微機群用戶供電零線的安全選擇及分析

劉文青+劉泉海+祁廣科+董家輝+耿凡娜

摘要：傳統的微機房，習慣將零線截面選為相線截面的0.5至1倍（模糊選擇）；現在的微機房常用的供電方式為不間斷電源（UPS）供電，負載以容性負載為主，常常將三相輸入的零線線徑選擇為相線線徑的1.5倍（經驗選擇）。本文基于這兩種零線線徑選擇的現狀和問題，依據數理測量和分析提出了零線截面積要加大到相線的三倍以上，才能確保安全可靠。

關鍵詞：微機群；供電零線；選擇；數據分析

中圖分類號：G710 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）39-0126-02

一、零線和中性線的區別

發電機、變壓器和電動機的三相繞組星形聯接的公共點稱為中性點，如果中性點是接地的，則該點又稱為零點。從中性點引出的導線，稱作中性線；而從零點引出的導線就稱為零線。目前，國內機房一般常采用50Hz交流電，380/220V三相四線制供電，有TN-C或TN-S兩種中性點運行方式，都是中性點接地的運行方式，在TN-C運行方式中，保護中性線就是零線；在TN-S運行方式中，中性線是零線，保護線是獨立的。

二、傳統微機房零線的選擇

目前，給國內機房供電的有兩種中性點運行方式，即零線和保護線共用（TN-C）或分開（TN-S）設置。傳統的微機房沒用UPS電源供電，三相負荷均衡分配，但由于機房的負荷構成中，單相負載比重很大，且用電時間上也有差異，各相負荷經常處于不平衡狀態，加之計算機開關電源的影響，零線上經常會有電流通過，如果零線選擇不當，就容易發生零線發熱，造成不安全隱患。一般三相四線制線路，零線截面的選擇是依據相線截面而選擇的。相線截面的選擇首先要滿足發熱條件：相線截面積的導線允許截流量Ia不小于通過相線的計算電流Ica，即Ia≥Ica，還應校驗導體與其保護裝置是否配合得當，不應發生導體發熱熔斷而保護裝置不動作的情況。然后校驗電壓損耗及最小機械強度。依據經驗，一般三相四線制線路，零線截面選為相線截面的0.5至1倍。

三、微機群UPS供電零線的選擇

隨著計算機天關電源技術的快速發展，現在，微機群常用的供電方式為不間斷電源（UPS）供電。不間斷電源采用了脈寬調頻技術、使用了較成熟的高效功率器件，加之微處理器的迅猛發展，已經成為計算機房供電的主要手段。不間斷電源的不間斷性是它的最大特點，而且能最大限度地提供穩定電壓，隔離外電網的干擾。外電網一旦停電，UPS能在極短的時間內自動從備用能源經逆變器變換成與原供電電源（電壓、頻率和相位）相同的電能繼續向計算機供電。或者逆變器正常時，由逆變器供電；故障時，由靜態電子開關自動將計算機瞬時切換到外電網供電或切換到另一臺與之并聯的UPS上，實現不間斷供電。我們知道，容性負載具有非線性特性。而計算機機房的計算機、服務器等都屬于容性負載，因為容性負載的非線性特性和因此而帶來的諧波等干擾，加之三相負載不平衡的影響等，使計算機房的零線電流常常超過相線的電流值，甚至出現零線電流遠遠超過相線電流的情況。因而，現在大多數UPS三相輸入的零線線徑的選擇放大到相線線徑的1.5倍。

四、選擇的矛盾

供電零線的選擇看似簡單，但為了選擇安全而又經濟的電纜截面，則需要綜合考慮多方面的因素。因為選擇了過大的線徑會增加建設成本，選擇過小的線徑會增加運行成本并可能導致嚴重的安全風險。目前通信領域及微機群多數供電電纜配置偏于安全，在銅材日益昂貴、電纜費用占比越來越高的今天，有必要選擇經濟的電纜。對于正在運行中的系統，很有必要實施機房評估與整改，以確保供電安全、經濟。

