信息技术设备供电质量及接地设计分析

黄景峰, 李玉明

(清华大学建筑设计研究院有限公司, 北京 100084)

0 引 言

信息技术设备(Information Technology Equipment,ITE)的应用日益增多,这类设备对用电电能质量十分敏感。很多ITE交付使用后才发现电磁干扰问题,补纠十分困难。有些ITE供货商提出独立接地的要求,但又无法保障用电安全[1-5]。

因此,在有ITE的建筑物电气装置的设计安装中,需重视ITE的用电电能质量及用电安全问题。本文以用电安全为基础,提出应用双绕组变压器、局部TN-S系统、S式接地方法、M式接地方法等方案,提升ITE的用电电能质量及抗干扰能力。

1 ITE产生干扰及电击风险

1.1 ITE具有较大的正常对地泄漏电流

普通设备PE线只通过微小的正常对地泄漏电流,而ITE多采用开关模式电源,本身具有较大的正常对地泄漏电流。多个ITE产生过大的PE线电流如图1所示。ITE的开关模式电源有大容量电容器跨接在相线和PE线之间,多个ITE在一条回路时,相当于多个电容器在同一电源线路上被并联。

图1 多个ITE产生过大的PE线电流

图1中,并联的电容器数量越多,电容量C越大,容抗XC随之减少,PE线中流过的泄漏电流IPE因此增大。

(1)

由式(1),当C=0.218 μF时,总泄漏电流就超过15 mA,即超过了动作值为30 mA的RCD的额定不动作电流,有可能引起RCD的误动作。

1.2 过大的PE线电流产生过大的电压降

ITE过大的PE线电流产生过大的电压降如图2所示。1条电源线路上有多个ITE时,PE线上产生电流叠加,从而引起过大的电压降,导致各ITE的地电位不均等,通常若ΔU>3 V,其信号电缆的地线上将流过足够大的工频电流,造成ITE不能正常工作。

图2 ITE过大的PE线电流产生过大的电压降

1.3 过大的PE线电流可能引起人身电击事故

ITE的电容泄漏电流过大,还可能因电源线路中PE线的中断而导致人身电击事故。

PE线导电良好如图3所示。假设图中PE线导电良好,PE线截面为4 mm2,长度10 m,阻抗为46 mΩ。人体阻抗为1 900 Ω(GB 13870.1—2008《电流通过人体的效应 第一部分:通用部分》,表1,大的接触面积,AC 50 Hz,路径手到手,被测对象的95%)。ITE的泄漏电流通过PE线与人体的并联回路返回电源,对人体的分流可忽略不计,没有电击风险。

图3 PE线导电良好

PE线断线引起人身电击事故如图4所示。

图4 PE线断线引起人身电击事故

假设PE线中断,电容泄漏电流将转而经人体和大地这一通路返回电源。人体的预期接触电压Ut为人体阻抗Zt和人体的对地接触阻抗RS在串联回路中的分压:

(2)

式中:Ut——人体的预期接触电压;

U0——系统相对地电压,220 V;

Zt——人体阻抗;

RS——人体对地接触电阻;

ZT——变压器内阻抗;

ZL——相导体阻抗;

XC——ITE的电容器容抗;

RB——电源接地电阻。

通常ZT、ZL、RB很小,可忽略不计,式(2)简化为

(3)

由式(3),当滤波电容器并联的数量越多时,XC值越小,人体的预期接触电压Ut越大。参考GB 13870.1—2008《电流通过人体的效应 第一部分:通用部分》,当流经人体电流为50 mA、超过1 s的时间,就可能引发人体心脏功能障碍。

2 降低电压扰动的措施

ITE的电能质量问题来源于两大方面,其中之一是由电源线路传导来的电压扰动。

2.1 双绕组变压器消除共模电压

利用双绕组变压器消除共模电压干扰如图5所示。

图5 利用双绕组变压器消除共模电压干扰

电源线路过长,中性线压降过大,ITE受共模电压干扰。在ITE前设置双绕组变压器,其二次绕组作为该ITE的电源,则中性线与PE线间的电位差在变压器二次绕组这一点起始又从0 V开始,共模电压干扰得以有效降低。

