关于零地电压的讨论要点.docx
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关于零地电压的讨论要点
第十章关于接地、零地电压和噪声干扰的讨论
第一节概述
前面主要讨论了UPS的功能和环境监控，但很少有对零地电压的监控功能，是不是不这样做就不对呢？
这也未必。
但往往有这种情况，UPS供电系统建立起来了，如果发现零地电压比较高，多数用户就会想当然地就提出降低零地电压的要求，理由是不降低零地电压机器就无法工作。
当然，如果较高的零地电压是由UPS本身产生的，这种降低零地电压的工作就债无旁贷，但如果在装机前，这个零地电压就已经存在，那就得另外想办法解决，UPS绝无此能力。
为了使零地电压不至于影响到作为负载设备的正常工作，就在其机器中装设了零地电压监测电路环节，只要零地电压超过了机器的设定值，这台机器就无法启动，这就更加重了零地电压影响的神秘性。
比如有的服务器设定值是1.2V，就真的超过这个值机器无法开机，当零地电压值降到1.2V一下时，开机就正常了。
这个设定值有的规定为小于4V，也有的规定为小于1V。
恰恰相反，也有的机器就没有设定零地电压的限值，工作也很好。
比如某IDC中心机房的零地电压在4V以上，一年运行下来都非常正常；又如有的证券公司的计算机机房零地电压在10V左右，但UPS已购置近一年，一年后才发现该问题，当得知零地电压对及器有影响时才“严加注意”，在无条件解决的情况下，才觉得惶惶不可终日。
但毕竟机器一直在正常工作。
是不是可以说，在没有监控的情况下就没有影响，在有监控的情况下就有影响呢？
当然不是，这个问题留待下面讨论。
一、接地的基本概念
接地的种类按其作用可分为两类：
功能性接地和保护性接地。
（1）功能性接地保证系统正常运行的接地或系统的低噪音接地称为功能性接地。
将TN系统的中线接地称为系统接地；利用大地做导体，在正常情况下有电流通过的称为工作接地；比如将电子设备的金属底板作为逻辑信号的参考点儿进行的接地，称为逻辑接地；使电缆屏蔽层或金属外皮接地，从而达到电磁屏蔽的目的，称为屏蔽接地。
（2）保护性接地为了防止人、畜或设备因电击而造成伤亡或损坏的接地称为保护性接地。
其中将电器设备的外壳接地或街道PE、PEN线的称为保护接地；为引导雷电流而设置的接地称为防雷接地；在PE或PEN线上一点或多电接向大地称为重复接地。
除特殊情况外，一个建筑物只能存在一个接地系统，以免引入不同电位而导致人身和设备事故。
图10-1示出了通常带有地线的交流电源原理图。
由图中可以看出，交流电压在变压器的次级就将零线接地了。
地线是交直流电源安全供电的保障。
实际上，用电设备从功能上讲是不需要地的，他们只需要火线和零线就够了。
但由于供电系统不是理想的“绿色”电源，经常遭受着外界风沙、雷电及各种干扰的影响，是这些影响给机器和人类带来了麻烦甚至生命的危险。
比如风沙在供电裸线电缆上的摩擦会产生干扰，雷电在供电电缆上可感应出上万伏的高压，工业和交通干扰会沿传输电缆送往用电器，以上这些干扰都以共模的形式去影响负载。
图10-1示出了将共模干扰通过电容器引入地的方法；潮湿的天气会使电源和机壳之间产生漏电，严重的情况是或线于诸如机壳之类的外壳“搭线”如果机壳是“悬空”的，一旦人员接触上去就会有生命危险；为了信号的传输使各设备之间有一个共同的“绿色”地，也需将这个地上的各类干扰引入“大地”。
图10-1交流电源原理图
为了使这些干扰顺利进入大地，接地电阻是一个重要的指标。
在”GBJ79工业企业通信接地”与“GB0065交流电力工程接地”中都对接地电阻的最大允许制作了规定，如表10-1所示。
表10-1接地电阻的最大允许值
接地装置名称
接地电阻最大允许值（）
335kV配电所高、低压共用接地系统
4
335Kv线路杆、塔在居民区的接地系统
