關(guān)于零地電壓的討論

1、 第十章 關(guān)于接地、零地電壓和噪聲干擾的討論第一節(jié) 概述前面主要討論了UPS的功能和環(huán)境監(jiān)控，但很少有對(duì)零地電壓的監(jiān)控功能，是不是不這樣做就不對(duì)呢？這也未必。但往往有這種情況，UPS供電系統(tǒng)建立起來(lái)了，如果發(fā)現(xiàn)零地電壓比較高，多數(shù)用戶就會(huì)想當(dāng)然地就提出降低零地電壓的要求，理由是不降低零地電壓機(jī)器就無(wú)法工作。當(dāng)然，如果較高的零地電壓是由UPS本身產(chǎn)生的，這種降低零地電壓的工作就債無(wú)旁貸，但如果在裝機(jī)前，這個(gè)零地電壓就已經(jīng)存在，那就得另外想辦法解決，UPS絕無(wú)此能力。 為了使零地電壓不至于影響到作為負(fù)載設(shè)備的正常工作，就在其機(jī)器中裝設(shè)了零地電壓監(jiān)測(cè)電路環(huán)節(jié)，只要零地電壓超過(guò)了機(jī)器的設(shè)定值，這臺(tái)機(jī)器

2、就無(wú)法啟動(dòng)，這就更加重了零地電壓影響的神秘性。比如有的服務(wù)器設(shè)定值是1.2V，就真的超過(guò)這個(gè)值機(jī)器無(wú)法開機(jī)，當(dāng)零地電壓值降到1.2V一下時(shí)，開機(jī)就正常了。這個(gè)設(shè)定值有的規(guī)定為小于4V，也有的規(guī)定為小于1V。 恰恰相反，也有的機(jī)器就沒(méi)有設(shè)定零地電壓的限值，工作也很好。比如某IDC中心機(jī)房的零地電壓在4V以上，一年運(yùn)行下來(lái)都非常正常；又如有的證券公司的計(jì)算機(jī)機(jī)房零地電壓在10V左右，但UPS已購(gòu)置近一年，一年后才發(fā)現(xiàn)該問(wèn)題，當(dāng)?shù)弥愕仉妷簩?duì)及器有影響時(shí)才“嚴(yán)加注意”，在無(wú)條件解決的情況下，才覺得惶惶不可終日。但畢竟機(jī)器一直在正常工作。 是不是可以說(shuō)，在沒(méi)有監(jiān)控的情況下就沒(méi)有影響，在有監(jiān)控的情況下就

3、有影響呢？當(dāng)然不是，這個(gè)問(wèn)題留待下面討論。一、接地的基本概念接地的種類按其作用可分為兩類：功能性接地和保護(hù)性接地。（1）功能性接地 保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的接地或系統(tǒng)的低噪音接地稱為功能性接地。將TN系統(tǒng)的中線接地稱為系統(tǒng)接地；利用大地做導(dǎo)體，在正常情況下有電流通過(guò)的稱為工作接地；比如將電子設(shè)備的金屬底板作為邏輯信號(hào)的參考點(diǎn)兒進(jìn)行的接地，稱為邏輯接地；使電纜屏蔽層或金屬外皮接地，從而達(dá)到電磁屏蔽的目的，稱為屏蔽接地。（2）保護(hù)性接地 為了防止人、畜或設(shè)備因電擊而造成傷亡或損壞的接地稱為保護(hù)性接地。其中將電器設(shè)備的外殼接地或街道PE、PEN線的稱為保護(hù)接地；為引導(dǎo)雷電流而設(shè)置的接地稱為防雷接地；在PE

4、或PEN線上一點(diǎn)或多電接向大地稱為重復(fù)接地。除特殊情況外，一個(gè)建筑物只能存在一個(gè)接地系統(tǒng)，以免引入不同電位而導(dǎo)致人身和設(shè)備事故。圖10-1示出了通常帶有地線的交流電源原理圖。由圖中可以看出，交流電壓在變壓器的次級(jí)就將零線接地了。地線是交直流電源安全供電的保障。實(shí)際上，用電設(shè)備從功能上講是不需要地的，他們只需要火線和零線就夠了。但由于供電系統(tǒng)不是理想的“綠色”電源，經(jīng)常遭受著外界風(fēng)沙、雷電及各種干擾的影響，是這些影響給機(jī)器和人類帶來(lái)了麻煩甚至生命的危險(xiǎn)。比如風(fēng)沙在供電裸線電纜上的摩擦?xí)a(chǎn)生干擾，雷電在供電電纜上可感應(yīng)出上萬(wàn)伏的高壓，工業(yè)和交通干擾會(huì)沿傳輸電纜送往用電器，以上這些干擾都以共模的形式

5、去影響負(fù)載。圖10-1示出了將共模干擾通過(guò)電容器引入地的方法；潮濕的天氣會(huì)使電源和機(jī)殼之間產(chǎn)生漏電，嚴(yán)重的情況是或線于諸如機(jī)殼之類的外殼“搭線”如果機(jī)殼是“懸空”的，一旦人員接觸上去就會(huì)有生命危險(xiǎn)；為了信號(hào)的傳輸使各設(shè)備之間有一個(gè)共同的“綠色”地，也需將這個(gè)地上的各類干擾引入“大地”。機(jī)柜外殼UAUBCNUCNCNNECN變電站地樁 圖10-1 交流電源原理圖 為了使這些干擾順利進(jìn)入大地，接地電阻是一個(gè)重要的指標(biāo)。在”GBJ79工業(yè)企業(yè)通信接地”與“GB0065交流電力工程接地”中都對(duì)接地電阻的最大允許制作了規(guī)定，如表10-1所示。 表 10-1 接地電阻的最大允許值接地裝置名稱接地電阻最大允

