信息技術設備供電質量及接地設計分析

黃景峰, 李玉明

(清華大學建筑設計研究院有限公司, 北京 100084)

0 引 言

信息技術設備(Information Technology Equipment,ITE)的應用日益增多,這類設備對用電電能質量十分敏感。很多ITE交付使用后才發現電磁干擾問題,補糾十分困難。有些ITE供貨商提出獨立接地的要求,但又無法保障用電安全[1-5]。

因此,在有ITE的建筑物電氣裝置的設計安裝中,需重視ITE的用電電能質量及用電安全問題。本文以用電安全為基礎,提出應用雙繞組變壓器、局部TN-S系統、S式接地方法、M式接地方法等方案,提升ITE的用電電能質量及抗干擾能力。

1 ITE產生干擾及電擊風險

1.1 ITE具有較大的正常對地泄漏電流

普通設備PE線只通過微小的正常對地泄漏電流,而ITE多采用開關模式電源,本身具有較大的正常對地泄漏電流。多個ITE產生過大的PE線電流如圖1所示。ITE的開關模式電源有大容量電容器跨接在相線和PE線之間,多個ITE在一條回路時,相當于多個電容器在同一電源線路上被并聯。

圖1 多個ITE產生過大的PE線電流

圖1中,并聯的電容器數量越多,電容量C越大,容抗XC隨之減少,PE線中流過的泄漏電流IPE因此增大。

(1)

由式(1),當C=0.218 μF時,總泄漏電流就超過15 mA,即超過了動作值為30 mA的RCD的額定不動作電流,有可能引起RCD的誤動作。

1.2 過大的PE線電流產生過大的電壓降

ITE過大的PE線電流產生過大的電壓降如圖2所示。1條電源線路上有多個ITE時,PE線上產生電流疊加,從而引起過大的電壓降,導致各ITE的地電位不均等,通常若ΔU>3 V,其信號電纜的地線上將流過足夠大的工頻電流,造成ITE不能正常工作。

圖2 ITE過大的PE線電流產生過大的電壓降

1.3 過大的PE線電流可能引起人身電擊事故

ITE的電容泄漏電流過大,還可能因電源線路中PE線的中斷而導致人身電擊事故。

PE線導電良好如圖3所示。假設圖中PE線導電良好,PE線截面為4 mm2,長度10 m,阻抗為46 mΩ。人體阻抗為1 900 Ω(GB 13870.1—2008《電流通過人體的效應 第一部分:通用部分》,表1,大的接觸面積,AC 50 Hz,路徑手到手,被測對象的95%)。ITE的泄漏電流通過PE線與人體的并聯回路返回電源,對人體的分流可忽略不計,沒有電擊風險。

圖3 PE線導電良好

PE線斷線引起人身電擊事故如圖4所示。

圖4 PE線斷線引起人身電擊事故

假設PE線中斷,電容泄漏電流將轉而經人體和大地這一通路返回電源。人體的預期接觸電壓Ut為人體阻抗Zt和人體的對地接觸阻抗RS在串聯回路中的分壓:

(2)

式中:Ut——人體的預期接觸電壓;

U0——系統相對地電壓,220 V;

Zt——人體阻抗;

RS——人體對地接觸電阻;

ZT——變壓器內阻抗;

ZL——相導體阻抗;

XC——ITE的電容器容抗;

RB——電源接地電阻。

通常ZT、ZL、RB很小,可忽略不計,式(2)簡化為

(3)

由式(3),當濾波電容器并聯的數量越多時,XC值越小,人體的預期接觸電壓Ut越大。參考GB 13870.1—2008《電流通過人體的效應 第一部分:通用部分》,當流經人體電流為50 mA、超過1 s的時間,就可能引發人體心臟功能障礙。

2 降低電壓擾動的措施

ITE的電能質量問題來源于兩大方面,其中之一是由電源線路傳導來的電壓擾動。

2.1 雙繞組變壓器消除共模電壓

利用雙繞組變壓器消除共模電壓干擾如圖5所示。

圖5 利用雙繞組變壓器消除共模電壓干擾

電源線路過長,中性線壓降過大,ITE受共模電壓干擾。在ITE前設置雙繞組變壓器,其二次繞組作為該ITE的電源,則中性線與PE線間的電位差在變壓器二次繞組這一點起始又從0 V開始,共模電壓干擾得以有效降低。