30
PE或PEN线的重复接地
10
电子设备型号接地
4（在与防雷蒂共用时为1）
屏蔽体、高频电炉、X光设备以及10100Kv试验设备等的接地
4
防静电接地
10
建筑物防直击雷冲击接地电阻
10（第一、二类）30（第三类）
建筑物防雷电波侵入冲击接地电阻
10（第一、二类）30（第三类）
建筑物防雷电感应工频接地电阻
10（第一类）
应当指出的是，关于接地电阻的最大允许值，除特殊要求外，如果建筑物内实现了等电位连接，被连接的导体便形成了等电位体而代替了大地。
此时，等电位体的电位就成为参考电位，这时的接地电阻允许值已无意义。
正因如此，IEC标准及其他发达国家标准都已不再规定接地电阻允许值。
二、系统接地分类
在UPS的安装中，在不同的情况、不同的地点也会遇到各种不同的接地系统，比如TN-S系统、TN-C系统、TN-C-S系统、TT系统和IT系统等。
图10-2示出了这几种接地方式的供电系统，为了使概念比较清晰一些，首先将图中的几个主要符号作一说明，主要接地方式由两个字母组成：
第一个字母：
T—表示供电系统有直接接地点，I—表示所有火线部分与地隔离，且无保护接地线；
第二个字母：
T—表示外露可导电部分（如机架、机壳等）直接接地，
N--表示外露可导电部分（如机架、机壳、机座等）直接接到系统地线上。
（a）TN-S系统（e）IT系统
（b）TN-C系统（d）TT系统
（c）TN-C-S系统
图10-2几种接地方式的供电系统
（1）TN-S系统
又称三相五线系统，即三条相线A、B、C，一条中线N和一条保护线PE，仅地线PE的一点接地，用电设备的外露可导电部分（如机架、机壳、机座等）接到PE线上，如图10-2（a）所示。
这种连接的好处是正常工作时在PE线上没有电流，因此设备的外露可导电部分也不呈现对地的电压。
出现事故时也容易切断电源，因此比较安全。
但费用较高，多用于环境条件比较差的场所。
此外，由于PE线上不呈现电流，有较强的电磁适应性，有利于数据处理、精密监测装置的供电。
（2）TN-C系统
又称三相四线制系统，与TN-S系统的差别是将N线与PE线合并成一根PEN线，如图10-2（b）所示。
当三相负载不平衡或仅由一相带用电设备时，PEN上有电流，在一般情况下，如果选用适当的开关保护装置和足够的导线截面积，也能达到安全要求，目前国内采用这种方式的不少。
（3）TN-C-S系统
也称四线半系统，即在TN-C系统的末端将PEN线分为PE和N，如图10-2（c）所示。
但分开后再也不允许合并。
这种系统兼有TN-C系统的价格便宜和TN-S系统的比较安全特点，而且电磁适应性也比较强，常用于线路末端环境较差的场合或有数据处理等设备的系统。
（4）TT系统
是三相四线制中线直接接地的系统，这种系统的应用较广。
用电设备的外露可导电部分采用各自的PE线接地，如图10-2（d）所示。
由于设备各自的PE线互不相关，因此电磁适应性比较好。
但是故障电流取决于电力系统的接地电阻和PE线的接地电阻，其值往往很小，不足以使数千瓦用电设备的保护装置和电源断开。
为了保护人身安全，必须采用残余电流开关作为线路及用电设备的保护装置，否则就只适用于给小负荷供电。
（5）IT系统
供电系统无接地线或相线经过高阻抗接地，用电设备的外露可导电部分经过各自的PE线接地，如图10-2（e）所示。
当任何一相故障接地时，大地即作为相线工作，所以仍能继续运行。
如果另一相又接地，则因形成相间短路而造成危险，故必须设置单相接地的监测装置，以便当单相接地时发出警报。
这种系统甚为可靠，而且停电的机会很少，多用于煤矿和工厂用电等希望尽量减少停电的地方。
同时由于各设备的PE线分开，彼此没有干扰，电磁适应性也比较强。
三、设备的接地
（1）电子设备的接地
一般都把“地”定义为电路或或系统的零电位参考点，所谓接地就是两点间建立传导通路，以便将电子设备或元件连接到“地”。