6、許值（W）335kV配電所高、低壓共用接地系統(tǒng) 4335Kv線路桿、塔在居民區(qū)的接地系統(tǒng) 30PE或PEN線的重復(fù)接地 10 電子設(shè)備型號(hào)接地4（在與防雷蒂共用時(shí)為1） 屏蔽體、高頻電爐、X光設(shè)備以及10100Kv試驗(yàn)設(shè)備等的接地 4 防靜電接地10 建筑物防直擊雷沖擊接地電阻 10（第一、二類）30（第三類） 建筑物防雷電波侵入沖擊接地電阻10（第一、二類）30（第三類）建筑物防雷電感應(yīng)工頻接地電阻10（第一類）應(yīng)當(dāng)指出的是，關(guān)于接地電阻的最大允許值，除特殊要求外，如果建筑物內(nèi)實(shí)現(xiàn)了等電位連接，被連接的導(dǎo)體便形成了等電位體而代替了大地。此時(shí)，等電位體的電位就成為參考電位，這時(shí)的接地電阻允許值

7、已無(wú)意義。正因如此，IEC標(biāo)準(zhǔn)及其他發(fā)達(dá)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都已不再規(guī)定接地電阻允許值。二、系統(tǒng)接地分類在UPS的安裝中，在不同的情況、不同的地點(diǎn)也會(huì)遇到各種不同的接地系統(tǒng)，比如TN-S系統(tǒng)、TN-C系統(tǒng)、TN-C-S系統(tǒng)、TT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)等。圖10-2示出了這幾種接地方式的供電系統(tǒng)，為了使概念比較清晰一些，首先將圖中的幾個(gè)主要符號(hào)作一說(shuō)明，主要接地方式由兩個(gè)字母組成： 第一個(gè)字母：T 表示供電系統(tǒng)有直接接地點(diǎn)， I 表示所有火線部分與地隔離，且無(wú)保護(hù)接地線；第二個(gè)字母： T 表示外露可導(dǎo)電部分（如機(jī)架、機(jī)殼等）直接接地， N-表示外露可導(dǎo)電部分（如機(jī)架、機(jī)殼、機(jī)座等）直接接到系統(tǒng)地線上。外露可導(dǎo)電部分

8、電力系統(tǒng)接地點(diǎn)阻抗PEABC外露可導(dǎo)電部分電力系統(tǒng)接地點(diǎn)NPE PE PEABCN外露可導(dǎo)電部分電力系統(tǒng)接地點(diǎn)外露可導(dǎo)電部分電力系統(tǒng)接地點(diǎn)PE PE PEN PE ABCNABCN（a） TN-S 系統(tǒng) （e） IT系統(tǒng) （b） TN-C系統(tǒng) （d） TT系統(tǒng) NPEN PE PEABC外露可導(dǎo)電部分（c） TN-C-S系統(tǒng)圖10-2幾種接地方式的供電系統(tǒng)（1）TN-S系統(tǒng)又稱三相五線系統(tǒng)，即三條相線A、B、C，一條中線N和一條保護(hù)線PE，僅地線PE的一點(diǎn)接地，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分（如機(jī)架、機(jī)殼、機(jī)座等）接到PE線上，如圖10-2（a）所示。這種連接的好處是正常工作時(shí)在PE線上沒(méi)有電流，因

9、此設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分也不呈現(xiàn)對(duì)地的電壓。出現(xiàn)事故時(shí)也容易切斷電源，因此比較安全。但費(fèi)用較高，多用于環(huán)境條件比較差的場(chǎng)所。此外，由于PE線上不呈現(xiàn)電流，有較強(qiáng)的電磁適應(yīng)性，有利于數(shù)據(jù)處理、精密監(jiān)測(cè)裝置的供電。（2）TN-C系統(tǒng)又稱三相四線制系統(tǒng)，與TN-S系統(tǒng)的差別是將N線與PE線合并成一根PEN線，如圖10-2（b）所示。當(dāng)三相負(fù)載不平衡或僅由一相帶用電設(shè)備時(shí)，PEN上有電流，在一般情況下，如果選用適當(dāng)?shù)拈_關(guān)保護(hù)裝置和足夠的導(dǎo)線截面積，也能達(dá)到安全要求，目前國(guó)內(nèi)采用這種方式的不少。（3）TN-C-S系統(tǒng)也稱四線半系統(tǒng)，即在TN-C系統(tǒng)的末端將PEN線分為PE和N，如圖10-2（c）所示。但分

10、開后再也不允許合并。這種系統(tǒng)兼有TN-C系統(tǒng)的價(jià)格便宜和TN-S系統(tǒng)的比較安全特點(diǎn)，而且電磁適應(yīng)性也比較強(qiáng)，常用于線路末端環(huán)境較差的場(chǎng)合或有數(shù)據(jù)處理等設(shè)備的系統(tǒng)。（4）TT系統(tǒng)是三相四線制中線直接接地的系統(tǒng)，這種系統(tǒng)的應(yīng)用較廣。用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分采用各自的PE線接地，如圖10-2（d）所示。由于設(shè)備各自的PE線互不相關(guān)，因此電磁適應(yīng)性比較好。但是故障電流取決于電力系統(tǒng)的接地電阻和PE線的接地電阻，其值往往很小，不足以使數(shù)千瓦用電設(shè)備的保護(hù)裝置和電源斷開。為了保護(hù)人身安全，必須采用殘余電流開關(guān)作為線路及用電設(shè)備的保護(hù)裝置，否則就只適用于給小負(fù)荷供電。(5) IT系統(tǒng)供電系統(tǒng)無(wú)接地線或相線經(jīng)

11、過(guò)高阻抗接地，用電設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分經(jīng)過(guò)各自的PE線接地，如圖10-2（e）所示。當(dāng)任何一相故障接地時(shí)，大地即作為相線工作，所以仍能繼續(xù)運(yùn)行。如果另一相又接地，則因形成相間短路而造成危險(xiǎn)，故必須設(shè)置單相接地的監(jiān)測(cè)裝置，以便當(dāng)單相接地時(shí)發(fā)出警報(bào)。這種系統(tǒng)甚為可靠，而且停電的機(jī)會(huì)很少，多用于煤礦和工廠用電等希望盡量減少停電的地方。同時(shí)由于各設(shè)備的PE線分開，彼此沒(méi)有干擾，電磁適應(yīng)性也比較強(qiáng)。三、設(shè)備的接地（1） 電子設(shè)備的接地一般都把“地”定義為電路或或系統(tǒng)的零電位參考點(diǎn)，所謂接地就是兩點(diǎn)間建立傳導(dǎo)通路，以便將電子設(shè)備或元件連接到“地”。如前面所述，接地的目的無(wú)非是保護(hù)操作人員的安全和抑制各類（

