計算機房零地電壓偏高的成因及解決辦法

周方君 周 萌 葉福鑾

（1.福建省武夷山市氣象局，武夷山 354300；2.福建省建陽市氣象局，建陽 354200）

0 引言

在計算機房的防雷檢測工作中發(fā)現(xiàn)，零地電壓往往都偏高較多。許多用戶也反應，機房三相負載基本是平衡的，但零線總是發(fā)熱，常常在接頭處燒壞，或者是單相供電時、線路過熱，改用三相五線制供電后相線升溫正常了，零線發(fā)熱現(xiàn)象依然嚴重，零地電壓偏高，不僅影響微機運行的穩(wěn)定性，還可能因為零線長期處于高溫狀態(tài)下工作，出現(xiàn)絕緣層擊穿，接頭處燒壞引起零線開路使相電壓不平衡而損壞設備等安全隱患，嚴重時還可能引發(fā)火災。

根據(jù)電工學中所闡述的理論，三相電流互差120度，疊加后相互抵消，理論上零線電流應為零，實際上計算機房供電線路零線發(fā)熱卻總是比相線嚴重。機務人員在實際工作中也往往找不到零線發(fā)熱的原因及有效的解決方法。本文通過引入非線性負載的概念和模擬三相供電計算機房的工作狀態(tài)，用示波器觀察零線、相線的電流、電壓波形和相位關系從而得出零線和相線電流關系，解決零線發(fā)熱和零地電壓高的問題。

1 零線發(fā)熱的原因分析

三相負載平衡時零線電流為零的條件分析

電工學中所闡述的三相負載平衡時零線電流為零是有前提條件的：三相負載必須為線性負載且電阻和電抗部分均相等。換言之，大小相等且相位互差120度的三相正弦波電流疊加才會為零。

圖1 三相電流直角坐標系表示

用電負載可分為二類：一類為線性負載即電流與電壓成線性關系；另一類為非線性負載，電流與電壓成非線性關系。線性負載可以是電阻性質(zhì)的，電流和電壓同相位。也可以是電感性或電容性的，負載電流滯后或超前電源電壓一個相位角。當電源電壓為正弦波時（220/380V～市電可近似看成是正弦波）。電流也為正弦波，導通角都為180度，三相供電時電源電壓相位互差120度。用三角函數(shù)表示：

圖3 計算機電源等效電路及電壓電流波形

三相平衡的線性負載電流表達式為：

零線電流為三相電流之和，恒等于零，表達式為：

用直角坐標系表示可直觀看出，振幅相等且相位互差1200的正弦波電流，任意時刻代數(shù)和都為零，如圖1：

通過以上用系分析可得出：只有三相為完全相等的線性負載，三相電壓相位互差120度，零線電流才能為零。這里的完全相等指的是負載阻抗的電阻和電抗部分都要相等。屬于線性負載的有：白熾燈、電飯煲、用鐵芯鎮(zhèn)流器的日光燈，電風扇等。

圖2是三相都接上200W的白熾燈負載，從一相加載到三相加載時用示波器測得的零線電流波形圖。從圖中可看出，一相加載和兩相加載時電流基本相等，有效值都為1A左右，三相都加載時電流接近為零，與理論值基本相符。

用電負載的另一類為非線性負載，這類負載電流和電壓成非線性關系，即輸入電壓為正弦波時，負載電流為非正弦波。計算機就屬于這一類。

計算機的電源變換器為開關型穩(wěn)壓電源，即220V市電經(jīng)整流濾波得到280V左右的直流電壓，再經(jīng)震蕩、脈沖變壓器降壓，再次整流、濾波、穩(wěn)壓得到計算機底板所需的各種低壓差直流電壓。輸入等效電路，電壓、電流關系如圖3：

從圖中可以看出，只有輸入端電壓幅值高 于濾波電容C的端電壓時，電源才能經(jīng)整流管向電容C充電。電容取值越大放電時間常數(shù)就越大，維持的電壓就越高。充電時間就越短，導通角也就越小。

用示波器觀察微機220V電源輸入端的電流波形發(fā)現(xiàn)，每個半周期導通時間只有2.2ms（50Hz市電，半周期為10ms），折合成導通角為39.6°，峰值為2.25A，用數(shù)字電流表測得有效值為0.75A。而有效值為0.75A的正弦波電流其峰值Im=0.75*1.414=1.06A，此處的脈沖電流達2.25A，是相同有效值正弦波電流的2.12倍。更為嚴重的問題是導通角只有39.6°三相電流匯集到零線之后在時間軸上沒有重疊部分，不能抵消。零線電流的有效值是三相電流之和。三相負載平衡時，是相電流的3倍。這就是零線發(fā)熱，零地電壓高的原因。

為了能直觀地看到計算機房零線電流的變化情況，筆者用9臺微機，每相接3臺，模擬三相供電的計算機房用電情況，用示波器測得一相加載到三相都加載時的零線電流波形，見圖6。顯而易見，三相都加載時，零線電流只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(zhì)和截面積也一樣，那么，零線的電壓降、發(fā)熱量及損耗都為單根相線的3倍。