如前面所述，接地的目的无非是保护操作人员的安全和抑制各类（主要是电磁）干扰，另外还提供电子测两种的电位基准，即“基准地”。
图10-3示出了“基准地”的连接方法。
1.独立地线并联一点接地这种方式也称为单点接地，如图10-3（a）所示。
就时说，在一个电路系统中只允许有一个物理点备定义为接地参考点。
这种接地方式的优点是个电路的地电位置于本电路系统的地线阻抗有关，不受其他电路的影响。
其缺点是需要多条接地电线，增加了远离接地点的地线长度和电阻，有时也增加了地线间的干扰耦合，在高频情况下，地线阻抗大大增加。
（a）独立地线并联一点接地（b）独立地线并联多点接地
图10-3基准地线的接地方式
2.多点接地多点接地是指在某一系统中，各个需要接地的点都直接接到距离它最近的接地平面上，以使接地线的长度最短，如图10-3（b）所示。
接地平面可以是贯通整个系统的优良导电的金属板或很宽且具有一定厚度的铜带。
由于接地线最短，就适用于高频情况。
其缺点是易构成各种地回路，造成低频地环路干扰。
一般来说，工作频率在1MHz以下时，可采用一点接地的方式；工作频率在10MHz以上时，就应采用多点接地的方式。
一点接地时，接地线的长度都应小于0.05（对应工作频率的波长），否则就必须采用多点接地方式。
接地线应于接地平面平行，以便使接地引线到接地平面的阻抗更小。
这是因为地限到接地平面的特征阻抗Z=（L/C）1/2,式中L使引线电感，C是引线与接地平面之间的电容。
由于而导体平行时的电容最大，故导致了阻抗的减小。
AB
图10-4视频回路混合接地方式
3.混合接地如果电路的工作频率很宽，在低频段需采用一点接地，而在高频时则又需用多点接地，遇有此种情况就可采用混合接地的方法，如图10-4所示。
该图是一个视频回路混合接地方式的例子，在这个例子中，既有一点接地（机壳和同轴电缆外皮左端接于A），有又多点接地（A和B）；既有低频接地（机壳和同轴电缆外皮左端接于A），又有高频接地（视频信号通过电容接地B），这样就兼顾了两个方面的内容。
（2）地线回路干扰和隔离干扰的措施
不论甚麽样的地线形势和材料（超导条件除外）都会存在电阻和电抗，当有电流流过地线时，就会在地线上形成电压降。
地线还可能与其他线路形成回路，当交变磁场与回路交链时，就会在地线上产生感应电动势，从而就会使各公用地线上的电路单元中产生相互干扰。
因而减小地线干扰的措施就可归纳为：
减小地线阻抗和电源线阻抗，正确选择接地方式和隔离地回路等。
1.减小接地线竹康的措施采用宽厚比大的扁铜带制造低阻抗地线，其电阻和电感量都会很小，也可以采用实心平面状接地板；
2.减小电源线阻抗的方法在多个电路单元共用一个直流电源的情况下，要求电源的馈线电阻尽量小，以避免共用电源成为电路间的噪声干扰耦合通道。
因而，电源馈线应采用长宽比小（即截面积大）的扁铜体，并在满足耐压要求的前提下尽可能减小正负馈线之间的距离，这样就可以减小馈线的回路面积，有利于抑制地回路干扰。
3.减小地线中低频干扰的方法
①隔离变压器法
对于地线中的低频干扰，一般采用隔离变压器的方法进行隔离，如图10-5（a）所示。
图中变压器初级的接地点也可能在前面某一个地方，为了便于讨论，在这里用虚线
（a）变压器耦合（b）等效电路
图10-5采用隔离变压器组阁地环路
画出；变压器的次级也直接接地，Ug是等效的地线干扰电压。
图（b）是等效电路，由该图可以看出，Ug是加在变压器两个绕组之间的电压源，变压器初级绕组是一个电压源的输出，内组可以看成是一条短路线。
在低频时，变压器初次级间电容C的容抗
（10-1）
与电容的容量C和干扰频率的乘积呈反比，由于电容C的容量很小，干扰频率的职也很低，所以变压器初次级间电容C的容抗只就很大，加在负载上的干扰电压信号电压强度Un就很低，即