12、主要是電磁）干擾，另外還提供電子測(cè)兩種的電位基準(zhǔn)，即“基準(zhǔn)地”。圖10-3示出了“基準(zhǔn)地”的連接方法。1. 獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地 這種方式也稱為單點(diǎn)接地，如圖10-3（a）所示。就時(shí)說(shuō)，在一個(gè)電路系統(tǒng)中只允許有一個(gè)物理點(diǎn)備定義為接地參考點(diǎn)。這種接地方式的優(yōu)點(diǎn)是個(gè)電路的地電位置于本電路系統(tǒng)的地線阻抗有關(guān)，不受其他電路的影響。其缺點(diǎn)是需要多條接地電線，增加了遠(yuǎn)離接地點(diǎn)的地線長(zhǎng)度和電阻，有時(shí)也增加了地線間的干擾耦合，在高頻情況下，地線阻抗大大增加。123N123N（a） 獨(dú)立地線并聯(lián)一點(diǎn)接地 （b） 獨(dú)立地線并聯(lián)多點(diǎn)接地圖10-3 基準(zhǔn)地線的接地方式2. 多點(diǎn)接地 多點(diǎn)接地是指在某一系統(tǒng)中，各個(gè)需要

13、接地的點(diǎn)都直接接到距離它最近的接地平面上，以使接地線的長(zhǎng)度最短，如圖10-3（b）所示。接地平面可以是貫通整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良導(dǎo)電的金屬板或很寬且具有一定厚度的銅帶。由于接地線最短，就適用于高頻情況。其缺點(diǎn)是易構(gòu)成各種地回路，造成低頻地環(huán)路干擾。一般來(lái)說(shuō)，工作頻率在1MHz以下時(shí)，可采用一點(diǎn)接地的方式；工作頻率在10MHz以上時(shí)，就應(yīng)采用多點(diǎn)接地的方式。一點(diǎn)接地時(shí)，接地線的長(zhǎng)度都應(yīng)小于0.05l（對(duì)應(yīng)工作頻率的波長(zhǎng)），否則就必須采用多點(diǎn)接地方式。接地線應(yīng)于接地平面平行，以便使接地引線到接地平面的阻抗更小。這是因?yàn)榈叵薜浇拥仄矫娴奶卣髯杩筞=(L/C)1/2,式中L使引線電感，C是引線與接地平面之間的

14、電容。由于而導(dǎo)體平行時(shí)的電容最大，故導(dǎo)致了阻抗的減小。機(jī)殼地高頻接地A B圖10-4 視頻回路混合接地方式3. 混合接地 如果電路的工作頻率很寬，在低頻段需采用一點(diǎn)接地，而在高頻時(shí)則又需用多點(diǎn)接地，遇有此種情況就可采用混合接地的方法，如圖10-4所示。該圖是一個(gè)視頻回路混合接地方式的例子，在這個(gè)例子中，既有一點(diǎn)接地（機(jī)殼和同軸電纜外皮左端接于A），有又多點(diǎn)接地（A和B）；既有低頻接地（機(jī)殼和同軸電纜外皮左端接于A），又有高頻接地（視頻信號(hào)通過(guò)電容接地B），這樣就兼顧了兩個(gè)方面的內(nèi)容。 （2）地線回路干擾和隔離干擾的措施 不論甚麼樣的地線形勢(shì)和材料（超導(dǎo)條件除外）都會(huì)存在電阻和電抗，當(dāng)有電流流過(guò)

15、地線時(shí)，就會(huì)在地線上形成電壓降。地線還可能與其他線路形成回路，當(dāng)交變磁場(chǎng)與回路交鏈時(shí)，就會(huì)在地線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而就會(huì)使各公用地線上的電路單元中產(chǎn)生相互干擾。因而減小地線干擾的措施就可歸納為：減小地線阻抗和電源線阻抗，正確選擇接地方式和隔離地回路等。 1. 減小接地線竹康的措施 采用寬厚比大的扁銅帶制造低阻抗地線，其電阻和電感量都會(huì)很小，也可以采用實(shí)心平面狀接地板； 2. 減小電源線阻抗的方法 在多個(gè)電路單元共用一個(gè)直流電源的情況下，要求電源的饋線電阻盡量小，以避免共用電源成為電路間的噪聲干擾耦合通道。因而，電源饋線應(yīng)采用長(zhǎng)寬比?。唇孛娣e大）的扁銅體，并在滿足耐壓要求的前提下盡可能減小正

16、負(fù)饋線之間的距離，這樣就可以減小饋線的回路面積，有利于抑制地回路干擾。 3. 減小地線中低頻干擾的方法 隔離變壓器法對(duì)于地線中的低頻干擾，一般采用隔離變壓器的方法進(jìn)行隔離，如圖10-5(a)所示。圖中變壓器初級(jí)的接地點(diǎn)也可能在前面某一個(gè)地方，為了便于討論，在這里用虛線電路1電路2UgUsRLUgUnC I I(a) 變壓器耦合 (b) 等效電路圖10-5 采用隔離變壓器組閣地環(huán)路畫出；變壓器的次級(jí)也直接接地，Ug是等效的地線干擾電壓。圖(b)是等效電路，由該圖可以看出，Ug是加在變壓器兩個(gè)繞組之間的電壓源，變壓器初級(jí)繞組是一個(gè)電壓源的輸出，內(nèi)組可以看成是一條短路線。在低頻時(shí)，變壓器初次級(jí)間電容

17、C的容抗 （10-1）與電容的容量C和干擾頻率¦的乘積呈反比，由于電容C的容量很小，干擾頻率¦的職也很低，所以變壓器初次級(jí)間電容C的容抗只就很大，加在負(fù)載上的干擾電壓信號(hào)電壓強(qiáng)度Un就很低，即 （10-2） 由于在低頻時(shí)XC>>RL，則，所以加在負(fù)載上的干擾電壓信號(hào)電壓強(qiáng)度Un»0，于是就達(dá)到了隔離低頻干擾的目的。 但是，如果干擾頻率很高，當(dāng)該頻率升高時(shí)，由式（10-1）可以看出，電容C的電抗XC隨著干擾頻率¦的升高而減小，當(dāng)該頻率升高到一定之后，就開始出現(xiàn) （10-3） 的局面，這是加到負(fù)載上的干擾電壓Un»Ug，這時(shí)變壓器就失去

