微機群用戶供電零線安全載流量的測量分析與研究

劉文青，劉泉海，祁廣科，董家輝

（陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000）

高職院校的計算機房利用率很高，一般開機都達12小時以上，夏天經常發生跳閘現象，零線溫度幾乎達700，為了解決這個問題，課題組對某大型機房做了專題分析并進行了多次實測。

1 微機群用戶用電負荷特點

微機群用戶的負荷有開關電源、UPS電流、交流穩壓器、變頻空調等，均為非線性設備[1]，此負荷的輸入電流為非正弦波形，即波形為削頂或脈沖疊加等形狀。

2 機房的零線

目前，國內機房一般常采用50 Hz交流電，380/220 V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[2]，因中性點是接地的，則該點又稱為零點，從零點引出的導線就稱為零線。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[3]，保護線是獨立的。

3 測量設備——電流變送器

為了準確測量機房的零線電流，我們選用了變送器。變送器是從傳感器發展而來的，凡能輸出標準信號的傳感器就稱為變送器[4]。無論什么儀表或裝置，只要有同樣標準的輸入電路和接口，就可以從各種變送器獲得被測變量的信息。這樣，兼容性和互換性大為提高，儀表的配置也極為方便。

4 數據測量

4.1 接線方案

為了能直觀地監測到計算機房零線電流的變化狀況，課題組對一個正在使用的大型計算機房做測量。我們隨機選用15臺計算機，每相接 5臺，測量三相供電的計算機房用電情況，將零線電流穿過有4個端子的HCS－ES5－10A電流變送器的中心孔后，繼續接到原USP電源上，給電流變送器加上5 V的直流電壓，在輸出端串聯一個50 Ω的電阻，將示波器并聯在此電阻的兩端測量電壓波形。電路如圖1所示。

圖1 測量電路圖Fig.1 Measurement circuit diagram

4.2 數據測量及分析

為了使測量數據更具說服力，我們測量了多次，抽出其中有代表性的兩組測量數據，分別以圖標的“.1”、“.2”標識兩組波形圖并做以對比。因為再次測量時所用的示波器頻率不同，第一組測量時用的是60 MHz,第二組測量時用的是100 MHz，因而波形有所不同。測量時，每相電流的數值在電源的指示窗上可以觀測到，為了便于分析比對，測量時要求每相相電流均達到一個固定值，第一組：要求每相相電流均達到5.4 A；第二組：要求每相相電流均達到5 A。

接著用示波器測出一相加載和三相都加載時的零線電流波形，如圖2和圖3所示。

圖2 一相加載時的零線電流波形Fig.2 A zero line current waveform of phase loads

圖3 三相都加載時的零線電流的波形Fig.3 Three-phase loads of zero line current waveform

利用計算機繪圖疊加，我們將圖2中的3個單相負載的零線電流波形即圖A.2、B.2、C.2的3個波形用EXCEL繪圖進行疊加，得到波形如圖4所示。

圖4 三個單相負載零線電流的疊加波形Fig.4 Three zero line current of single-phase load superposition

通過分析發現，三相都加載時的零線電流如圖3中的圖a.2與3個單相負載時的零線電流的簡單疊加波形如圖4完全相同，即三相都加載時的零線電流有效值為3個單相負載時的零相電流的簡單疊加。將圖2、圖3的頻率相比較[5]，或者從圖4分析，能夠得出：三相都加載時的零線電流頻率變為單相加載時零線電流頻率的3倍。

再次將一相加載時的相線電流與零線電流進行比較，如圖5所示。

圖5 一相加載時的相線電流和零線電流的波形Fig.5 A load of the phase line current and zero line current waveform

從圖5可以看出，一相加載時的相線電流與其零線電流幾乎完全相同。依據以上測量和分析，可推斷出：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。圖6、圖7對此結論可做進一步的驗證。

圖6 三相負載均衡時A相電流的波形Fig.6 When the load balancing A phase current waveform

圖7 三相負載均衡時的零線電流Fig.7 Three-phase load balance when the zero line current waveform

為進一步了解零線電流與線電流之間的關系，我們又測量了兩相加載時的零線電流波形，如圖8所示。

圖8 兩相加載時的零線電流波形Fig.8 Two phase loads of the zero line current waveform

從圖8可知，兩相加載時的零線電流幾乎完全相同，其中AB兩相加載與BC兩相加載時的零線電流波形在幅值、相位上幾乎完全相同，只有AC兩相加載時的零線電流波形與AB、BC兩相加載時的波形在相位上有所滯后，其它均完全相同。我們將圖8中的圖a.2、圖b.2及圖c.2的波形用計算機進行疊加，變成圖9中的圖a.2+b.2+c.2的波形，并與圖4相比較，發現：3個單相負載時零線電流的疊加與兩相負載（AB兩相加載、BC兩相加載、AC兩相加載）時零線電流的疊加在頻率和波形上基本相同，僅僅是幅值上相差1.4倍。

圖9 兩相加載（AB、BC、AC）時的零線電流及其疊加Fig.9 Two phase load(AB,BC,AC)at the time of the zero line current and its stack

5 數理分析

通過實測的波形發現:即使在負載均衡時,零線的電流也不為零，甚至零線的電流有時遠大于相電流。經研究和分析，我們認為，主要的原因是負載。因開關電源、UPS、交流穩壓器、變頻空調等是非線性設備，它們的輸入電流是波形削頂、疊加脈沖的非正弦波形。下面從數學理論分析非正弦波電流的特性。

我國的市電是220 V50 Hz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[6]。根據傅立葉級數變換，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。除3n次外的諧波是對稱的，其合成電流為零；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，造成導線過熱,甚至可能引起火災。

6 解決措施

高校微機房的負荷屬于非線性負載，零線電流是三相電流之和，且不存在50 Hz的基波成分，頻率變為基波的3倍，最低頻率成分變為150 Hz，要解決零線發熱的問題，最簡單有效的辦法是加大供電線路的截面積。通過上述測量與分析，我們可以得出，三相供電且負載平衡的計算機房，相線電流為非正弦波，匯集到零線后不能相互抵消，零線電流的有效值為相電流的3倍，其安全載流量即變為相電流的3倍，，所以用加濾波器的辦法也不能解決上述問題。最有效的辦法就是加大導線的截面積。按照發熱條件來選取導線，首先需將零線截面積加大到相線截面積的三倍。這樣不僅可以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。

7 結束語

課題組通過多次測量微機房的零線電流，并進行數理分析，得出零線電流的安全載流量應是相電流的3倍，提出將零線截面積加大到相線的三倍，得到解決高職院校計算機房夏天經常跳閘的最簡單的方法。

[1]李文堅.建設學校計算機房的幾點經驗[J].中國現代教育裝備，2008(11):29-31.

[2]戴紹基.建筑供配電技術[M].北京：機械工業出版社，2003.

[3]柳春生.現代供配電系統實用與新技術問答[M].北京：機械工業出版社,2012.

[4]姚彬.電子元器件與電子實習實訓教程[M].北京：機械工業出版社,2009.

[5]劉文青.劉泉海.計算機房供電零線發熱的研究及測量分析[J].電子測試，2014(255):229-236.

[6]于風林.認識三次諧波建好電源系統 [J].現代電視技術,2006(8):140-141.