（10-2）
由于在低频时XCRL，则
，所以加在负载上的干扰电压信号电压强度Un0，于是就达到了隔离低频干扰的目的。
但是，如果干扰频率很高，当该频率升高时，由式（10-1）可以看出，电容C的电抗XC随着干扰频率的升高而减小，当该频率升高到一定之后，就开始出现
（10-3）
的局面，这是加到负载上的干扰电压UnUg，这时变压器就失去了隔离线干扰的能力。
应当指出的是，这里讨论的是变压器隔离低频地线干扰，而不是由线路上来的常模低频干扰，因为这种干扰可以按照变压器的变比直接送到负载上，根本无法隔离；另外，高频常模干扰同样像前面一样通过变压器初次级间电容C直接送到负载。
就是说，变压器对于由线路上来的常模干扰无任何隔离能力。
②纵向扼流圈法
当地线传输信号中含有直流分量时，用变压器法就无效了，由于直流分量会使变压器铁心饱和，从而
造成故障。
遇有此种情况，就可以采用“纵向扼流圈法”，如图10-6（a）所示。
由图中可以看出，扼流圈两个绕组的饶向（同名端）和匝数均相同，当信号电流通过两个绕
（b）等效电路
图10-6纵向扼流圈阻隔地环路干扰
组时，所产生的磁场正好抵消，如图10-6（b）所示，地线等效干扰电压Ug所引起的干扰电流流经两个绕组时，所产生的磁场同相叠加，使扼流圈对干扰电流呈现出较大的感抗，由于其感抗XL与频率及电感正比关系，即
（10-4）
并且随着干扰频率的增加而加大,如图10-7所示就是干扰信号衰减的理论计算曲线。
由图中可以看出加到负载上干扰信号强度Un的趋势。
但由于绕组间存在着分布电容C，则电感的作用就不单单是感抗，而是一个C和L并联的阻抗，如图10-8（a）所示，
图10-7干扰信号衰减的理论计算曲线
其阻抗值为
（10-5）
式中Z—纵向电感L的等效阻抗（这里略去了分布点组），
XL—纵向电感的感抗，
XC—纵向电感匝间分布电容的容抗，
ƒ—干扰信号Ug的频率。
为了求出该纵向电感L对干扰信号的最大衰减阻抗Zmax，将式（10-5）对频率取导数，并令其为零，即
Zˊ=0
经这里后就得出
（10-6）
式中
就是纵向电感的特征角频率T=2ƒT，所以，当干扰信号频率ƒ=ƒT时，该纵向电感对干扰信号的衰减能力最强，如图10-8（b）所示曲线的峰值。
当干扰信号频率ƒ>ƒT时，其感抗
变得越来越大，而容抗
却变得越来越小，由式（10-5）可以看出
（10-7）
（a）电感的等效电路图
（b）实测曲线
图10-8纵向扼流圈抑制干扰的能力
虽然分子部分是随着频率的升高而升高的，但分母部分是按照频率的平方而增大的，因此总的结果是下降的，这就是图10-8（b）曲线在峰值以后的实测下降部分。
（3）供电系统的中性点接地
一般供电系统都要求中性电接地，大都是在变电站低压输入变压器的次级接地了。
这是一种工作接地，保证电力系统及其设备在正常和故障状态下具有适当的运行条件。
供电系统中性点接地方式的选择是一个综合性的技术经济问题，它主要考虑的条件是：
1.供电的可靠性；
2.涉及设备制造和建设投资的绝缘水平与绝缘配合；
3.对继电报护的影响；
4.对通信和信号系统的干扰；
5.对系统稳定的影响等。
供电系统中实际采用的中性点接地方式由许多种，主要有直接接地、不接地和经消弧线圈接地三种。
其他派生的还有静电阻或电抗接地，但如果从主要运行特性划分，就有有效接地系统和非有效接地系统等量大类。
1.有效接地系统也称为大电流接地系统，中性点直接接地和经小阻抗接地都属于这一类，其划分标准是系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/X13，且零序电阻（R0）和正序电阻（R1）的比值R0/R11。
这类接地系统的最大优点是内部过电压较低，可以降低设备的绝缘水平，从而节约了投资，在110Kv以上系统中得到了普遍应用。