2.2 放射式供電限制PE線上的正常泄漏電流

ITE固有較大的對地泄漏電流,當電源線路供給多個ITE時,PE線上疊加過多的泄漏電流而產生的電壓降,致各ITE的地電位不均等,其信號電纜的地線上由于兩端的電位差,也將流過工頻電流,這些都能對ITE引起干擾。因此應盡量采用放射式供電,以限制PE線上的正常泄漏電流。

2.3 在ITE前設置雙繞組變壓器消除過大的PE線電流

在正常泄漏電流大的ITE前,配置一臺1∶1的雙繞組變壓器。設置雙繞組變壓器消除過大的PE線電流如圖6所示。ITE的PE線泄漏電流只返回變壓器二次側繞組,不再流入變壓器前的PE線,不會對其他ITE產生干擾(雙繞組變壓器只要求基本絕緣,非隔離變壓器)。

圖6 設置雙繞組變壓器消除過大的PE線電流

3 設備獨立接地引發電擊事故及設備損壞

有些ITE供貨商提出獨立接地,這一點必須明確,不允許建筑物內某一設備單獨接地。單獨接地的設備發生碰殼故障時,將造成設備外殼與接地出現電位差,可能引發人身電擊等電氣事故。其次,雷電感應產生大于單獨接地設備絕緣耐沖擊電壓的電位差時,會擊壞設備。

規范及標準也不允許設備獨立接地。JGJ 91—2019《科研建筑設計標準》[6]中第9.4.3條規定,各種接地宜共用一組接地裝置;GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》[7]中第6.3.3-1條規定,每棟建筑物本身應采用一個接地系統;IEC 60364-5-54:2011第542.1.1規定,電氣裝置可以兼有或分別承擔保護接地和功能接地兩種作用,應首先實現保護接地。

3.1 電擊風險

ITE單獨接地引起人身電擊事故如圖7所示。

圖7 ITE單獨接地引起人身電擊事故

ITE單獨接地,該設備發生碰殼故障時,人體的預期接觸電壓Ut為

(4)

式中:RE——獨立接地電阻。

假設人體阻抗Zt+RS=2 000 Ω,RE=RB=1 Ω,由式(4)得,Ut=110 V,大于安全電壓。

3.2 雷電感應擊壞設備

依據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》,電子類設備為I類設備,設備絕緣耐沖擊電壓的額定值1.5 kV。ITE單獨接地,當雷電電涌沿電源線路引入ITE,或沿獨立接地的接地線引入ITE時,雷電感應極易產生大于該設備絕緣耐沖擊電壓的電位差,從而擊壞設備。

依據GB 50057—2010《建筑物防雷設計規范》式(4.2.4-6),雷電沖擊電流值為

(5)

式中:I——雷電流,二類防雷;

n——地下和架空引入的外來金屬管道和線路的總數;

m——電氣進線內導體芯線的總根數。

以二類防雷建筑為例,I=150 kA,n=3,m=4。將上述數據代入式(5)得,Iimp=6.25 kA。

假設單獨接地線電阻L=0.5 Ω,則雷電感應產生的電位差U=IimpL=3.1 kA,大于電子類設備的絕緣耐沖擊電壓1.5 kV,極易擊壞設備。

4 ITE的安全接地

GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設計規范》[8]第1.0.1條及其條文說明規定,該規范制定的目的:為使交流電氣裝置的接地設計,在電力系統運行和故障時,能保證電氣裝置和人身的安全。IEC 60364-5-54:2011第542.1.1條規定,電氣裝置可以兼有或分別承擔保護接地和功能接地兩種作用,應首先實現保護接地的作用。電氣設計人員的首要設計原則,就是保障人身的安全。

4.1 ITE需實現兩個接地

為保證人身安全,ITE金屬外殼需接地。TN系統中,PE線隨相線引至設備外殼,降低接地故障回路阻抗,提高防間接接觸電擊的自動切斷電源措施的動作靈敏度。

另一個是接同一ITE金屬外殼的信息技術系統的高頻信號接地,其要求高頻條件下的接地阻抗小,以獲得各ITE間相等或接近的參考電位,屬功能性接地。

ITE必須與建筑物電氣裝置內的其他電氣設備或其他電氣系統共用接地裝置。為保證人身和電氣設備安全,以避免在發生雷擊或接地故障時,各系統間出現危險的電位差,而引發事故,如果某一ITE要求設置局部接地極,則此接地極必須與等電位聯結系統的接地母排相導通,而實現共用接地。

