1 零地電壓的現(xiàn)象

　　在數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)房建設(shè)的過程中,“零地電壓”問題得到越來越多的關(guān)注。在UPS行業(yè),某些生產(chǎn)廠家出于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的目的,甚至于把UPS中是否具有輸出變壓器歸結(jié)為“零地電壓”是否會(huì)上升的主要原因,認(rèn)為在逆變電路中含有輸出變壓器的UPS就不會(huì)造成“零地電壓的上升”,這是一種誤導(dǎo)。

　　《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50174-2008》標(biāo)準(zhǔn)第8.1.6節(jié)指出“電子信息系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)的低壓配電系統(tǒng)不應(yīng)采用TN-C系統(tǒng)”,其主要出發(fā)點(diǎn)是從電磁兼容性和人身安全角度考慮的。這是因?yàn)樵赥N-C接地系統(tǒng)中,保護(hù)地線PE與中性線N合為同一導(dǎo)體(PEN),在外露導(dǎo)體(設(shè)備外殼)上會(huì)有高頻電磁場(chǎng)輻射產(chǎn)生的騷擾電流流動(dòng),即電磁兼容性較差。而TN-S接地系統(tǒng)則正好相反,它不僅具有對(duì)人身較好的防止間接觸電的作用,而且具有較好的泄放漏電流的能力,電磁兼容性較好,因此大多數(shù)情況下,對(duì)IT負(fù)載的供電都要求采用TN-S的接地方式,即從主低壓變壓器引出后,經(jīng)過一級(jí)或兩級(jí)的配電,進(jìn)入U(xiǎn)PS,再?gòu)腢PS的輸出端經(jīng)過一級(jí)或數(shù)級(jí)配電,到達(dá)IT負(fù)載輸入端,都是采用TN-S的接地形式。

　　從電源系統(tǒng)的單線圖來看,UPS在整個(gè)供電系統(tǒng)的鏈路上是唯一一個(gè)具有“自動(dòng)調(diào)節(jié)功能”的有源環(huán)節(jié),而其它的電氣設(shè)備,例如變壓器、斷路器、電纜等都不具備自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，因此人們自然就會(huì)聯(lián)想到負(fù)載是由UPS供電的，那UPS就是造成“零地電壓上升”的主要原因。但事實(shí)并非如此。

　　以下分析一下雙變換式UPS(包括具有逆變變壓器的UPS和無變壓器UPS)的這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以及它們各自的中性線在UPS內(nèi)部和外部是如何連接的。

　　1.1 雙變換式UPS(工頻機(jī))的中性線連接方式

　　從圖1中可以看出,在UPS上下線都是TN-S接地方式時(shí),由晶閘管整流器組成的UPS或稱之為工頻機(jī)(無論這個(gè)稱呼是否準(zhǔn)確),其中性線N是由UPS的旁路輸入端引入的,并且與逆變變壓器(而不是起“隔離”作用的變壓器)的中性點(diǎn)直接連接,作為UPS輸出的中性線。這種連接方式的目的是:由于UPS的靜態(tài)旁路時(shí)時(shí)刻刻處于“待切換”的鎖相同步狀態(tài),當(dāng)負(fù)載需要從逆變器供電切換到由靜態(tài)旁路供電(或相反切換)時(shí),為了避免兩路交流電源切換時(shí)由于基準(zhǔn)電位不一致而產(chǎn)生較大的環(huán)流,導(dǎo)致切換失敗,因此這兩路電源的基準(zhǔn)電位必須是一致的,在電路上是采用同一條中性線的連接作為基準(zhǔn)電位來保證。

因此UPS輸出端的零線N就是電源系統(tǒng)的零線N,UPS輸出端的地線PE就是電源系統(tǒng)的地線PE,也就是說UPS輸出端的零地電壓事實(shí)上就是UPS旁路輸入端的零地電壓,也就是供電系統(tǒng)的零地電壓。在實(shí)際安裝的UPS設(shè)備上用5V交流電壓檔測(cè)量時(shí),UPS輸入端和UPS輸出端的零地電壓差一般不超過0.2～0.3V,即經(jīng)過UPS的連接后,零地電壓不會(huì)有明顯的增大。

　　1.2 IGBT-PFC整流(高頻機(jī))的中性線連接方式

　　同樣,從圖2可見,高頻機(jī)輸出端的中性線N同樣也是由旁路電源輸入端引入的,也是供電系統(tǒng)的中性線,同時(shí)保護(hù)地線PE也是來自供電系統(tǒng)的,因此零地電壓同樣反映的是電源系統(tǒng)的零地之間的電壓特性。

