380 V直流供电系统接地安全及噪声传导干扰分析

张建洲，夏华，郭天鸿

(1. 国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 210000；2. 国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京 211100；3. 国网雄安新区供电公司，河北 雄安 071600)

在电源领域，高压直流供电技术逐渐被广泛使用，该技术利用高压直流为相应的设备供电：在电力系统中为断路器分合闸及二次回路中的继电保护、微机保护等自动化设备供电，为室内电信设备、计算机设备、主控设备等提供直流电[1]。目前，在通信信息领域中，5G技术大规模商用带来数据量的迸发式增长，使得用户对通信数据传输的质量以及速率的要求越来越高。为了实现高速、大规模的宽带服务，通信企业安装了大量高性能信息通信技术(information and communication technology，ICT)设备，这些设备的集成度越来越高，功耗越来越大，为此类大功率信息通信技术设备供电变得越来越困难[2]。为了解决这一问题，传统供电方式采用-48 V低压直流供电系统[3]，可以安全可靠地为大功率ICT设备持续提供电力[4]；但是，-48 V开关电源电压较低，电流容量大，电缆线路长，对设备供电造成的损耗较大，成本较高[5-6]。而采用380 V直流供电系统供电可以有效解决上述问题。

与传统-48 V低压供电电源相比，380 V直流供电系统的设备集成度更高，单套高压直流系统带载等同约3套-48 V直流系统，相同的系统容量下，380 V直流系统可节省投资50%，并且其线径较小，在运行时线损更低。随着高压直流供电系统技术的日趋成熟，今后380 V直流设备将逐步代替-48 V通信电源设备[7]。本文分析的高压直流系统采用380 V直流额定电压，配置简单，能够有效为ICT设备提供电力。

电能传输效率更重要的作用是保障供电系统的稳定性和安全性[8]。对于安全，本文特指发生意外接触短路时的人身安全，映射到系统中对应的是接地故障电流，它是由接地电阻决定的，而人体本身电阻较小，因此需要增加保护装置来确保人身安全。供电系统的稳定性与噪声以及系统的发射、瞬态变化和振荡有关[9]，此外，电路系统噪声的排放与接地系统的线路结构也有密切关系[10]。因此，接地系统对保证直流输电系统的安全稳定具有重要作用，但目前关于接地系统对直流输电系统噪声传导影响的研究较少。对此，本文同时考虑接地系统的安全以及接地噪声的影响，提出改进的380 V直流供电系统。

本文通过分析高压输电系统接地系统的安全特性，加入高阻抗接地电阻，确保短路接地电流在一定范围内，增强了其安全性。并且在系统中增加合适的电磁干扰(electromagnetic interference，EMI)滤波电路[11-12]，测量噪声对加入EMI滤波前后2种接地系统的影响，分析在一定频率范围内不同接地系统的传导噪声干扰。

1 2种典型接地系统配置

1.1 接地系统配置

本文首先定义380 V直流电源供电系统，如图1所示，其中PFC为功率因数校正器，3Φ为三相电源。该系统基本设备包括整流器、DC/DC变流器、蓄电池、配电柜、电源线、ICT设备等[13]。整流器将经过变压器的三相220 V交流电源转换为380 V直流电源，同时为蓄电池充电。为了避免人员接触，保障人员安全，供电线路中所有设备都与地板绝缘，包括将供电变压器和储能电池放置在设备下方的地板中，与其他设备物理隔离。电源线连接整流器的正负输出端口通过配电柜(power distribution cabinet，PDC)给ICT设备供电。

图1 380 V直流供电系统Fig.1 380 V DC power supply system

接地系统的典型组件有垂直接地立管、连接处A和连接处B。电信大楼的钢结构连接了垂直接地立管，用来均衡接地电压。接口A为地面与建筑物底部垂直接地立管之间的接地集成终端，集成大楼的所有接地系统；接口B连接各楼层垂直接地立管和综合接地的端子，同一层楼所有设备的接地线都连接到这个终端。