2.非有效接地系统也称为小电流接地系统，中性点不直接接地、经消弧线圈接地或高阻抗接地都属于这一类。
其划分标准是系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/X1系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值X0/X13，且零序电阻（R0）和正序电阻（R1）的比值R0/R11。
这类接地系统的最大优点是供电可靠性较高，在绝缘投资所占比重不大的110kV以上系统中得到了普遍应用。
*注：
零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的定义见“电气工程师手册”398页，机械工业出版社2000年6月出版
（4）中性点接地对设备的影响
中性点接地方式对设备的影响，主要由有效和非有效两类接地系统在单相接地短路与内部过电压两方面的巨大差异引起。
有效接地系统单相接地短路电流大，最大值可能达到或超过三相短路电流，而内部过电压不高；非有效接地系统单相接地电流很小，中性点不接地时为电容电流，经销弧线圈接地时为补偿后的残流，但内部过电压很高（特别是不接地时）。
因此，不同接地方式对设备的影响可归纳为表10-2。
表10-2不同接地点方式对设备的影响
比较项目
中性点接地方式
直接接地
经消弧线圈接地
不接地
断路器工作条件
按I
（1）d、I（3）d中最大之校核遮断容量，动作次数多
按I（3）d考虑遮断容量，不经常动作
按I（3）d考虑遮断容量，动作此书比较多
单相接地后果与供电可靠性
单相接地要跳闸，影响供电可靠性
大部分接地故障能自动消除，供电可靠性高
单相接地产生中性电位移，供电可靠性较高
高压电器设备绝缘
一般可降低
全绝缘
阀型避雷器的灭弧特性
可按80%线电压采用
不低于100%最高运行相电压
注：
I
（1）d、I（3）d中分别为单相、三相短路电流
第二节零线电流和零地电压的构成
一、零线上的电流
这里所讨论零线上的电流首先是假设在低频（50Hz或60Hz）情况，讨论在这种情况下的三相电流相等、三相电流不相等、一相电流为零和两相电流为零时，在零线上的流动情况，从而确定零线线径的选择依据。
（1）三相电流相等时
在三相四线制供电系统中，当三相电压稳定在额定值时且负载平衡时，尽管各负载电流Ia、Ib、Ic都通过零线形成回路，如图10-9所示，但由于各电流的相位差互为180，他们的矢量和为零，即
İa+İb+İc=0（10-8）
N
E
图10-9D-Y变压器变换的供电系统原理图
如图10-10（a）所示，由于中心点正好是等边三角形的中心，零线上应无电流通过，这是最理想的情况。
既然零线上无电流流动，当然也就无电压降产生；
（2）三相电流不相等时
但在实际应用中，单相电的用户居多，而且又是分别分布在三个相电压上，这就造成了三相用电的不均衡。
于是就提出了一个问题：
零线的线径究竟选多大为适宜，有的说选和火线一样的线径即可；但也有的说：
由于三相电流都要经过零线，所以应选择三倍于火线粗细的零线才行。
因此，必须首先知道零线上的最大电流值，才可有的放矢做到心中有数。
由前面的讨论可知，当三相电流相等时，零线上的电流为零，只要三相电压上都有负载，就有互相抵消的性能。
由于假定三相电压稳定在额定值且互相独立，所以其三相电流的矢量公共点一直位于等边三角形的中心点上，如果其中有一相电流减小，如图10-10（b）所示的A相电流减小到İ´a<İa时，在零线上的电流矢量和
İb+İc-İ´a=İn<İa、İb、İc（10-9）
小于任一相的额定电流。
（3）一相电流为零时
图10-10（c）示出了C相电流为零的情况（任意一相均可），这时若其他两相的电流为额定值，那末流入零线的电流就是相差120°的İa和İb两个电流矢量和，由矢量图可以看出，由于这是一个菱形结构，120°的加角被矢量和İn均分后构成了两个全等的等边三角形，因此也就形成了