4.2 防止PE線中斷的措施

為防ITE電氣裝置中過大的PE線電流引發電擊危險,首先應采取措施防止PE線中斷。文獻[2]建議采取如下措施之一:

(1) 采用電線明敷供電時,無論相線截面積為多少,銅芯PE線的截面積都不小于10 mm2,或采用兩根并聯的,且有各自接線端子的雙PE線,每根PE線的截面積不小于4 mm2。

(2) 采用電纜供電時,電纜內PE線、相線和中性線截面積的總和不小于10 mm2。

(3) 采用導線穿管供電時,PE線應與該金屬管并聯,且PE線截面積應不小于2.5 mm2。

(4) 利用敷線的金屬導管做PE線時,其連接應可靠,并應具有足夠的截面積、機械強度以及抗腐蝕強度。

(5) 盡量縮短PE線長度。

4.3 雙繞組變壓器構成局部TN-S系統

為抑制配電線路導入的共模電壓,ITE常配置1∶1的雙繞組變壓器做簡單分隔。利用此變壓器構成新的局部TN-S系統,從而最大限度地縮短局部TN-S系統內PE線的長度。

雙繞組變壓器降低TN系統過大的PE線電流如圖8所示。ITE的電源是雙繞組變壓器的二次側繞組,其出線上的過電流防護保護器兼做接地故障保護。正常時,電容器的大泄漏電流經PE線返回雙繞組變壓器的二次側繞組,不再返回上級電源。當設備中對地絕緣損壞,發生接地故障時,因回路接線端阻抗小,故障電流足夠大,可以使變壓器二次側過電流防護器動作切斷電源。雙繞組變壓器電源側PE線已不是ITE內大電容泄漏電流的通路,即使中斷,也不會對接觸設備的人構成電擊危險。通常雙繞組變壓器就在設備近旁,PE線在使用人員的直接監視之下,中斷的可能性幾乎不存在。

圖8 雙繞組變壓器降低TN系統過大的PE線電流

5 ITE工作接地

電源線路上的電壓擾動只是引起用電電能質量問題的一個方面,對于ITE而言,接地和等電位聯結的設計和安裝不當引起的ITE間的地電位不均等,是引發設備噪音問題的另一重要方面。文獻[2]給了一個例子:美國電能質量會議多次調查發現,現場反映的ITE工作不正常的起因并非電壓擾動,而大多數是接地和等電位聯結不當,因此有經驗的電能質量專家在現場處理電能質量問題時,首先檢查的就是接地和等電位聯結設置中存在的問題。所以,在信息系統電氣裝置中,應高度重視接地和等電位聯結的正確設置。

5.1 等電位聯結的作用優于接大地

接地是以大地電位為參考電位,在地球表面實施的等電位聯結;而等電位聯結則可視為將等電位聯結代替大地以導體電位作為參考電位的接地。因此,兩者一般是相通的。當然也有不同處,例如接大地可以泄放雷電流和靜電荷,消除其對ITE的干擾和危害,而不接地的等電位聯結,則不具備有這一作用。但就減少信息系統電氣裝置內各ITE間地電位的高頻電位差而言,等電位聯結系統做“地”,可相對容易降低系統對地的高頻阻抗,以獲得更好的ITE間的等電位效果,而普通接地則難以降低高頻阻抗。因此,等電位聯結的作用遠優于降低接地電阻的接大地。

5.2 無需要求ITE接地電阻的阻值

接大地的接地系統的高頻阻抗太大,以代替大地的等電位聯結系統的電位為地電位。這樣在等電位聯結系統內,可方便采取許多措施減少連接線的高頻阻抗,最大限度地實現ITE信號系統地電位的均等。該等電位聯結就是使信息系統正常工作的功能性等電位聯結。