图2(a)所示为电信通信建筑常用接地系统；图2(b)则是对该系统的改进，在系统中加入正负接地阻抗，此时负线对地有电压，为了保证接地故障安全，需要在负线段增加1个熔断器。

由图2可知：对于I型接地结构，接地线直接连接到整流器输出端口的负线上，因此，负线对地电压总是为0，当人体误触到负线时，相对安全。对于Ⅱ型接地结构，正负线通过高阻R+、R-接至接地线，二者为相同值，以确保电压平衡；因此，380 V的直流供电系统的正线电压为+190 V，负线电压为-190 V。

图2 2种接地系统配置Fig.2 Configuration of two grounding systems

1.2 安全性分析

当380 V直流供电系统发生漏电等接地故障时，故障电流通过人体的路径如图3所示。

图3 接地故障电流路径Fig.3 Ground fault current path

为了保证高压直流供电系统的安全性，必须考虑发生人体接触故障时系统的电流大小。一般人体电阻为1～2 kΩ，本文假设为1 kΩ，因此，对于I型接地系统，当发生误触接地故障时，通过人体的接触电流约为380 mA。根据IEC标准，人体接触电流超过20 mA有危险[14]，此时无法保证人身安全。而对于Ⅱ型接地系统，可以通过增加接地电阻值来控制流过人体的电流大小。Ⅱ型接地时，如果接地点设置了20～40 kΩ的电阻，则能够使流过人体的电流减小到20 mA以下。由此可知，Ⅱ型系统比I型系统更加安全。

2种系统的另一个区别是短路故障的断路方法以及接地故障产生的影响。对于Ⅰ型接地系统，在没有人的情况下，发生的短路电流和接地故障电流基本相同，当保险丝熔断时，短路电流大小约为1～10 kA(取决于熔断器的特性和供电系统的阻抗)[15]。这个电流值表明熔断器可以用于断路系统，但必须考虑接地故障点大电流造成的影响[16]。如前所述，Ⅱ型接地故障电流非常小。因此,尽管接地故障电流检测系统是必要的，Ⅱ型接地故障电流大的风险比Ⅰ型接地故障电流小得多，一般不会对系统造成严重的电流冲击。但发生短路故障时，其电流将远大于接地故障电流，因此需要额外进行短路保护。

2 噪声传导实验

本章进一步考虑供电系统的传导噪声问题，对2种接地系统进行改进，加入合适的EMI滤波装置，以减少传导噪声的影响[17]。对比分析2种不同接地方式加入滤波器后其噪声传导影响效果，系统配置如图4所示。为了更好地分析对比2种接地系统噪声排放水平的差异，首先测量整流器通过电源电缆、接地系统传输的噪声排放水平(如图3的连接方式)，接着对2种系统增加EMI滤波器后(如图4连接方式)再次进行测量，对比前后噪声排放水平。

图4 2种接地系统的配置(含EMI滤波)Fig.4 Configuration of two grounding systems (with EMI filtering)

噪声排放测量系统结构如图5所示。该测量系统来自于国际微扰无线电技术委员会(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)第22号《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》和16号《无线电骚扰和抗扰度测量设备和方法规范》。在这个系统中，被测试设备是一个100 kW的实验高压直流整流器，在距高压直流整流器0.8 m处，连接频谱分析仪的人工干线网络(artificial mains network，AMN)，位于地面参考平面，整流器

图5 噪声排放水平测量系统配置Fig.5 Configuration of noise emission level measurement system

的电源线通过AMN连接到纯电阻负载上。连接到AMN上的频谱分析仪测量非对称信号电压，即接地线与负线之间、接地线与+380 V线之间的电压信号。根据常见电源噪声影响范围，将测量频率设置为0.01～30 MHz，检测噪声峰值。CISPR技术标准所定义的能够接受的值可以为准峰值或平均值，本文仅测量峰值以减少实验时间。对于超过CISPR限值的测量结果，采用准峰值检测重新测量。