18、了隔離線干擾的能力。應(yīng)當(dāng)指出的是，這里討論的是變壓器隔離低頻地線干擾，而不是由線路上來(lái)的常模低頻干擾，因?yàn)檫@種干擾可以按照變壓器的變比直接送到負(fù)載上，根本無(wú)法隔離；另外，高頻常模干擾同樣像前面一樣通過(guò)變壓器初次級(jí)間電容C直接送到負(fù)載。就是說(shuō)，變壓器對(duì)于由線路上來(lái)的常模干擾無(wú)任何隔離能力。 縱向扼流圈法當(dāng)?shù)鼐€傳輸信號(hào)中含有直流分量時(shí)，用變壓器法就無(wú)效了，由于直流分量會(huì)使變壓器鐵心飽和，從而造成故障。遇有此種情況，就可以采用“縱向扼流圈法”，如圖10-6（a）所示。由圖中可以看出，扼流圈兩個(gè)繞組的饒向（同名端）和匝數(shù)均相同，當(dāng)信號(hào)電流通過(guò)兩個(gè)繞電路1電路2縱向電流干擾縱向電流干擾 L1 Rc1 U

19、n Us RL L2 Rc2 UgM（a）實(shí)際關(guān)系（b）等效電路圖10-6 縱向扼流圈阻隔地環(huán)路干擾組時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)正好抵消，如圖10-6（b）所示，地線等效干擾電壓Ug所引起的干擾電流流經(jīng)兩個(gè)繞組時(shí)，所產(chǎn)生的磁場(chǎng)同相疊加，使扼流圈對(duì)干擾電流呈現(xiàn)出較大的感抗，由于其感抗XL與頻率及電感正比關(guān)系，即 （10-4） 并且隨著干擾頻率的增加而加大,如圖10-7所示就是干擾信號(hào)衰減的理論計(jì)算曲線。由圖中可以看出加到負(fù)載上干擾信號(hào)強(qiáng)度Un的趨勢(shì)。但由于繞組間存在著分布電容C，則電感的作用就不單單是感抗，而是一個(gè)C和L并聯(lián)的阻抗，如圖10-8(a)所示，1.00.540200 0 1 2 3 4 5Un

20、 / Ug¦¤¦c圖10-7 干擾信號(hào)衰減的理論計(jì)算曲線其阻抗值為 （10-5）式中 Z 縱向電感L的等效阻抗（這里略去了分布點(diǎn)組），XL 縱向電感的感抗， XC 縱向電感匝間分布電容的容抗， 干擾信號(hào)Ug的頻率。為了求出該縱向電感L對(duì)干擾信號(hào)的最大衰減阻抗Zmax，將式（10-5）對(duì)頻率取導(dǎo)數(shù)，并令其為零，即Z= 0經(jīng)這里后就得出 （10-6）式中就是縱向電感的特征角頻率wT =2pT ，所以，當(dāng)干擾信號(hào)頻率=T 時(shí)，該縱向電感對(duì)干擾信號(hào)的衰減能力最強(qiáng)，如圖10-8(b)所示曲線的峰值。當(dāng)干擾信號(hào)頻率 >T 時(shí)，其感抗變得越來(lái)越大，而容抗卻變得越來(lái)越小，由

21、式（10-5）可以看出 （10-7）CLUg RL(a) 電感的等效電路圖100806040200 10 30 100 300 1K 3K 10K 30K 100K 300K 1M衰減（dB)頻率（Hz）(b) 實(shí)測(cè)曲線圖10-8 縱向扼流圈抑制干擾的能力雖然分子部分是隨著頻率的升高而升高的，但分母部分是按照頻率的平方而增大的，因此總的結(jié)果是下降的，這就是圖10-8(b)曲線在峰值以后的實(shí)測(cè)下降部分。 （3）供電系統(tǒng)的中性點(diǎn)接地 一般供電系統(tǒng)都要求中性電接地，大都是在變電站低壓輸入變壓器的次級(jí)接地了。這是一種工作接地，保證電力系統(tǒng)及其設(shè)備在正常和故障狀態(tài)下具有適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行條件。供電系統(tǒng)中性點(diǎn)接地

22、方式的選擇是一個(gè)綜合性的技術(shù)經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，它主要考慮的條件是： 1.供電的可靠性；2.涉及設(shè)備制造和建設(shè)投資的絕緣水平與絕緣配合；3.對(duì)繼電報(bào)護(hù)的影響；4.對(duì)通信和信號(hào)系統(tǒng)的干擾；5.對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響等。供電系統(tǒng)中實(shí)際采用的中性點(diǎn)接地方式由許多種，主要有直接接地、不接地和經(jīng)消弧線圈接地三種。其他派生的還有靜電阻或電抗接地，但如果從主要運(yùn)行特性劃分，就有有效接地系統(tǒng)和非有效接地系統(tǒng)等量大類。1.有效接地系統(tǒng) 也稱為大電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)直接接地和經(jīng)小阻抗接地都屬于這一類，其劃分標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)的零序電抗*（X0）和正序電抗（X1）的比值X0/ X1£ 3，且零序電阻（R0）和正序電阻（R1）的比

23、值R0/ R1£ 1。這類接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部過(guò)電壓較低，可以降低設(shè)備的絕緣水平，從而節(jié)約了投資，在110Kv以上系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。2.非有效接地系統(tǒng) 也稱為小電流接地系統(tǒng)，中性點(diǎn)不直接接地、經(jīng)消弧線圈接地或高阻抗接地都屬于這一類。其劃分標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)的零序電抗*（X0）和正序電抗（X1）的比值X0/ X1系統(tǒng)的零序電抗*（X0）和正序電抗（X1）的比值X0/ X1>3，且零序電阻（R0）和正序電阻（R1）的比值R0/ R1>1。這類接地系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是供電可靠性較高，在絕緣投資所占比重不大的110kV以上系統(tǒng)中得到了普遍應(yīng)用。* 注：零序電抗（X0）和正序電抗（X1

