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UPS供電系統"零地電壓"
文章作者:中測信通 發布時間:2019-07-01 13:16 點擊: 次

  1、“零地電壓”現象

  在數據中心和計算機房建設的過程中,“零地電壓”問題越來越多地受到關注。盡管國家标準:《電子信息系統機房設計規範》GB50174-2008已經頒布,對機房供電系統的“零地電壓”要求“小于2V”,美國《數據中心通信基礎設施标準ANSI/TIA-942-2005》對IT系統“零地電壓”未做任何要求,但仍然有人在工程實施中,孜孜不倦地追求“零地電壓”“小于1V”,将某些計算機生産廠家的技術要求當成工程建設和驗收的标準或規範,甚至于在市場競争中,把它當作克“敵”制勝的信條,這是一種極其嚴重的誤導。從UPS的電源系統單線圖來看,在整個供電鍊路中UPS是唯一一個具有“自動調節”功能的有源環節,而其它的電氣設備例如變壓器、斷路器、電纜等都不具備調節功能,因此自然就會聯想到UPS是造成“零地電壓”上升的主要原因,但事實并非如此。假如線路中沒有UPS,“零地電壓”就一定能保證嗎?請看以下的分析。

  2 、“零地電壓”上升的真正原因

  “零地電壓”上升的真正原因是什麼?

  從理論上講,“零地電壓”上升的主要原因是電源阻抗和線路阻抗引起的。電流流過導體會産生電壓降,這是由于電源和導體都具有電阻和電抗,中性線N和保護地線PE也存在線路阻抗,并且随着電纜線的延伸,電纜的阻抗在不斷地累積增大。

  在線性電路中線纜的阻抗形式如式(1)所示

  

  式中:R為電纜的電阻;ωL為電纜的感抗。

  當電纜中存在着諧波電流時,由于感抗部分變為nω 的非線性函數,其數值是随着諧波頻率的增大而變化的,可表示為

  

  式中:Z n(nω)為第n次諧波電流産生的阻抗,它是諧波角頻率nω 的函數,是各次諧波對阻抗的平方和的平方根。

  從實際電路和工程施工中,可以找到以下的三種引起零地電壓上升的主要原因。

  (1)UPS配電距離過長

  由于UPS輸入端電流含有一定量的諧波成分,特别是6脈沖整流或12脈沖整流時,即使是IGBTPFC整流,也不可能将輸入電流諧波失真度(THDI)降低到“零”;在UPS負載率較低(例如小于30%)的情況下,THDI的數值會有所增大,諧波電流的頻率在電纜上形成的感抗也會增大。

  諧波電流的負作用是随着電纜阻抗的累計而增大的,假設忽略電源阻抗的影響,則電壓的諧波失真度(THDU)主要取決于電感分量和電纜的長度,最簡單的解決方法就是限制線路總阻抗以降低由諧波電流引起的電壓失真度(THDU)和電纜的溫升。例如,當負載電流增大一倍時,電纜的截面積也需要增大一倍。但是,是增加一根同等截面的電纜并聯使用好呢?還是将電纜的有效截面積增大一倍好呢?采用不同的方式所得到的電纜阻抗也不相同,如圖1所示。

  ①增大一倍電纜截面積(2S )的方案對限制電壓失真度并不是非常有效,因為它僅僅限制了電纜的溫升(電阻分量不變、電感分量增大),而不能降低電壓失真度;

  ②并聯一根同等截面的電纜(2XS )時,電壓失真度将不會增大(電感分量不變),電纜的損耗将增大,當然溫升也會上升。

  将上述的公式(2)改寫成公式(3)的形式

  

  式中:(nωL /R )是感抗與電阻的比值,與諧波次數n有關。對于電源系統中幅值較大的低次諧波分量(例如,H 3到H 7),其感抗與電阻的比值特性如圖2所示。

  從圖2可見:當電纜的截面積為25mm2時,各次諧波的(ωL /R )比值小于或等于1,說明電纜的阻抗以電阻産生的損耗為主;當電纜的截面積大于36mm2時,各次諧波的(ωL /R )比值大于1,且電纜截面積越大則比值越高,諧波次數越高則比值增大的也越快,說明含諧波的大電流供電時,電纜的阻抗以電抗為主,其結果是造成線路傳輸阻抗的增大。

