这一共模电压在变压器的隔离输出端被彻底消除，后面的电路已经没有了零线，只有直流的正、负极，所以也就不再存在所谓的零地电压及产生的干扰。此外，无论是ATX还是SSI电源，都在其输入端设有共轭电抗器与Y电容，这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在IT电源的第一级以外。u 可见，零地电压进入IT负载内部后，从传播途径看，经共轭电抗器抑制后，终结于内部变压器的前端，根本达不到真正的IT内部CPU、RAM、EPROM、硬盘等的供电端，所

25、以无论是多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。u 有必要指出的是IT负载电源输出的12V直流电压，就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的，其变换频率通常高达50KHZ150KHZ，远高于高频机UPS的变换频率，所以高频变换是IT电源自身的根本，IT负载不惧怕“高频”。2-9、零地电压在IT电源内的传播途径u “零地电压”已经广为人知，而“相地电压”的概念却似乎有点好笑。但是，如果我们能简单地分析一下相线和零线在IT负载内部的传播途径，我们就会得出非常惊奇的结果。ATX和SSI的变换结构几乎相同，以SSI制式电源为例说明。u 具有零地电压的UPS输出AC 220V电压进入IT负载的电源后，在输入电源的正半周，经第二级的整流后，相线L与第三级高频逆变器的正母线连通，而零线N则与负母线连通，见图(a);而在输入电源的负半周，则刚好相反，零线N与正母线连通，而相线L则与负母线连通，见图(b)。u 由此可见，在IT负载的第二级后，相线与零线具有完全相同的功能与流通线路。这样，如果“零地电压”高将影响IT负载的正常运行，那无疑“