24、）的定義見“電氣工程師手冊(cè)”398頁(yè)，機(jī)械工業(yè)出版社 2000年6月出版 （4）中性點(diǎn)接地對(duì)設(shè)備的影響 中性點(diǎn)接地方式對(duì)設(shè)備的影響，主要由有效和非有效兩類接地系統(tǒng)在單相接地短路與內(nèi)部過(guò)電壓兩方面的巨大差異引起。有效接地系統(tǒng)單相接地短路電流大，最大值可能達(dá)到或超過(guò)三相短路電流，而內(nèi)部過(guò)電壓不高；非有效接地系統(tǒng)單相接地電流很小，中性點(diǎn)不接地時(shí)為電容電流，經(jīng)銷弧線圈接地時(shí)為補(bǔ)償后的殘流，但內(nèi)部過(guò)電壓很高（特別是不接地時(shí)）。因此，不同接地方式對(duì)設(shè)備的影響可歸納為表10-2。表10-2不同接地點(diǎn)方式對(duì)設(shè)備的影響比 較 項(xiàng) 目中 性 點(diǎn) 接 地 方 式直 接 接 地經(jīng) 消 弧 線 圈 接 地不 接 地?cái)?

25、路 器 工 作 條 件按I(1)d、I(3)d中最大之校核遮斷容量，動(dòng)作次數(shù)多按I(3)d考慮遮斷容量，不經(jīng)常動(dòng)作按I(3)d考慮遮斷容量，動(dòng)作此書比較多單相接地后果與供電可靠性單相接地要跳閘，影響供電可靠性大部分接地故障能自動(dòng)消除，供電可靠性高單相接地產(chǎn)生中性電位移，供電可靠性較高 高壓電器設(shè)備絕緣一般可降低全絕緣 閥型避雷器的滅弧特性可按80%線電壓采用不低于100%最高運(yùn)行相電壓注： I(1)d、I(3)d中分別為單相、三相短路電流第二節(jié) 零線電流和零地電壓的構(gòu)成一、零線上的電流 這里所討論零線上的電流首先是假設(shè)在低頻（50Hz或60Hz）情況，討論在這種情況下的三相電流相等、三相電流不

26、相等、一相電流為零和兩相電流為零時(shí)，在零線上的流動(dòng)情況，從而確定零線線徑的選擇依據(jù)。 （1）三相電流相等時(shí)在三相四線制供電系統(tǒng)中，當(dāng)三相電壓穩(wěn)定在額定值時(shí)且負(fù)載平衡時(shí)，盡管各負(fù)載電流Ia 、Ib 、Ic都通過(guò)零線形成回路，如圖10-9所示，但由于各電流的相位差互為180°，他們的矢量和為零，即?a+ ?b + ?c = 0 （10-8）UAUBCNUCNCN變電站R Ia Ib IcA IN B N E圖10-9 D-Y變壓器變換的供電系統(tǒng)原理圖如圖10-10（a）所示，由于中心點(diǎn)正好是等邊三角形的中心，零線上應(yīng)無(wú)電流通過(guò)，這是最理想的情況。既然零線上無(wú)電流流動(dòng)，當(dāng)然也就無(wú)電壓降產(chǎn)生

27、； （2）三相電流不相等時(shí)但在實(shí)際應(yīng)用中，單相電的用戶居多，而且又是分別分布在三個(gè)相電壓上，這就造成了三相用電的不均衡。于是就提出了一個(gè)問(wèn)題：零線的線徑究竟選多大為適宜，有的說(shuō)選和火線一樣的線徑即可；但也有的說(shuō)：由于三相電流都要經(jīng)過(guò)零線，所以應(yīng)選擇三倍于火線粗細(xì)的零線才行。因此，必須首先知道零線上的最大電流值，才可有的放矢做到心中有數(shù)。由前面的討論可知，當(dāng)三相電流相等時(shí)，零線上的電流為零，只要三相電壓上都有負(fù)載，就有互相抵消的性能。由于假定三相電壓穩(wěn)定在額定值且互相獨(dú)立，所以其三相電流的矢量公共點(diǎn)一直位于等邊三角形的中心點(diǎn)上，如果其中有一相電流減小，如圖10-10（b）所示的A相電流減小到?&

28、#180;a< ?a時(shí)，在零線上的電流矢量和 ?b + ?c -?´a= ?n< ?a 、 ?b 、?c （10-9） 小于任一相的額定電流。 （3）一相電流為零時(shí)圖10-10（c）示出了C相電流為零的情況（任意一相均可），這時(shí)若其他兩相的電流為額定值，那末流入零線的電流就是相差120°的?a和?b兩個(gè)電流矢量和，由矢量圖可以看出，由于這是一個(gè)菱形結(jié)構(gòu)，120°的加角被矢量和?n均分后構(gòu)成了兩個(gè)全等的等邊三角形，因此也就形成了 ?n= ?a= ?b （10-10）的結(jié)果?？梢钥闯觯?dāng)一相電流為零時(shí)，零線上的電流等于一相上的額定電流。如果該兩相的電流不相

29、等，并且其中一相小于額定值，同樣可以證明零線上的合成電流小于一相的額定值。 (4)兩相電流為零時(shí) 當(dāng)兩相電流為零時(shí)，電路就變成了如圖10-10（d）的簡(jiǎn)單形式，在這種情況下，零線上的電流就是相線上的電流。 由上面的討論可以看出，在三相電壓為穩(wěn)定而相等的額定值情況下，零線上的電流最大值就是一相上的額定電流值。?c?a?bo?´a?c?b- ?´a?bc?n?c?b ?a?´a 60°60°?a?b?n?´a?´b（a） 三相電流相等的情況 （b） A相電流小于額定值時(shí)的情況UaN?a（c） C相電流為零的情況 （d） B、C兩

30、相電流為零時(shí)的情況圖10-10 三相電流示量圖 二、零線的選擇和零地電壓的形成 （1）零線和零線電壓 零線是三相四線制供電電源的中線，是380V/220V三相供電制輸出220V的必要條件。由圖10-11(a)可以看出，三相電壓的線電壓和相電壓是一個(gè)等邊三角形的邊線和由中心點(diǎn)連向各頂點(diǎn)的關(guān)系，因此，線電壓和相電壓的關(guān)系就是： Uab= Ubc= Uca=U線 UaO= UbO= UcO=U相且 U線 =U相 （10-11） 在正常情況下這是個(gè)固定關(guān)系，此時(shí)的中（零）上無(wú)電流流過(guò)，也不會(huì)有零線電壓。但這個(gè)關(guān)系也往往被破壞，比如圖10-11(b)所示三相電壓不均衡的情況，這種現(xiàn)象多是UcUaUboU