2.2 放射式供电限制PE线上的正常泄漏电流

ITE固有较大的对地泄漏电流,当电源线路供给多个ITE时,PE线上叠加过多的泄漏电流而产生的电压降,致各ITE的地电位不均等,其信号电缆的地线上由于两端的电位差,也将流过工频电流,这些都能对ITE引起干扰。因此应尽量采用放射式供电,以限制PE线上的正常泄漏电流。

2.3 在ITE前设置双绕组变压器消除过大的PE线电流

在正常泄漏电流大的ITE前,配置一台1∶1的双绕组变压器。设置双绕组变压器消除过大的PE线电流如图6所示。ITE的PE线泄漏电流只返回变压器二次侧绕组,不再流入变压器前的PE线,不会对其他ITE产生干扰(双绕组变压器只要求基本绝缘,非隔离变压器)。

图6 设置双绕组变压器消除过大的PE线电流

3 设备独立接地引发电击事故及设备损坏

有些ITE供货商提出独立接地,这一点必须明确,不允许建筑物内某一设备单独接地。单独接地的设备发生碰壳故障时,将造成设备外壳与接地出现电位差,可能引发人身电击等电气事故。其次,雷电感应产生大于单独接地设备绝缘耐冲击电压的电位差时,会击坏设备。

规范及标准也不允许设备独立接地。JGJ 91—2019《科研建筑设计标准》[6]中第9.4.3条规定,各种接地宜共用一组接地装置;GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》[7]中第6.3.3-1条规定,每栋建筑物本身应采用一个接地系统;IEC 60364-5-54:2011第542.1.1规定,电气装置可以兼有或分别承担保护接地和功能接地两种作用,应首先实现保护接地。

3.1 电击风险

ITE单独接地引起人身电击事故如图7所示。

图7 ITE单独接地引起人身电击事故

ITE单独接地,该设备发生碰壳故障时,人体的预期接触电压Ut为

(4)

式中:RE——独立接地电阻。

假设人体阻抗Zt+RS=2 000 Ω,RE=RB=1 Ω,由式(4)得,Ut=110 V,大于安全电压。

3.2 雷电感应击坏设备

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》,电子类设备为I类设备,设备绝缘耐冲击电压的额定值1.5 kV。ITE单独接地,当雷电电涌沿电源线路引入ITE,或沿独立接地的接地线引入ITE时,雷电感应极易产生大于该设备绝缘耐冲击电压的电位差,从而击坏设备。

依据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》式(4.2.4-6),雷电冲击电流值为

(5)

式中:I——雷电流,二类防雷;

n——地下和架空引入的外来金属管道和线路的总数;

m——电气进线内导体芯线的总根数。

以二类防雷建筑为例,I=150 kA,n=3,m=4。将上述数据代入式(5)得,Iimp=6.25 kA。

假设单独接地线电阻L=0.5 Ω,则雷电感应产生的电位差U=IimpL=3.1 kA,大于电子类设备的绝缘耐冲击电压1.5 kV,极易击坏设备。

4 ITE的安全接地

GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[8]第1.0.1条及其条文说明规定,该规范制定的目的:为使交流电气装置的接地设计,在电力系统运行和故障时,能保证电气装置和人身的安全。IEC 60364-5-54:2011第542.1.1条规定,电气装置可以兼有或分别承担保护接地和功能接地两种作用,应首先实现保护接地的作用。电气设计人员的首要设计原则,就是保障人身的安全。

4.1 ITE需实现两个接地

为保证人身安全,ITE金属外壳需接地。TN系统中,PE线随相线引至设备外壳,降低接地故障回路阻抗,提高防间接接触电击的自动切断电源措施的动作灵敏度。

另一个是接同一ITE金属外壳的信息技术系统的高频信号接地,其要求高频条件下的接地阻抗小,以获得各ITE间相等或接近的参考电位,属功能性接地。

ITE必须与建筑物电气装置内的其他电气设备或其他电气系统共用接地装置。为保证人身和电气设备安全,以避免在发生雷击或接地故障时,各系统间出现危险的电位差,而引发事故,如果某一ITE要求设置局部接地极,则此接地极必须与等电位联结系统的接地母排相导通,而实现共用接地。