  由此不難得出結論,對于中大型數據中心來說,UPS所供電的負載是含有H 3、H 5和H 7的計算機、服務器設備,因此在選擇大電流供電電纜時,應以多根并聯電纜來降低線路阻抗,從而降低遠端處的零線和地線阻抗。

  (2)配電線路布線混亂

  無論是由于何種原因,在電纜施工中可能會存在着布線混亂的情況,有時電纜鋪設在一個較寬的封閉電纜槽架之内,變成隐蔽工程,往往不易被發現,特别是電源系統增容改造的工程中,需要二次布線、三次布線等,出現N線、PE線混接、錯接等現象,在機房驗收中往往不易被發覺,但IT設備投入正常運行後,卻屢屢發生問題。

  由于電力電纜通過的是較大的交流電流,混亂的布線往往使得電纜之間産生電磁感應的騷擾,造成零地電壓明顯升高而又無法查明原因的情況。

  圖3是在某機房項目中發生的一個典型案例:UPS和空調的配電采用兩路電纜分别供電,每路電源采用三相單芯電纜+獨立的零線+獨立的地線,從主變壓器低壓出口經強電井到樓層配電櫃的距離約40m,從樓層配電櫃經天花吊頂内的橋架進入機房,也約40m。設備投入運行後,發現電纜橋架下方有明顯的類似變壓器運行時的低頻“嗡…嗡…”聲音(噪音約52dBA)、UPS輸入配電櫃P1的零地電壓大于10V。

  在測量中又發現,在樓層配電櫃到UPS輸入配電櫃P1為兩根并聯的PE線和兩根并聯的N線,并且分别測得地線電流I PE1≈40A,I PE2≈70A,測量兩根線的合并電流I PE1+PE2≈40A,而P1櫃到UPS的地線電流為:I UPS PE≈25A。空調照明配電櫃P0為單根獨立的PE和單根獨立的N線,這時I PE0≈45A。
 

  PE線作為保護線在正常運行時是沒有電流的,即使在計算機房中由于IT設備采用的共模式濾波器,通常也隻有幾安培的洩放電流,如此大而且波形混亂的地線電流當然首先懷疑的可能就是接線錯誤。但經檢查确認,排除了零線和地線之間的錯誤連接、混接、交叉連接及電纜槽兩端未接地等的情況。

  根據測試數據分析,I PE1+PE2≈40A,非常接近P1櫃中I PE1與I PE2的電流差值,并且與P1櫃輸出到UPS的地線電流I UPS PE≈25A也接近,因此判斷有可能約有15~30A的電流是在P1櫃的PE1和PE2兩條電纜之間甚至于在P0櫃的PE0中形成的環流。那麼此環流是如何形成的呢?

  在強電井和UPS設備房内的相鄰配電櫃都是安裝在金屬基座上的,經測量相鄰兩櫃的地線電壓差隻有0.2V,電阻基本為0,也就是說地線兩端的“地”是連通的或接近等電位。另外鋪設的PE1、PE2和PE0三根地線均是帶有絕緣層的單芯電線,那麼這三根地線PE1、PE2和PE0之間便可能在電纜槽中構成了事實上的三個地線環,如圖4所示。

  由于從強電井到UPS設備房鋪設的電纜在電纜槽中排列較亂,很可能造成電力相線多次穿過三個地線環的情況,那麼這三個地線環就将産生感應環流,從而造成地線電流增大,零地電壓升高,并伴有電磁振動的噪音。

  經重新鋪設兩個配電櫃P1和P0之間的臨時地線電纜并斷開原有的PE1、PE2和PE0的一端後,P1和P0櫃輸出的零地電壓立即降低到0.8V,兩條臨時地線上的電流均小于5A。

  (3)配電線路完全平行布線

  有時,由于UPS的容量較大,輸入輸出電纜常采用多根單芯電纜并排鋪設,特别是一些專業的施工隊伍,電纜排布整齊,綁紮緊密,橫平豎直,直角轉彎,結果反而造成相線電纜之間、相線對零線之間的差模式分布電容以及對地線的共模式分布電容,如圖5所示。

  由于I T設備一般或多或少地存在着諧波電流、脈動電流,隻要發生電流的變化(di/dt),在電纜中就會産生感應電勢。

  在某用戶現場測量發現,地線PE中的電流波形居然與相線中的6脈沖整流的電流波形相類似,地線電流數值達到幾十安培,這就不難說明平行電纜相互之間存在着電磁感應的作用,并因此産生零地電壓上升的現象。