五、數據測量與分析

1.數據測量。為了能直觀地監測到計算機房零線電流的變化狀況，課題組成員到計算機房，選取了15臺微機，每相接5臺，來測試計算機房用電情況，將零線穿過電流變送器3匝，要求每相電流均達到5.4A，用示波器測得一相加載到三相都加載時的零線電流波形。通過比對得知，三相都加載時，零線電流是單相電流波形的簡單疊加，有效值為三相電流有效值之和，振幅與電流最大的一相相等。如果三相負載完全相同，零線與相線的材質和截面積也一樣，那么，零線的電壓降、發熱量及損耗都為單根相線的3倍。

2.數理分析。通過實測發現：微機房即使在負載均衡時，零線的電流不為零，而是遠大于相電流。下面從數學理論分析非正弦波電流的特性。我國的市電是22OV50Hz正弦波，但由于微機房中UPS、變頻空調、開關電源等非線性設備的大量使用，市電相電流已不再是標準的正弦波，而是畸變較大的非正弦波形。根據高等數學知識，周期性函數在滿足狄來赫利特條件時，可以變換為傅立葉級數。對交流電來說非正弦波電流可以表示為：直流分量以及各次諧波之和。很容易得知：A、B、C三相的1、2、4、5、…除3n次外的諧波是對稱的，合成電流為零；3n次諧波是同相的，合成電流為3n次諧波相電流的三倍。微機房A、B、C的3n次諧波電流是同相的，在零線的電流合成為相線的三倍。正因3n次諧波的同相疊加，才導致即使在三相負載均衡時零線電流也不為零，在諧波嚴重時零線電流會遠大于相電流。主要原因是三次諧波會產生特別高的中線電流，甚至超過相電流值，造成電器設備壽命大為減短，電網過熱，甚至可能引起火災。

3.波形分析。計算機使用的是開關型穩壓電源，也就是說，220V電源經整流濾波后得到280V左右的直流電壓，再經震蕩、脈沖變壓器降壓，再次整流、濾波、穩壓得到計算機底板所需的各種低壓差直流電壓。用示波器觀察微機220V電源輸入端的電流波形發現，三相電流合并到零線之后在橫軸（時間軸）上不能抵消，零線電流的有效值是三相電流之和。當三相負載平衡時，零線電流是相電流的3倍。

六、解決措施

計算機是非線性負載，與相同功率的線性負載比，其峰值電流為較大，零線電流是三相電流之和，且不存在工頻基波成分，最低頻率成分變為3倍。要避免零線發熱的問題，最有效的辦法是加大供電線路的截面積。

通過分析，我們可以得出，三相供電且負載平衡的計算機房，相線電流為非正弦窄脈沖，匯集到零線后不能互相抵消，其有效值為相電流的三倍，基波頻率為150Hz，用加裝濾波器的方法不能解決上述問題，最有效的辦法是加大供電線路的截面積，將相線截面積選取為線性負載時的2.5倍，同時零線截面積要加大到相線截面的3倍，這樣不僅可以降低零地電壓、解決零線發熱或在接頭處燒壞的問題，而且投入低，操作簡單易懂，在實際的施工中較容易實現。

參考文獻：

[1]周方君.周萌.葉福鑾.計算機房零地電壓偏高的成因及解決辦法[J].電子測試，2013，（07）：269-271.

[2]于風林.認識三次諧波建好電源系統[J].現代電視技術，2006，（08）：140-141.

作者簡介：劉文青（1971-），女，陜西韓城人，西安科技大學自動控制專業畢業，獲陜西科技大學輕工與技術工程碩士學位，現任職于陜西工業職業技術學院，副教授，主要從事供配電及電工電子等方面的教學及研究工作；劉泉海（1955-），男，陜西乾縣人，西安科技大學自動化專業畢業，現任職于陜西工業職業技術學院，電學教授。endprint