4.2 防止PE线中断的措施

为防ITE电气装置中过大的PE线电流引发电击危险,首先应采取措施防止PE线中断。文献[2]建议采取如下措施之一:

(1) 采用电线明敷供电时,无论相线截面积为多少,铜芯PE线的截面积都不小于10 mm2,或采用两根并联的,且有各自接线端子的双PE线,每根PE线的截面积不小于4 mm2。

(2) 采用电缆供电时,电缆内PE线、相线和中性线截面积的总和不小于10 mm2。

(3) 采用导线穿管供电时,PE线应与该金属管并联,且PE线截面积应不小于2.5 mm2。

(4) 利用敷线的金属导管做PE线时,其连接应可靠,并应具有足够的截面积、机械强度以及抗腐蚀强度。

(5) 尽量缩短PE线长度。

4.3 双绕组变压器构成局部TN-S系统

为抑制配电线路导入的共模电压,ITE常配置1∶1的双绕组变压器做简单分隔。利用此变压器构成新的局部TN-S系统,从而最大限度地缩短局部TN-S系统内PE线的长度。

双绕组变压器降低TN系统过大的PE线电流如图8所示。ITE的电源是双绕组变压器的二次侧绕组,其出线上的过电流防护保护器兼做接地故障保护。正常时,电容器的大泄漏电流经PE线返回双绕组变压器的二次侧绕组,不再返回上级电源。当设备中对地绝缘损坏,发生接地故障时,因回路接线端阻抗小,故障电流足够大,可以使变压器二次侧过电流防护器动作切断电源。双绕组变压器电源侧PE线已不是ITE内大电容泄漏电流的通路,即使中断,也不会对接触设备的人构成电击危险。通常双绕组变压器就在设备近旁,PE线在使用人员的直接监视之下,中断的可能性几乎不存在。

图8 双绕组变压器降低TN系统过大的PE线电流

5 ITE工作接地

电源线路上的电压扰动只是引起用电电能质量问题的一个方面,对于ITE而言,接地和等电位联结的设计和安装不当引起的ITE间的地电位不均等,是引发设备噪音问题的另一重要方面。文献[2]给了一个例子:美国电能质量会议多次调查发现,现场反映的ITE工作不正常的起因并非电压扰动,而大多数是接地和等电位联结不当,因此有经验的电能质量专家在现场处理电能质量问题时,首先检查的就是接地和等电位联结设置中存在的问题。所以,在信息系统电气装置中,应高度重视接地和等电位联结的正确设置。

5.1 等电位联结的作用优于接大地

接地是以大地电位为参考电位,在地球表面实施的等电位联结;而等电位联结则可视为将等电位联结代替大地以导体电位作为参考电位的接地。因此,两者一般是相通的。当然也有不同处,例如接大地可以泄放雷电流和静电荷,消除其对ITE的干扰和危害,而不接地的等电位联结,则不具备有这一作用。但就减少信息系统电气装置内各ITE间地电位的高频电位差而言,等电位联结系统做“地”,可相对容易降低系统对地的高频阻抗,以获得更好的ITE间的等电位效果,而普通接地则难以降低高频阻抗。因此,等电位联结的作用远优于降低接地电阻的接大地。

5.2 无需要求ITE接地电阻的阻值

接大地的接地系统的高频阻抗太大,以代替大地的等电位联结系统的电位为地电位。这样在等电位联结系统内,可方便采取许多措施减少连接线的高频阻抗,最大限度地实现ITE信号系统地电位的均等。该等电位联结就是使信息系统正常工作的功能性等电位联结。