31、cUaUbo(a) 三相電壓均衡的情況 (b) 負(fù)載端三相電壓不均衡的情況圖10-11 三相電壓的線電壓和相電壓的關(guān)系圖由于三相負(fù)載的嚴(yán)重不均衡引起，因?yàn)樵趥鬏旊娎|距離長(zhǎng)、導(dǎo)線接面積不足夠大的情況下，其分布電阻在大電流時(shí)就顯得明顯了，負(fù)載端的電壓電源（比如變電站）電壓與傳輸電纜上的壓降之差，傳輸電纜上的壓降增大了，負(fù)載端的電壓當(dāng)然就小了。造成了中心點(diǎn)的移位，零線上就有了電流，當(dāng)然也就有了電壓。另一方面，由于包括UPS在內(nèi)的大量電子設(shè)備的應(yīng)用，整流負(fù)載幾乎成了污染電網(wǎng)的公害。如圖10-12 所示電源帶整流負(fù)載的情況，其中有單相整流負(fù)載和三相整流負(fù)載，不論是哪一種，只要沒(méi)有采用功率因圖10-12

32、電源帶整流負(fù)載的情況數(shù)校正措施，就會(huì)按照式（10-12）的規(guī)律產(chǎn)生高次諧波，即 Hn = 2N±1 （10-12） 式中：Hn n次諧波 N 整流相數(shù)整流為單相時(shí)，諧波次數(shù)為1，3，5，7， ；整流為三相時(shí)，諧波次數(shù)為5，7， ；整流為六相時(shí)，諧波次數(shù)為11，13， 。可以看出，整流相數(shù)越多，所產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)越高，由于諧波的能量是隨著諧波次數(shù)的增高而減小的，所以，整流相數(shù)的增多對(duì)提高輸入功率因數(shù)由好處，這也就是為甚麼許多UPS為了提高輸入功率因數(shù)而將6脈沖（三相）整流改為12脈沖（六相）整流的原因。 從另一方面看，整流相數(shù)的增多提高了對(duì)零線電纜的要求，因?yàn)檫@些諧波電流都要流經(jīng)零線

33、而形成回路，在高次諧波下，零線電纜上分布電感的感抗:XL=2nL的作用開始顯露出來(lái)。式中：XL 零線分布點(diǎn)感的感抗， n 諧波頻率，Hz在高頻下，導(dǎo)線上會(huì)出現(xiàn)集膚效應(yīng)，即電流在高頻時(shí)，再也不是均勻地分布在導(dǎo)線的整個(gè)截面積上，而是集中在距導(dǎo)線中心一定距離的外皮深度上，這個(gè)外皮的厚度（稱為透入深度）d為 （10-13）式中： d 透入深度，mm; 衰減常數(shù)，Np/m;w 角頻率，w =2，rad/s； m 導(dǎo)磁率，H/m; g 電導(dǎo)率，MS/m. 由上是可以看出，頻率越高，透入深度就越小，導(dǎo)線的利用率就越低，即電阻就越大，在同樣電流下所造成的電壓降就越大。尤其是在頻率更高的常模干擾和共模干擾的情況

34、下，在零線上造成的電壓降就更高。由此看來(lái)，零線電纜規(guī)格的選擇就需要綜合考慮，尤其要了解用電環(huán)境的實(shí)際情況。一般選擇比相線粗的電纜作零線是有利的。 （2）零地電壓的形成 我國(guó)的供電一般在變電站（或類似變電站的供電點(diǎn)）的D-Y變壓后，其次級(jí)繞組的中點(diǎn)就地和大地E相聯(lián)，如圖10-13的NO點(diǎn)。然后由此引出兩條線，一條零線NC和一條地線OO，在此將接地作為交流參考點(diǎn)，由零線和相線一起作為設(shè)備的供電NE o o變電站UNEA B CUEUNUA圖10-13 零地電壓及其傳輸路徑電源。作為一個(gè)例子，在該圖中的三相分別帶了單相負(fù)載，如果定義由變壓器流出的電流方向?yàn)檎悄┯闪憔€流回中點(diǎn)N的得電流方向就為負(fù)，

35、如圖中箭頭方向所示。很明顯，電流的數(shù)值由左至右是逐漸加大的，所以電壓也是由左至右是逐漸加大的。如果以o點(diǎn)為參考（因要求接地線又粗又短，故可把No看作一點(diǎn)），于是就有零地電壓UNE逐漸增大的關(guān)系，即 UAO < UBO < UCO如果地線oo的截面積足夠大，就可以將這條線看作一個(gè)點(diǎn)，這樣，零地電壓UNE就是由左至右是逐漸加大的。當(dāng)然，如果No不相聯(lián)接，即零線懸空，此時(shí)就測(cè)不出零地電壓UNE。第三節(jié) 零地電壓對(duì)用電設(shè)備的影響一、零地電壓的傳輸路徑 在很多電子設(shè)備（尤其是計(jì)算機(jī)）負(fù)載用戶配備UPS之類的交流電源院時(shí)，大都對(duì)零地電壓提出了很高的要求，不少用戶希望這個(gè)值小于1V。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為

36、零地電壓是影響機(jī)器運(yùn)行可靠性的注要因素，甚至有的服務(wù)器在零地電壓高于某一值（比如1.2V）時(shí)就無(wú)法啟動(dòng)。有時(shí)機(jī)器出了故障也歸罪于零地電壓太大。究竟零地電壓對(duì)作為負(fù)載的電子設(shè)備有多大的影響，是如何影響的，只有明白了這一點(diǎn)才可有的放矢地去尋找解決方法。若達(dá)此目的就要首先搞清楚零地電壓的傳輸路徑。目前電子設(shè)備和供電電源的連接方式有兩種：負(fù)載為輸入端有隔離變壓器的情況和負(fù)載電源中間有隔離變壓器的情況，如圖10-14所示，先分別進(jìn)行討論。變電站UNE轉(zhuǎn)換電路Ti(a) 負(fù)載輸入端有隔離變壓器的情況NE O O變電站UNEA B CUEUNUATm (b) 負(fù)載的電源中間有隔離變壓器的情況圖10-14 U