　2 零地電壓上升的主要原因

　　零地電壓上升的主要原因不能歸咎于UPS,也不能歸咎于高頻機(jī)。那么,什么才是零地電壓上升的主要原因呢?從理論上講,零地電壓的上升主要是由電源阻抗和線路阻抗引起的。

　　眾所周知,電流流過導(dǎo)體時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓降,這是由于電源和導(dǎo)體都具有電阻和電抗,中性線N和保護(hù)地線PE之間也存在著阻抗,并且會(huì)隨著電纜線的延伸,電纜的阻抗在不斷地累積增大。

　　3 UPS設(shè)備對(duì)零地電壓的影響

　　UPS難道對(duì)零地電壓沒有任何影響嗎?答案顯然是否定的。

　　這是因?yàn)?即使是最先進(jìn)的IGBT-PFC整流器也不是100%線性的,它既然是有源的頻率較高的開關(guān)部件,就存在著諧波和電磁兼容性的問題,特別是UPS在低負(fù)載率時(shí),表現(xiàn)出輸入電流失真度THDI增大的傾向。例如高頻機(jī)在100%負(fù)載率時(shí)的THDI為4%～5%;而在50%負(fù)載率時(shí)THDI為7%～8%。那么,IGBT整流UPS是否是造成零地電壓上升的主要原因呢?可以從高頻機(jī)內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)來分析。

　　3.1 EMC濾波器對(duì)中性線、地線電流的影響

　　電磁兼容性濾波器(EMC Filter)是近年來在高頻功率轉(zhuǎn)換電路中被推廣應(yīng)用的一種新型組合電路,它既能有效地抑制電網(wǎng)噪聲對(duì)電子設(shè)備的騷擾,又能降低電子設(shè)備在高頻開關(guān)過程中產(chǎn)生的騷擾注入到電網(wǎng)中,從而通過供電母線影響到其它的用電負(fù)載(傳導(dǎo)騷擾)。這對(duì)于提高電子設(shè)備的可靠性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了重要作用,因此被廣泛應(yīng)用于智能化儀器儀表、計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)備、開關(guān)電源電路、UPS電源系統(tǒng)等。

　　圖3是一個(gè)在實(shí)際的UPS中廣泛應(yīng)用的單相EMC濾波器的典型電路。

　　從圖中可見,由于電路中存在著差模式濾波電容X和共模式濾波電容Y,因此無論是電網(wǎng)中出現(xiàn)的高次諧波或是在整流-逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波,都必然會(huì)通過EMC濾波器泄放到地線G或PE線上,使得地線上的電流增大。

　　從圖3還可見,由于差模電容X的容量遠(yuǎn)大于共模電容Y的容量,由差模電容泄放的電流也要大于共模電容的泄放電流,成為線纜中的傳導(dǎo)騷擾,只不過由于負(fù)載不平衡電流或是3次諧波電流的存在,而往往忽略了差模電流的存在,而沒有注意到這部分電流流過中性線電纜時(shí)同樣會(huì)引起N線電位的上升。

那么,由電容Y泄放到地線的泄放電流數(shù)量有多大呢?

　　以如下的經(jīng)驗(yàn)公式推算:

　　ileak=2πf CUc (1)

　　式中:ileak為泄放電流;

　　f 為電網(wǎng)頻率, f =50Hz;

　　C為并聯(lián)的共模電容容量,包括濾波器輸入端和輸出端的共模電容,C=4×4.7nF+2×47nF=112.8nF;

　　Uc是共模電容Y上的壓降,亦即輸入端或輸出端對(duì)地線的電壓,取Uc≈220V/2=110V。

　　代入上述式(1)不難算出,此時(shí)的泄放電流ileak=3.89A。

　　顯然,在一臺(tái)100kVA的UPS中,額定相電流約為160A,假設(shè)PE保護(hù)地線上有3.9A的泄放電流,其僅相當(dāng)于額定電流的2.5%,這樣小的電流流過地線阻抗,對(duì)地線的相對(duì)電位升高不會(huì)產(chǎn)生過大的影響,因?yàn)橹行跃�上也存在著泄放電流,往往還要大于地線上的泄放電流。當(dāng)三個(gè)這種EMC濾波器應(yīng)用于三相電源電路時(shí),對(duì)于3n次諧波電流具有疊加增大的作用,但對(duì)于總的電流有效值來說,并沒有乘以3倍的關(guān)系,因?yàn)槠渲胁糠种C波會(huì)由于電流相位的原因而相互抵消。

　　因此,UPS的EMC濾波器不是造成零地電壓上升的主要原因。

　　3.2 IGBT-PFC整流器對(duì)中性線電流的影響

　　IGBT-PFC整流器具有如圖4所示的典型輸入電路。