5.3 减少高频电抗的措施

由式(5)知,导体电阻与材料、长度及截面积相关。另外,交变电流通过导体时,由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀,愈近导体表面电流密度越大。这种现象称“趋肤效应”,使导体的有效电阻增加,频率越高,趋肤效应越显著。

依据文献[3]式(9.4-1)及式(9.4-3),导体阻抗为

(6)

式中:Kjf——趋肤效应系数;

ρ——导体电阻率,铜导体在20 ℃时,取0.018 4 Ω·mm2/m;

L——导体长度;

S——导体截面积;

R——导体电阻。

为降低高频阻抗,ITE的接地联结线应具有足够的截面积和足够的表面积,前者可减少其电阻分量R,后者可减少高频趋肤效应,从而减少高频电抗分量X。联结线的走线应尽量短而直,以降低其电感,其连接质量应保证良好,以减少接触电阻。

6 ITE接地的型式

6.1 高频低电阻的等电位联结

将总等电位联结中的接地母排延伸为接地母干线。沿建筑物外墙内侧的墙角敷设一条截面积不小于50 mm2的铜导体,凡需连接的金属部件,例如进入建筑物的金属管道、柱子钢筋、基础钢筋以及其他金属构件、电缆金属护套等都就近与该接地母线直接联结。

应尽量多地利用柱子钢筋和垂直的金属管道作多根并联垂直等电位联结,钢筋间的连接应采用焊接或压接,如因影响结构强度等原因不能施焊或压接时,可植入电气专用的钢筋,其联结应为焊接或压接,以降低接触电阻。

6.2 S式信号接地

S式的信号接地方式如图9所示。配电箱PE母排放射引出的PE线兼做ITE的信号接地线。S式的信号接地方式、简单易行、成本低。但PE线具有较大的高频阻抗,设备间信号线承受的噪声水平较高,要求ITE抗干扰能力强。

图9 S式的信号接地方式

6.3 M式信号接地

M式的信号接地方式如图10所示。

图10 M式的信号接地方式

M式接地除用PE线作为保护接地外,还将每个ITE的金属外壳尽量短直地联结到设备下方的局部水平等电位铜质网格上,以实现低阻抗信号接地。

网格也和配电箱内的PE母排相连接。网眼的尺寸不可过大,约为ITE工作频率波长的1/10,一般为600 mm×600 mm,铜带宽60～80 mm,厚0.6 mm(宽厚比不宜小于5∶1,)以增大表面积,减少高频集肤效应。ITE与网格间的连接线也应尽量短且直,其长度以不大于500 mm为宜。

在TN系统中,PE线须和相线紧贴走线,即采用包含PE线的多芯电缆或电线穿管供电,以降低接地故障的故障回路阻抗,用于防人身电击。铜网格和铜带接地线用于实现高频低阻抗的信号接地,虽然最后都接向同一PE母排,但两者各有用途,不可或缺。

在M式接地方式中,如果将ITE的电源线路以及PE线与其他线路分隔开,并将铜质网格与地绝缘,则抗干扰效果更好。这时在配电箱内为ITE另设一个隔离的PE母排,即ITE的PE线需和电源插座的金属接线盒,穿线钢管以及其他回路的PE线绝缘,直到与总等电位联结的接地母排联结为止。

M式接地具有众多的联结点和并联分流通路,其高频阻抗可以有效降低,对于只有一般抗干扰水平的ITE,可以消除大部分的干扰。同时适用于各种工艺未知的ITE,但施工复杂,初期投资较高。

7 结 语

正确的接地不仅可以保护人员的安全,还可以减少信息系统电气装置内各ITE间地电位的高频电位差,保障ITE的正常工作。为保证人身安全,ITE金属外壳需接PE线做接地。为保障ITE正常工作,需设置信息技术系统的高频信号接地,这两个接地必须共用一个接地装置。

设计中应尽量采用放射式供电。在ITE前,配置1∶1的双绕组变压器,可以有效杜绝形成过大的PE线电流,减少对其他ITE产生干扰,最大限度地缩短局部TN-S系统内PE线的长度,减少其中断的可能性,有效降低共模电压干扰。