2.1 噪声传导干扰实验及仿真

首先对原先2种接地系统模型进行测量，如图6所示。其中图6(a)、(b)分别显示了I型和Ⅱ型接地系统在没有增加EMI滤波器情况(图3连接方式)下传导干扰电压的测量结果，图6(c)为I型和Ⅱ型系统传导干扰电压差的数据。

图6 实验整流器传导干扰电压测量结果(无EMI滤波器)Fig.6 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (without EMI filter)

由图6(a)、(b)可以看出，噪声传导影响对正线(380 V)和负线(0 V)电压扰动的影响几乎相同。因此，在这2种系统中，共模干扰噪声的影响占主导地位[18]。另外，未加滤波器时，在超过0.10 MHz频率时，2个系统模型的测量结果都显示出几个尖峰，这些噪声峰值是由AC/DC变换器的开关噪声引起的。第1个峰值在133 kHz，为转换器的开关频率，在这个频率上，出现了更高模式的开关噪声[19]。干扰电压最大值出现在266 kHz，是开关噪声的第2种模式。比较在0.10 MHz以上频率的传导噪声影响，I类接地系统与II类接地系统没有明显差异。同时，在100 kHz以下的频率条件下，2个接地系统之间的传导噪声干扰电压略有不同。由图6(c)可以看出，当频率在70 kHz以下时，2种系统传导干扰电压差的范围约为10 dB。

图7 共模传导干扰等效电路模型及仿真结果Fig.7 Equivalent circuit model of common mode conducted interference and simulation results

由图7(a)可以看出，从干扰电流的传播线路来看，I型接地模型噪声源经过电流回路(a→b→c→d→e)，同时向右侧传播到AMN；对于接地模型II﹝图7(b)﹞，干扰电流(a→b→c→d→e→f)需要经过较长的线路，通过接地电阻R-(40 kΩ)阻挡，再传播到AMN；因此，传播到ICT设备的传导干扰电流在低频时低于I型系统，对设备造成的影响也较小。

根据电路对2种模型进行仿真实验，测量380 V正线电压干扰情况﹝如图7(c)所示﹞。在100 kMz频率以上，2种类型传导噪声测量结果没有明显差异，但在0.01～100 kHz之间，接入接地电阻的电路产生的噪声相对更小。因此，加入接地电阻不仅可以增加安全性能，而且能够在一定频率范围内减小传导噪声的影响，该结论与测量结果一致。

2.2 含EMI滤波电路噪声传导干扰实验

对图7中的2种380 V直流供电系统增加EMI滤波电路，进一步对比分析传导噪声干扰的影响，图8所示为加入典型LCL滤波器的共模传导干扰等效电路模型[20]。通常用插入损耗PIL来衡量EMI滤波器对传导噪声的抑制作用[21]，通过二端口网络分析方法对含EMI滤波器的电路进行分析[22]。

图8 共模传导干扰等效电路模型(含EMI滤波)Fig.8 Equivalent circuit model of common mode conducted interference (with EMI filtering)

二端口传输方程为

(1)

将式(1)化成矩阵形式为

(2)

式中Z为阻抗参数矩阵。

EMI滤波电路图如图9所示，其中C为滤波电容，L1、L2为滤波电路两侧滤波电感。

图9 EMI滤波电路模型Fig.9 EMI filter circuit model

根据图9对式(1)与式(2)计算并化简得到EMI滤波器的等效电路参数矩阵

(3)

式中ω为传导噪声频率。

为方便分析与计算，对加入EMI滤波器的干扰传导电路模型进行简化，得到等效模型如图10所示。

图10 加入EMI滤波器的等效模型Fig.10 Equivalent model with EMI filter

其中插入的损耗

(4)

由式(1)和(4)可以推导出插入损耗与源阻抗Zs、负载阻抗ZL及Z参数矩阵各个元素之间关系式为

PIL=20lg|(z11ZL+z12+z21ZsZL+

z22Zs)/ (Zs+ZL)|.