37、PS的不同負(fù)載結(jié)構(gòu)情況（1）負(fù)載為輸入端有隔離變壓器的情況 圖10-14(a)示出了負(fù)載為輸入端有隔離變壓器的情況，為了方便起見，只取出一相進(jìn)行討論。這種負(fù)載形式在要求較高的負(fù)載上目前還有應(yīng)用，比如線型電源等。可以看出，單相電壓的兩條線：相線和零線只能到達(dá)輸入變壓器Ti的初級(jí)繞組輸入端，其電壓也只能直接加到輸入變壓器Ti的初級(jí)繞組線圈上，就是說(shuō)，當(dāng)相電壓的不論是相線還是零線都到此為止，再往后的通路已被隔斷。（2）負(fù)載的電源中間有隔離變壓器的情況 圖10-14(b)示出了負(fù)載電源中間有隔離變壓器的情況，這種負(fù)載電源形式目前使用最多，就是應(yīng)用最廣的PWM電源。由圖中可以看出，單相電壓的兩條線：相線

38、和零線加到輸入整流器的輸入端，經(jīng)整流后的電壓被濾波成直流，而后加到高頻變壓器Tm的初級(jí)繞組，如果說(shuō)單相電壓的兩條線在整流器上不算終點(diǎn)的話，那麼在該高頻變壓器的初級(jí)繞組上已是終點(diǎn)，再往后的通路已被隔斷。 由以上的兩種負(fù)載結(jié)構(gòu)形式可以看出，單相電壓的兩條線：相線和零線都只能加到用電設(shè)備電源變壓器的初級(jí)繞組，再往后的電通路均被隔斷。 二、零地電壓對(duì)負(fù)載影響的討論 所謂零地電壓對(duì)負(fù)載的影響，就是指對(duì)負(fù)載工作的干擾。對(duì)負(fù)載造成干擾需要滿足三個(gè)條件：足夠能量的干擾源，暢通的干擾通路和無(wú)防備的被干擾對(duì)象。因此，消除干擾的條件也對(duì)應(yīng)有三條：消除干擾源，切斷干擾通路和增強(qiáng)被干擾對(duì)象的抗干擾能力。具體到零地電壓對(duì)

39、負(fù)載的影響，則需具體問(wèn)題具體討論。 （1） 消除干擾源 在這里就是消除零地電壓的意思，針對(duì)這種情況就可采取這樣的措施： 1. 斷開如圖10-14供電變壓器次級(jí)的接地點(diǎn)，使零線上的電壓懸空，這就無(wú)法形成零地電壓。但由前面的討論可知，零線不接地的供電系統(tǒng)有可能造成被供電負(fù)載機(jī)器工作的不穩(wěn)定； 2. 是三相負(fù)載平衡，造成零線電流為零的事實(shí)，既然無(wú)電流，當(dāng)然也就無(wú)電壓形成，即使零線接地也不會(huì)產(chǎn)生零地電壓,但在實(shí)際工作中使零線電流為零幾乎是不可能的； 3. 加大零線的尺寸，目的是減小零線電阻和電感，在同樣大電流的情況下可以降低在零線上的電壓降。當(dāng)然，這樣做就會(huì)增加一定的投資，有時(shí)也會(huì)受機(jī)內(nèi)和場(chǎng)地條件的限

40、制； 由以上討論可以看出，消除零地電壓幾乎是不可能的，只能做一定程度的減小。 （2） 切斷干擾通路 前面也曾討論了零地電壓的通路，由討論可知，零地電壓到負(fù)載并無(wú)通路。圖10-15表示的更加明顯一些，該圖是將一相的情況擇出進(jìn)行討論，后面的負(fù)載是典型的計(jì)算機(jī)電源。單相電壓得相線L和零線N 加到計(jì)算機(jī)電源的輸入整流器上，我國(guó)的單相電壓是UA=220V，換句話說(shuō)，整流器的輸入電壓值取自L和N之間，零地電壓UNE再高也只能是在零線N以下，由于該電壓和計(jì)算機(jī)電源只有一點(diǎn)相連，無(wú)法形成回路；盡管負(fù)載端的直流地和共用地相連，但電源中由于有隔離變壓器將電路的前后進(jìn)行了隔離，也使UNE和電路形不成回路，所以也無(wú)法

41、加到電路上去；是不是高頻干擾甚至射頻干擾可 PWM變換器 整流器UNEUA L N E 圖10-15 供電電路原理圖通過(guò)隔離變壓器的寄生電容形成回路呢？這種可能性是很小的，首先是任何計(jì)算機(jī)電源的輸入端都有很有效的濾除常模干擾和共模干擾的措施，高頻在零地之間已被電容旁路和衰減到最低限度，另一方面，由于該變壓器是高頻變壓器，尤其注重高頻干擾的通路問(wèn)題，所以初次級(jí)之間的寄生電容極小，完全阻隔了高頻干擾的侵入；在加之這種電源都要通過(guò)電磁兼容EMC的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，因此，在這方面的通路也被堵死。比如，某由160kVA UPS供電的幾個(gè)IDC中心,零地電壓已達(dá)4.5V，在兩年的工作中并未因此而影響工作；更有甚者

42、，由20kVA UPS供電的某證券公司計(jì)算中心，在機(jī)器正常運(yùn)行了一年以后，在一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)才測(cè)到零地電壓高過(guò)10V 所以說(shuō)，零地電壓在此并無(wú)通路可言。干擾被阻隔在直流電源的前面，因此，計(jì)算機(jī)的直流電源是一個(gè)很理想的供電電源。當(dāng)然，不合乎規(guī)定的劣質(zhì)電源則另作別論，因?yàn)樗妮敵鲋绷麟妷褐泻形幢贿^(guò)濾干凈的干擾信號(hào)。（3） 增強(qiáng)被干擾對(duì)象的抗干擾能力 既然零地電壓和負(fù)載構(gòu)不成通路，不能形成干擾，是不是說(shuō)就沒(méi)有必要增強(qiáng)被干擾對(duì)象的抗干擾能力了呢？當(dāng)然不是。因?yàn)?，雖然零地點(diǎn)壓 和負(fù)載構(gòu)不成通路，不能形成干擾，但并不代表沒(méi)有其他的干擾侵入。比如通過(guò)地線的干擾，空間來(lái)的干擾，電路內(nèi)部的線互干擾和罕見的強(qiáng)雷電