  最簡單的解決辦法就是采用多芯的交聯電纜,因為相線、中性線和地線電纜之間是加撚(絞合)的,這種共模和差模的感應作用是可以相互抵消的。圖6是推薦的一些電纜在電纜槽中的排布方式,其出發點就是以電磁兼容性(EMC)較好為原則。

  從圖6可見,扁平形的電纜槽其電磁兼容性通常較差,以選用深型的電纜槽為宜。但在某些實際應用場合,由于受到安裝高度的限制,不能采用深型的電纜槽時,可在扁平型電纜槽中加裝金屬分隔闆并加裝頂蓋,如圖6右側圖形所示。

  3、 降低“零地電壓”的一些措施

  從以上分析可見,造成零地電壓上升的主要原因是電源系統的内因,因此應該從電源系統的設計、電纜選擇、施工中的規範布線等方面着手解決。

  (1)設計方面

  盡可能使UPS的輸入配電接近主變壓器、使UPS的輸出配電櫃盡可能接近負載,線路越短,零地電壓的上升也越小。例如在某用戶現場,UPS的輸入櫃到總低壓配電室的電纜長度約120m,測量發現,無論負載的輕重如何、無論是否起動UPS,變壓器主低壓配電櫃一側的零地電壓始終很小,電壓失真度小于2%;而在機房内,盡管負載很輕,UPS輸入端的零地電壓都有上升的趨勢,即使UPS完全停止采用手動維修旁路供電,負載端的零地電壓仍然有升高的趨勢,特别是當負載中含有非線性成分較大時尤為明顯,這種現象稱之為負載的“自污染”,如圖7所示。

  電壓失真度逐級上升的原因正是由于諧波電流流過線路阻抗而産生的,參見公式(4)。

  

  式中:Z sn(nω )為第n次諧波的線路阻抗,它是諧波角頻率nω的函數;

  Z s1(ω)為基波的線路阻抗,它是基波角頻率ω的函數;

  I hn為第n次諧波(角頻率為nω)電流的有效值;I h1為角頻率ω (50或60Hz)基波電流的有效值。

  (2)電纜的選擇

  如前所述,采用多根電纜合并使用時,比選擇一根大截面的電纜為好,因為線路阻抗較小,趨膚效應也較小,特别是諧波電流較大時這種作用較明顯。

  過去,人們對諧波不甚重視時,電力電纜往往采用較小等級的中性線N,當人們發現中性線電流有時會大于相線電流時,才開始采用與相線等徑的甚至是加粗的中性線,而地線PE則仍然是小1~2個等級的電纜。

  由于地線較細,造成零地電壓上升時,人們才逐漸接受了采用等徑的三相五芯電纜,即比較特殊的電纜,而非一般标準的電力電纜。

  (3)電纜施工中應注意的問題保證地線PE與地網系統的可靠連接。

  避免電纜的任意穿插,防止分布電容和電磁感應引起的騷擾;多餘的電纜一定要剪掉,因為盤繞的電纜會産生渦流,增大線路損耗,當然也會升高零地電壓。

  (4)必要時加裝隔離變壓器

  在數據中心或計算機房内,供電系統的接地方式通常為TN-S系統,按照《低壓配電設計規範》GB 50054和國際标準(IEC 60364)對接地系統的定義,TN-S系統在變壓器二次側做一次中性點接地,之後不允許中性線二次接地。為避免零地電壓上升的問題,可在靠近負載配電櫃(或列頭櫃)的輸入端加裝隔離變壓器,以便形成新的、獨立于原來電源系統的接地系統,這樣可保證負載以新的接地方式運行時,獲得較低的零地電壓。

  當然這種處理方式引起的投資成本也是不可忽視的,同時應注意,在選擇單台變壓器容量時不要過大,以免引起變壓器勵磁浪湧對UPS的電流沖擊問題以及斷路器選擇性方面的問題。

  作者簡介

  韓林,施耐德電氣信息技術(中國)有限公司,技術總監。

  婁玮,施耐德電氣信息技術(中國)有限公司(APC)售前技術支持經理,主要從事UPS電源技術理論與實踐,配電系統的設計與規劃,機房整體規劃,暖通空調系統。


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