微机群用户供电零线的安全选择及分析

刘文青+刘泉海+祁广科+董家辉+耿凡娜

摘要：传统的微机房，习惯将零线截面选为相线截面的0.5至1倍（模糊选择）；现在的微机房常用的供电方式为不间断电源（UPS）供电，负载以容性负载为主，常常将三相输入的零线线径选择为相线线径的1.5倍（经验选择）。本文基于这两种零线线径选择的现状和问题，依据数理测量和分析提出了零线截面积要加大到相线的三倍以上，才能确保安全可靠。

关键词：微机群；供电零线；选择；数据分析

中图分类号：G710 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）39-0126-02

一、零线和中性线的区别

发电机、变压器和电动机的三相绕组星形联接的公共点称为中性点，如果中性点是接地的，则该点又称为零点。从中性点引出的导线，称作中性线；而从零点引出的导线就称为零线。目前，国内机房一般常采用50Hz交流电，380/220V三相四线制供电，有TN-C或TN-S两种中性点运行方式，都是中性点接地的运行方式，在TN-C运行方式中，保护中性线就是零线；在TN-S运行方式中，中性线是零线，保护线是独立的。

二、传统微机房零线的选择

目前，给国内机房供电的有两种中性点运行方式，即零线和保护线共用（TN-C）或分开（TN-S）设置。传统的微机房没用UPS电源供电，三相负荷均衡分配，但由于机房的负荷构成中，单相负载比重很大，且用电时间上也有差异，各相负荷经常处于不平衡状态，加之计算机开关电源的影响，零线上经常会有电流通过，如果零线选择不当，就容易发生零线发热，造成不安全隐患。一般三相四线制线路，零线截面的选择是依据相线截面而选择的。相线截面的选择首先要满足发热条件：相线截面积的导线允许截流量Ia不小于通过相线的计算电流Ica，即Ia≥Ica，还应校验导体与其保护装置是否配合得当，不应发生导体发热熔断而保护装置不动作的情况。然后校验电压损耗及最小机械强度。依据经验，一般三相四线制线路，零线截面选为相线截面的0.5至1倍。

三、微机群UPS供电零线的选择

随着计算机天关电源技术的快速发展，现在，微机群常用的供电方式为不间断电源（UPS）供电。不间断电源采用了脉宽调频技术、使用了较成熟的高效功率器件，加之微处理器的迅猛发展，已经成为计算机房供电的主要手段。不间断电源的不间断性是它的最大特点，而且能最大限度地提供稳定电压，隔离外电网的干扰。外电网一旦停电，UPS能在极短的时间内自动从备用能源经逆变器变换成与原供电电源（电压、频率和相位）相同的电能继续向计算机供电。或者逆变器正常时，由逆变器供电；故障时，由静态电子开关自动将计算机瞬时切换到外电网供电或切换到另一台与之并联的UPS上，实现不间断供电。我们知道，容性负载具有非线性特性。而计算机机房的计算机、服务器等都属于容性负载，因为容性负载的非线性特性和因此而带来的谐波等干扰，加之三相负载不平衡的影响等，使计算机房的零线电流常常超过相线的电流值，甚至出现零线电流远远超过相线电流的情况。因而，现在大多数UPS三相输入的零线线径的选择放大到相线线径的1.5倍。

四、选择的矛盾

供电零线的选择看似简单，但为了选择安全而又经济的电缆截面，则需要综合考虑多方面的因素。因为选择了过大的线径会增加建设成本，选择过小的线径会增加运行成本并可能导致严重的安全风险。目前通信领域及微机群多数供电电缆配置偏于安全，在铜材日益昂贵、电缆费用占比越来越高的今天，有必要选择经济的电缆。对于正在运行中的系统，很有必要实施机房评估与整改，以确保供电安全、经济。

五、数据测量与分析

1.数据测量。为了能直观地监测到计算机房零线电流的变化状况，课题组成员到计算机房，选取了15台微机，每相接5台，来测试计算机房用电情况，将零线穿过电流变送器3匝，要求每相电流均达到5.4A，用示波器测得一相加载到三相都加载时的零线电流波形。通过比对得知，三相都加载时，零线电流是单相电流波形的简单叠加，有效值为三相电流有效值之和，振幅与电流最大的一相相等。如果三相负载完全相同，零线与相线的材质和截面积也一样，那么，零线的电压降、发热量及损耗都为单根相线的3倍。

2.数理分析。通过实测发现：微机房即使在负载均衡时，零线的电流不为零，而是远大于相电流。下面从数学理论分析非正弦波电流的特性。我国的市电是22OV50Hz正弦波，但由于微机房中UPS、变频空调、开关电源等非线性设备的大量使用，市电相电流已不再是标准的正弦波，而是畸变较大的非正弦波形。根据高等数学知识，周期性函数在满足狄来赫利特条件时，可以变换为傅立叶级数。对交流电来说非正弦波电流可以表示为：直流分量以及各次谐波之和。很容易得知：A、B、C三相的1、2、4、5、…除3n次外的谐波是对称的，合成电流为零；3n次谐波是同相的，合成电流为3n次谐波相电流的三倍。微机房A、B、C的3n次谐波电流是同相的，在零线的电流合成为相线的三倍。正因3n次谐波的同相叠加，才导致即使在三相负载均衡时零线电流也不为零，在谐波严重时零线电流会远大于相电流。主要原因是三次谐波会产生特别高的中线电流，甚至超过相电流值，造成电器设备寿命大为减短，电网过热，甚至可能引起火灾。

3.波形分析。计算机使用的是开关型稳压电源，也就是说，220V电源经整流滤波后得到280V左右的直流电压，再经震荡、脉冲变压器降压，再次整流、滤波、稳压得到计算机底板所需的各种低压差直流电压。用示波器观察微机220V电源输入端的电流波形发现，三相电流合并到零线之后在横轴（时间轴）上不能抵消，零线电流的有效值是三相电流之和。当三相负载平衡时，零线电流是相电流的3倍。

六、解决措施

计算机是非线性负载，与相同功率的线性负载比，其峰值电流为较大，零线电流是三相电流之和，且不存在工频基波成分，最低频率成分变为3倍。要避免零线发热的问题，最有效的办法是加大供电线路的截面积。

通过分析，我们可以得出，三相供电且负载平衡的计算机房，相线电流为非正弦窄脉冲，汇集到零线后不能互相抵消，其有效值为相电流的三倍，基波频率为150Hz，用加装滤波器的方法不能解决上述问题，最有效的办法是加大供电线路的截面积，将相线截面积选取为线性负载时的2.5倍，同时零线截面积要加大到相线截面的3倍，这样不仅可以降低零地电压、解决零线发热或在接头处烧坏的问题，而且投入低，操作简单易懂，在实际的施工中较容易实现。

参考文献：

[1]周方君.周萌.叶福銮.计算机房零地电压偏高的成因及解决办法[J].电子测试，2013，（07）：269-271.

[2]于风林.认识三次谐波建好电源系统[J].现代电视技术，2006，（08）：140-141.

作者简介：刘文青（1971-），女，陕西韩城人，西安科技大学自动控制专业毕业，获陕西科技大学轻工与技术工程硕士学位，现任职于陕西工业职业技术学院，副教授，主要从事供配电及电工电子等方面的教学及研究工作；刘泉海（1955-），男，陕西乾县人，西安科技大学自动化专业毕业，现任职于陕西工业职业技术学院，电学教授。endprint