43、干擾等。 為了抑制這些干擾，在電路中一般都設(shè)置了很多波環(huán)節(jié)。這就是為抵抗外來(lái)干擾設(shè)立的最后防線。 既然零地電壓對(duì)負(fù)載不構(gòu)成干擾，那為甚麼有的服務(wù)器在零地電壓高于一定值（比如1.5V）時(shí)就不能開機(jī)呢？這并不是因?yàn)榱愕仉妷焊蓴_了負(fù)載而不能開機(jī)，而是該服務(wù)器內(nèi)部設(shè)置了零地電壓監(jiān)測(cè)電路之故。如圖10-16所示，就是零地電壓檢測(cè)電路的一個(gè)例子。在這個(gè)例子中，電路的輸入整流器接于零地線之間，將零地電壓的交流波或混合波整流成直流波，經(jīng)電容C 濾波后就形成了一個(gè)比較平滑的直流電壓Uc ，Uc經(jīng)電阻分壓後加到比較器的同相輸入端，和比較器反相測(cè)量端的基準(zhǔn)電壓Uf進(jìn)行比較，當(dāng)Uc < Uf時(shí)，比較器輸出低電位

44、，三極管VT不動(dòng)作，原來(lái)串接在電源輸入線上的繼電器KL常+-R4 VD1 R5 R6 VDNUNEE設(shè)備電源 L KL + U NC KL Uc Uf C VT圖10-16 零地電壓監(jiān)測(cè)電路閉觸點(diǎn)NC將電壓傳送到設(shè)備上，使設(shè)備正常加電工作；一旦Uc >Uf，比較器就輸出正電壓，打開三極管VT，使繼電器動(dòng)作，于是常閉觸點(diǎn)NC斷開，使輸入電壓加不到設(shè)備上。就認(rèn)為因零地電壓UNE過(guò)高而使設(shè)備無(wú)法工作。 第四節(jié) 干擾UPS用電設(shè)備的因素 根據(jù)上面的討論，可能有的就提出這樣的問(wèn)題：既然不是零地電壓干擾設(shè)備，那麼設(shè)備的干擾從何而來(lái)呢？實(shí)際上，用電設(shè)備的有時(shí)不能正常運(yùn)行原因很多，受干擾的原因也很多，如

45、果把設(shè)備的受干擾僅僅局限在零地電壓上，就會(huì)陷入盲目性。比如，即使是零地電壓滿足用戶提出的要求，也照樣會(huì)因干擾而出故障。為此，對(duì)干擾或噪聲作一討論是必要的。一、 噪聲的種類 按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB2900 · 1-82對(duì)噪聲的定義是：“任何不希望有的信號(hào)；廣義地說(shuō)，是在一有用頻帶內(nèi)的任何不希望有的信號(hào)。”因?yàn)檫@些不希望有的信號(hào)會(huì)對(duì)電路的正常工作造成危害。對(duì)噪聲的劃分方法很多，可以按噪聲產(chǎn)生的原因來(lái)分，也可以按噪聲的性質(zhì)、波形、持續(xù)時(shí)間來(lái)分，還可以按噪聲的傳遞途徑等的各種表現(xiàn)或特性來(lái)分類。不過(guò)，不論哪種分類方法都有局限性，都不能全面地反映錯(cuò)綜復(fù)雜的噪聲性質(zhì)和形態(tài)。在此只能概要地討論于UPS等電

46、子設(shè)備有直接關(guān)系的內(nèi)部噪聲和外來(lái)噪聲。 （1）內(nèi)部噪聲內(nèi)部噪聲指的是在電子裝置和設(shè)備內(nèi)部或器件本身產(chǎn)生的噪聲。主要有下面幾種：1. 熱噪聲：由導(dǎo)體和半導(dǎo)體中的電子熱騷動(dòng)而形成的電子噪聲，它是一種幾乎遍布整個(gè)頻譜的均勻噪聲，成為白噪聲。所有具有電阻的元件都產(chǎn)生熱噪聲。溫度越低，噪聲越小，只有在溫度非常非常低時(shí)，才會(huì)消除這種噪聲。熱噪聲也稱為電阻噪聲、約翰遜噪聲等。2. 散粒噪聲：電子管和半導(dǎo)體都會(huì)產(chǎn)生這種噪聲。當(dāng)電子管陰極發(fā)射的電子隨機(jī)變化和半導(dǎo)體載流子隨機(jī)遷移時(shí)，由于在一定時(shí)間內(nèi)陰極電子或載流子形成一種不規(guī)則和不連續(xù)的運(yùn)動(dòng)，而在很寬的頻譜內(nèi)出現(xiàn)的電壓起伏現(xiàn)象，成為散粒噪聲，也叫肖特基噪聲。3.閃變?cè)肼暎弘娮庸荜帢O產(chǎn)生的噪聲叫閃變?cè)肼?，它是由于各種表面的漏電效應(yīng)而造成的載流子密度波動(dòng)形成，氧化物陰極的閃變?cè)肼曌畲?。這種噪聲的頻譜密度在低頻下最高，故又稱低頻噪聲。.閃變?cè)肼暤拇笮∮谥绷麟娏鞒烧龋涔β拭芏扰c頻率的倒數(shù)（1/¦）成正比，所以又稱1/¦噪聲。4. 顫動(dòng)噪聲：電子管在受到其他部件或系統(tǒng)的機(jī)械振動(dòng)時(shí)而引起的陰極振動(dòng)，導(dǎo)致電流波動(dòng)，使電路參數(shù)變化，從而引起電路中的電壓波動(dòng)，也稱振動(dòng)噪聲。5. 交流噪聲： 是指在電子設(shè)備輸出中出現(xiàn)的電源頻率整倍數(shù)頻率的噪聲。電子設(shè)備多用于工頻交流電整流