İn=İa=İb（10-10）
的结果。
可以看出，当一相电流为零时，零线上的电流等于一相上的额定电流。
如果该两相的电流不相等，并且其中一相小于额定值，同样可以证明零线上的合成电流小于一相的额定值。
（4）两相电流为零时
当两相电流为零时，电路就变成了如图10-10（d）的简单形式，在这种情况下，零线上的电流就是相线上的电流。
由上面的讨论可以看出，在三相电压为稳定而相等的额定值情况下，零线上的电流最大值就是一相上的额定电流值。
（a）三相电流相等的情况（b）A相电流小于额定值时的情况
（c）C相电流为零的情况（d）B、C两相电流为零时的情况
图10-10三相电流示量图
二、零线的选择和零地电压的形成
（1）零线和零线电压
零线是三相四线制供电电源的中线，是380V/220V三相供电制输出220V的必要条件。
由图10-11（a）可以看出，三相电压的线电压和相电压是一个等边三角形的边线和由中心点连向各顶点的关系，因此，线电压和相电压的关系就是：
Uab=Ubc=Uca=U线
UaO=UbO=UcO=U相
且U线=
U相（10-11）
在正常情况下这是个固定关系，此时的中（零）上无电流流过，也不会有零线电压。
但这个关系也往往被破坏，比如图10-11（b）所示三相电压不均衡的情况，这种现象多是
（a）三相电压均衡的情况（b）负载端三相电压不均衡的情况
图10-11三相电压的线电压和相电压的关系图
由于三相负载的严重不均衡引起，因为在传输电缆距离长、导线接面积不足够大的情况下，其分布电阻在大电流时就显得明显了，负载端的电压电源（比如变电站）电压与传输电缆上的压降之差，传输电缆上的压降增大了，负载端的电压当然就小了。
造成了中心点的移位，零线上就有了电流，当然也就有了电压。
另一方面，由于包括UPS在内的大量电子设备的应用，整流负载几乎成了污染电网的公害。
如图10-12所示电源带整流负载的情况，其中有单相整流负载和三相整流负载，不论是哪一种，只要没有采用功率因
图10-12电源带整流负载的情况
数校正措施，就会按照式（10-12）的规律产生高次谐波，即
Hn=2N1（10-12）
式中：
Hn—n次谐波
N—整流相数
整流为单相时，谐波次数为1，3，5，7，…；整流为三相时，谐波次数为5，7，…；整流为六相时，谐波次数为11，13，…。
可以看出，整流相数越多，所产生的最低谐波次数越高，由于谐波的能量是随着谐波次数的增高而减小的，所以，整流相数的增多对提高输入功率因数由好处，这也就是为甚麽许多UPS为了提高输入功率因数而将6脉冲（三相）整流改为12脉冲（六相）整流的原因。
从另一方面看，整流相数的增多提高了对零线电缆的要求，因为这些谐波电流都要流经零线而形成回路，在高次谐波下，零线电缆上分布电感的感抗:
XL=2πƒnL
的作用开始显露出来。
式中：
XL—零线分布点感的感抗，Ω
ƒn—谐波频率，Hz
在高频下，导线上会出现集肤效应，即电流在高频时，再也不是均匀地分布在导线的整个截面积上，而是集中在距导线中心一定距离的外皮深度上，这个外皮的厚度（称为透入深度）d为
（10-13）
式中：
d—透入深度，mm;
α—衰减常数，Np/m;
—角频率，=2πƒ，rad/s；
—导磁率，H/m;
—电导率，MS/m.
由上是可以看出，频率越高，透入深度就越小，导线的利用率就越低，即电阻就越大，在同样电流下所造成的电压降就越大。
尤其是在频率更高的常模干扰和共模干扰的情况下，在零线上造成的电压降就更高。
由此看来，零线电缆规格的选择就需要综合考虑，尤其要了解用电环境的实际情况。
一般选择比相线
粗的电缆作零线是
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