不僅計算機房的供電情況如此，大量使用節(jié)能燈、用電子鎮(zhèn)流器的日光燈、變頻空調(diào)等所有用電輸入端經(jīng)過AC-DC變換的電器設備，采用三相供電時，零線電流也遠大于相線電流。三相電流導通角＜60°時，零線電流為三相電流代數(shù)和。

2 解決措施

計算機屬非線性負載，電流導通角約40度，與相同功率的線性負載比，峰值電流為2.1倍，零線電流是三相電流之和，且不存在50Hz的基波成分，最低頻率成分變?yōu)镮mSin3ωt。要減少相線、零線發(fā)熱及零地電壓偏高的問題，最有效的辦法是加大供電線路的截面積。以相同的用電功率為參考，對于非線性負載，相線峰值電流增加了一倍多，截面積也應增加一倍以上為宜，零線截面積要為線性負載時的6倍以上。

下面以某高校電教室120臺微機為例，說明布線情況，設：電教室距總配電室30M；接地制式TN-C-S；每臺微機功耗：150w，總功率為：150W*120=18KW，每相功率：6 KW；相線電流有效值：6000W/220V=27.3A（電流峰值約60A）。

按線性負載常規(guī)布線：銅芯線電流密度取5A/MM2，線截面積27.3A/5=5.46mm2，

相線和零線都取截面積為 6 mm2的銅芯線。計算得線電阻為0.085Ω，零地電壓有效值U0=0.085Ω*27.3A*3=7.0V，零線損耗P0=27.32*0.085Ω*3=190W，線路總損耗P=190*2=380W。

按非線性負載布線：相線截面積取線性負載時的2.5倍，為 15 mm2，零線取三倍相線 截面積，為 45 mm2，零線電阻R=0.017*30/45=0.0113Ω，零地電壓有效值U0=0.0113*27.3*3=0.93V，零線損耗 P0=27.32*0.0113*3=25 W，線路總損耗P=25*2=50 W。

從上述兩種布線情況說明，按常規(guī)的布線方法是無法達到要求的，零地電壓有效值高達7V（峰值為14.8V），線損近400W，氣溫較高時，線路發(fā)燙是無疑的了，不僅設備運行的穩(wěn)定性受影響，久而久之，絕緣老化，就有可能出現(xiàn)擊穿短路、零線斷路等故障，甚至引發(fā)火災。

按非線性負載布線，零地電壓降到1V以下，達到規(guī)范規(guī)定要求。線路總損耗50 W左右，升溫甚少，消除了故障隱患。

能否用電容或電感補償，無源濾波器或隔離變壓器等來消除所謂的三次諧波呢？答案是否定的。

首先看電容或電感補償，其作用只能產(chǎn)生移相90°的正弦波電流以抵消負載中符號相反的電抗分量產(chǎn)生的無功功率，提高功率因素，不能抵消零線中的脈沖電流。不僅沒有作用，反而會增加無功功率、線損，零地電壓不降反升。

無源濾波器可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型。以三次諧波ImSin3ωt為濾除對象，如果用串聯(lián)型的，等于在回路中串入一個大電抗，問題在于：零線中只有“三次諧波”，沒有“基波”ImSinωt了，不讓“三次諧波”通過，后果是等于零線阻抗增加，越濾越糟糕。并聯(lián)型可為高次諧波另辟通道，不能減小零線電流。混合型為串聯(lián)型和并聯(lián)型合二為一，自然也是不能濾除零線中的“三次諧波”。

再看隔離變壓器：雖然接入它之后，從表面上看可以降低零地電壓，但此“零”非彼“零”，隔離變壓器之后的“零”是次級中線重新接地后的零，自然反應不出前端零線的對地電位差，從總配電房到計算機房的供電狀況并未得到任何改善。

綜合上述分析，要改善計算機房的供電質(zhì)量，降低零地電壓，最有效、最經(jīng)濟的辦法是加大供電線路截面積，投入少，效果立竿見影。接入濾波器，隔離變壓器等動輒幾萬元，效果甚微，甚至起反作用。

3 結(jié)語

通過分析上述電流、電壓波形我們可以得出，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3*50Hz，所以不能采用通過加濾波器等辦法解決上述問題。加大供電線路的截面積是最有效的辦法，加大相線截面積的同時零線截面積要加大到相線的三倍以上。這樣不僅可以降低零地電壓、解決零線發(fā)熱或在接頭處燒壞的問題，投入低，操作簡單易懂，在實際的施工中較容易實現(xiàn)。

目前正處于電氣化飛速發(fā)展時期，各種辦公自動化、家庭智能化電器普及面越來越廣泛，而這些電器的絕大多數(shù)屬于非線性負載，供電系統(tǒng)中零線電流也會出現(xiàn)類似于計算機房的情況，所以在電氣系統(tǒng)設計的初期就應充分考慮非線性負載帶來的問題，少走彎路，以防未然。