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,IEC 60364 的定义,：,S=保护功能,(PE),由一根与中性导体,(N),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(PEN)中,T,T,I,第 1 个字母,第 2 个字母,T,N,T,电源系统对地的关系:,T=一点直接接地,I=所有带电部分与地隔离，,或一点经阻抗接地,装置的外露可导电部分与地的关系:,T=与地直接电气连接，独立于电源系统的任一接地点,N=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）,补充的字母,TN 系统,T-Terra 大地,I-Isolate 隔离,N-Neutral 中性点,S-Separate 分开,C-Combine 合并,1-2、TT接地系统,TT接地系统：,低压变压器中性点直接与接地极相连接,；,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,380V/220V,L1,L2,L3,N,If=11A,Ru,10,Rn,10,Uo=220 V,Uf=110 V,设备外露可导电部分,负载,故障电流值I,f,=Uo/(R,n,+R,u,)=220/(10+10)=11A；,故障电压值U,f,=R,u,I,f,=1011=110 V UL(50 V),故障电流可能会产生危险接触电压；,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,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,低压变压器中性点直接与接地极相连接,；,保护接地线PE 和中性线N合并成一根PEN线,；,常采用重复接地的措施,；,L1,L2,L3,PEN,R,n,1-4、TN-S接地系统,低压变压器中性点直接与接地极相连接,；,装置的外露可导电部分都用PE线连接到同一个接地电极上,；,PE和中性线分离,；,1-4、TN-C-S接地系统,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,；,当铜芯电缆的截面积小于10mm,2,，铝芯电缆(和软电缆)的截面积小于16mm,2,时,应使用TN-S系统,；,常采用重复接地的措施,；,L1,L2,L3,N,PE,R,n,PEN,1-5、IT接地系统,低压变压器中性点不与接地极相连接,；,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,；,L1,L2,L3,N,PE,L1,L2,L3,N,PE,PE,PE,1-6、接地系统的组合应用,串联模式：,L1,L2,L3,N,PE,LV/LV,MV/LV,Rn,Ru,Ru,TNC,TNS,TT,IT,CPI,1,2,3,PEN,N,PE,1-7、接地系统的组合应用,并联模式：,1,2,3,N,PE,1,N,PE,2,N,PE,TNS,(照明灯具),Rn,HV/LV,1,2,3,N,PE,1 2 3 N PE,TT,(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,L1,L2,L3,3P,N,L1,L2,L3,4P,1-9、三极断路器与四极断路器的选择,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,；,带漏电保护的双电源转换开关应采用四极开关,；,不同接地系统间的电源切换开关应采用四极开关,；,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关切断）；,TN-S系统一般不需要设四极开关,；,TT系统的电源进线开关应采用四极开关,；,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,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；,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,。,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,零线电压,Vn=I,n,Z,n,；,I,n,为零线电流,；,零线,线路,电抗Z,n,=LS,，,为导线电导率，L为线长，S为导线截面,；,如果I,n,=60A、Z,n,=0.1欧姆，V,n,将为6V,；,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X,L,=2,fC，容抗为X,c,=1/2,fC,，,因为线间存在耦合电感和电容，,高次谐波将在零线、地线产生一定的高频电流,，,也可能抬升零地电压,；,2-2、零地电压产生的原因（续）,零线电流,I,n,：,理想状态下，零线上不应该有电；,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；,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；,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【3,n,（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）。,电源阻抗和线路阻抗,Z,n,：,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,，并且随着电缆线的延伸，电缆的阻抗在不断地累积增大；,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 【Z,n,(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,三相电源负载不平衡；,接地电阻不符合规范要求；,N线、PE线线径不够或断路；,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设备；,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,在380V交流供电系统里，由于线路保护的需要，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；,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）,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”。,以UPS输入母排,为参考,点,，分别讨论以下四个参数值：,UP,S输入端零地电压：,U,（,N1-G,）,=,I,1,Z,（N1-G）,；,UPS输出端零地电压：U,（N2-G）,=U,（N1-G）,+U,（N-UPS）,；,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),；,IT负载机柜输入端的零地电压：U,（N-G）,=【U,(N1-G),+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,UPS输入端零地电压：U,（N1-G）,=I,1,Z,（N1-G）,，I,1,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。,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：,电网三相电压、相位的平衡度（不可控）;,三相负载电流大小的平衡度；,三相负载相位的平衡度；,三相负载中是否有3,n,次谐波的存在。,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。,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I,A,、I,B,、I,C,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。,三相负载中的3,n,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。,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。,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,减少从变压器到UPS输入配电柜的,距离（长度）,；,电缆的选择与降低电缆施工中的电磁干扰；,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,；,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,；,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,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）,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；,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,。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