(5)

根据式(3)和(5)得

PIL=20lg|[(1-ω2L1C)ZL+jω(L1+L2)-

jω3L1L2C+jωCZsZL+

(1-ω2L2C)Zs]/(Zs+ZL)|.

(6)

在允许的条件下，电路插入损耗越小越好，为保证滤波效果，一般用于滤波器时，共模电容必须小于0.01 μF，可取范围为2 200～4 700 pF，本文中的共模电容C选用2 000 pF，其共模电感取值范围为20～30 mH，取L1=L2=20 mH。将相关参数代入上述公式，计算图8中的插入损耗。当传导噪声频率ω=20 kHz时，PIL分别为72.6 dBμV(I型)、61.4 dBμV(Ⅱ型)；ω=30 kHz时，PIL分别为80.2 dBμV(I型)、69.3 dBμV(Ⅱ型)；ω=1 MHz时，PIL分别为53.8 dBμV(I型)、54.2 dBμV(Ⅱ型)。由计算结果分析可知，在较低频率段时，Ⅱ型插入损耗较小，其滤波效果较好；在高频时，二者的滤波效果相差不大。

为了进一步验证计算结果，对2种带有滤波器的系统进行测量，结果如图11所示。

图11 实验整流器传导干扰电压测量结果(含EMI滤波器)Fig.11 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (with EMI filter)

测量得出2种类型的接地系统在加入EMI滤波器后，导电干扰的噪声影响明显减少，说明加入的滤波器起到了一定的滤波效果。在低于100 kHz范围内，Ⅱ型系统的传导噪声抑制明显优于I型，在高频范围内，抑制效果相差不大。该结果与上述计算插入损耗分析结果相吻合。

同时，虽然在2.36 MHz和5.13 MHz的峰值检测中测量到了79 dBμV以上的传导干扰电压，但准峰值低于79 dBμV。如图11所示，0.15～30.00 MHz频段的传导干扰电压被抑制到79 dBμV以下(CISPR-A类)。虽然在0.02～0.03 MHz频段测量到超过79 dBμV的导电干扰电压，但是在低于0.15 MHz的频带范围内不受CISPR技术标准的限制。因此，本实验的测量结果可为进一步研究0.15 MHz以下频段稳定运行的可接受干扰电压水平提供一定参考。

3 结束语

本文从380 V直流供电系统的接地故障对人体安全的影响以及传导噪声电压干扰排放的角度，对不同接地配置的380 V直流供电系统进行分析研究。零线直接接地的I型系统广泛应用于通信建筑物的-48 V直流供电系统中，但对于380 V直流供电系统，其结构无法保障供电过程中的安全。对于加入接地电阻的Ⅱ型系统，其结构与浮动系统结构类似，接地线通过正负2个高电阻(20～40 kΩ)连接。I型系统虽然配置简单，但接地故障电流为1～10 kA，人体触电流高于100 mA。可以通过改变电阻值来控制Ⅱ型接地故障电流，降低到20 mA以下，能够有效保障人员生命安全。因此，Ⅱ型接地结构用于380 V直流供电接地系统将更加安全。

利用频谱分析仪对系统噪声排放进行测试对比分析。在0.1～30 MHz之间，I型接地系统与Ⅱ型接地系统之间没有明显差异；在0.1 MHz以下，Ⅱ型系统有略微优势；仿真结果进一步验证了测量结果的正确性。在加入EMI滤波器的I型和Ⅱ型系统中，2种接地方式干扰噪声都有明显下降，并且在一定的频率范围类，传导干扰电压被抑制在79 dBμV以下。因此，通过对比，对含接地电阻的系统同时加入EMI滤波，有效提高了系统的安全性和稳定性。