5.3 減少高頻電抗的措施

由式(5)知,導體電阻與材料、長度及截面積相關。另外,交變電流通過導體時,由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻,愈近導體表面電流密度越大。這種現象稱“趨膚效應”,使導體的有效電阻增加,頻率越高,趨膚效應越顯著。

依據文獻[3]式(9.4-1)及式(9.4-3),導體阻抗為

(6)

式中:Kjf——趨膚效應系數;

ρ——導體電阻率,銅導體在20 ℃時,取0.018 4 Ω·mm2/m;

L——導體長度;

S——導體截面積;

R——導體電阻。

為降低高頻阻抗,ITE的接地聯結線應具有足夠的截面積和足夠的表面積,前者可減少其電阻分量R,后者可減少高頻趨膚效應,從而減少高頻電抗分量X。聯結線的走線應盡量短而直,以降低其電感,其連接質量應保證良好,以減少接觸電阻。

6 ITE接地的型式

6.1 高頻低電阻的等電位聯結

將總等電位聯結中的接地母排延伸為接地母干線。沿建筑物外墻內側的墻角敷設一條截面積不小于50 mm2的銅導體,凡需連接的金屬部件,例如進入建筑物的金屬管道、柱子鋼筋、基礎鋼筋以及其他金屬構件、電纜金屬護套等都就近與該接地母線直接聯結。

應盡量多地利用柱子鋼筋和垂直的金屬管道作多根并聯垂直等電位聯結,鋼筋間的連接應采用焊接或壓接,如因影響結構強度等原因不能施焊或壓接時,可植入電氣專用的鋼筋,其聯結應為焊接或壓接,以降低接觸電阻。

6.2 S式信號接地

S式的信號接地方式如圖9所示。配電箱PE母排放射引出的PE線兼做ITE的信號接地線。S式的信號接地方式、簡單易行、成本低。但PE線具有較大的高頻阻抗,設備間信號線承受的噪聲水平較高,要求ITE抗干擾能力強。

圖9 S式的信號接地方式

6.3 M式信號接地

M式的信號接地方式如圖10所示。

圖10 M式的信號接地方式

M式接地除用PE線作為保護接地外,還將每個ITE的金屬外殼盡量短直地聯結到設備下方的局部水平等電位銅質網格上,以實現低阻抗信號接地。

網格也和配電箱內的PE母排相連接。網眼的尺寸不可過大,約為ITE工作頻率波長的1/10,一般為600 mm×600 mm,銅帶寬60～80 mm,厚0.6 mm(寬厚比不宜小于5∶1,)以增大表面積,減少高頻集膚效應。ITE與網格間的連接線也應盡量短且直,其長度以不大于500 mm為宜。

在TN系統中,PE線須和相線緊貼走線,即采用包含PE線的多芯電纜或電線穿管供電,以降低接地故障的故障回路阻抗,用于防人身電擊。銅網格和銅帶接地線用于實現高頻低阻抗的信號接地,雖然最后都接向同一PE母排,但兩者各有用途,不可或缺。

在M式接地方式中,如果將ITE的電源線路以及PE線與其他線路分隔開,并將銅質網格與地絕緣,則抗干擾效果更好。這時在配電箱內為ITE另設一個隔離的PE母排,即ITE的PE線需和電源插座的金屬接線盒,穿線鋼管以及其他回路的PE線絕緣,直到與總等電位聯結的接地母排聯結為止。

M式接地具有眾多的聯結點和并聯分流通路,其高頻阻抗可以有效降低,對于只有一般抗干擾水平的ITE,可以消除大部分的干擾。同時適用于各種工藝未知的ITE,但施工復雜,初期投資較高。

7 結 語

正確的接地不僅可以保護人員的安全,還可以減少信息系統電氣裝置內各ITE間地電位的高頻電位差,保障ITE的正常工作。為保證人身安全,ITE金屬外殼需接PE線做接地。為保障ITE正常工作,需設置信息技術系統的高頻信號接地,這兩個接地必須共用一個接地裝置。

設計中應盡量采用放射式供電。在ITE前,配置1∶1的雙繞組變壓器,可以有效杜絕形成過大的PE線電流,減少對其他ITE產生干擾,最大限度地縮短局部TN-S系統內PE線的長度,減少其中斷的可能性,有效降低共模電壓干擾。