微机群用户供电零线安全载流量的测量分析与研究

刘文青，刘泉海，祁广科，董家辉

（陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000）

高职院校的计算机房利用率很高，一般开机都达12小时以上，夏天经常发生跳闸现象，零线温度几乎达700，为了解决这个问题，课题组对某大型机房做了专题分析并进行了多次实测。

1 微机群用户用电负荷特点

微机群用户的负荷有开关电源、UPS电流、交流稳压器、变频空调等，均为非线性设备[1]，此负荷的输入电流为非正弦波形，即波形为削顶或脉冲叠加等形状。

2 机房的零线

目前，国内机房一般常采用50 Hz交流电，380/220 V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[2]，因中性点是接地的，则该点又称为零点，从零点引出的导线就称为零线。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[3]，保护线是独立的。

3 测量设备——电流变送器

为了准确测量机房的零线电流，我们选用了变送器。变送器是从传感器发展而来的，凡能输出标准信号的传感器就称为变送器[4]。无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路和接口，就可以从各种变送器获得被测变量的信息。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配置也极为方便。

4 数据测量

4.1 接线方案

为了能直观地监测到计算机房零线电流的变化状况，课题组对一个正在使用的大型计算机房做测量。我们随机选用15台计算机，每相接 5台，测量三相供电的计算机房用电情况，将零线电流穿过有4个端子的HCS－ES5－10A电流变送器的中心孔后，继续接到原USP电源上，给电流变送器加上5 V的直流电压，在输出端串联一个50 Ω的电阻，将示波器并联在此电阻的两端测量电压波形。电路如图1所示。

图1 测量电路图Fig.1 Measurement circuit diagram

4.2 数据测量及分析

为了使测量数据更具说服力，我们测量了多次，抽出其中有代表性的两组测量数据，分别以图标的“.1”、“.2”标识两组波形图并做以对比。因为再次测量时所用的示波器频率不同，第一组测量时用的是60 MHz,第二组测量时用的是100 MHz，因而波形有所不同。测量时，每相电流的数值在电源的指示窗上可以观测到，为了便于分析比对，测量时要求每相相电流均达到一个固定值，第一组：要求每相相电流均达到5.4 A；第二组：要求每相相电流均达到5 A。

接着用示波器测出一相加载和三相都加载时的零线电流波形，如图2和图3所示。

图2 一相加载时的零线电流波形Fig.2 A zero line current waveform of phase loads

图3 三相都加载时的零线电流的波形Fig.3 Three-phase loads of zero line current waveform

利用计算机绘图叠加，我们将图2中的3个单相负载的零线电流波形即图A.2、B.2、C.2的3个波形用EXCEL绘图进行叠加，得到波形如图4所示。

图4 三个单相负载零线电流的叠加波形Fig.4 Three zero line current of single-phase load superposition

通过分析发现，三相都加载时的零线电流如图3中的图a.2与3个单相负载时的零线电流的简单叠加波形如图4完全相同，即三相都加载时的零线电流有效值为3个单相负载时的零相电流的简单叠加。将图2、图3的频率相比较[5]，或者从图4分析，能够得出：三相都加载时的零线电流频率变为单相加载时零线电流频率的3倍。

再次将一相加载时的相线电流与零线电流进行比较，如图5所示。

图5 一相加载时的相线电流和零线电流的波形Fig.5 A load of the phase line current and zero line current waveform

从图5可以看出，一相加载时的相线电流与其零线电流几乎完全相同。依据以上测量和分析，可推断出：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。图6、图7对此结论可做进一步的验证。

图6 三相负载均衡时A相电流的波形Fig.6 When the load balancing A phase current waveform

图7 三相负载均衡时的零线电流Fig.7 Three-phase load balance when the zero line current waveform

为进一步了解零线电流与线电流之间的关系，我们又测量了两相加载时的零线电流波形，如图8所示。

图8 两相加载时的零线电流波形Fig.8 Two phase loads of the zero line current waveform

从图8可知，两相加载时的零线电流几乎完全相同，其中AB两相加载与BC两相加载时的零线电流波形在幅值、相位上几乎完全相同，只有AC两相加载时的零线电流波形与AB、BC两相加载时的波形在相位上有所滞后，其它均完全相同。我们将图8中的图a.2、图b.2及图c.2的波形用计算机进行叠加，变成图9中的图a.2+b.2+c.2的波形，并与图4相比较，发现：3个单相负载时零线电流的叠加与两相负载（AB两相加载、BC两相加载、AC两相加载）时零线电流的叠加在频率和波形上基本相同，仅仅是幅值上相差1.4倍。

图9 两相加载（AB、BC、AC）时的零线电流及其叠加Fig.9 Two phase load(AB,BC,AC)at the time of the zero line current and its stack

5 数理分析

通过实测的波形发现:即使在负载均衡时,零线的电流也不为零，甚至零线的电流有时远大于相电流。经研究和分析，我们认为，主要的原因是负载。因开关电源、UPS、交流稳压器、变频空调等是非线性设备，它们的输入电流是波形削顶、叠加脉冲的非正弦波形。下面从数学理论分析非正弦波电流的特性。

我国的市电是220 V50 Hz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[6]。根据傅立叶级数变换，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。除3n次外的谐波是对称的，其合成电流为零；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，造成导线过热,甚至可能引起火灾。

6 解决措施

高校微机房的负荷属于非线性负载，零线电流是三相电流之和，且不存在50 Hz的基波成分，频率变为基波的3倍，最低频率成分变为150 Hz，要解决零线发热的问题，最简单有效的办法是加大供电线路的截面积。通过上述测量与分析，我们可以得出，三相供电且负载平衡的计算机房，相线电流为非正弦波，汇集到零线后不能相互抵消，零线电流的有效值为相电流的3倍，其安全载流量即变为相电流的3倍，，所以用加滤波器的办法也不能解决上述问题。最有效的办法就是加大导线的截面积。按照发热条件来选取导线，首先需将零线截面积加大到相线截面积的三倍。这样不仅可以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。

7 结束语

课题组通过多次测量微机房的零线电流，并进行数理分析，得出零线电流的安全载流量应是相电流的3倍，提出将零线截面积加大到相线的三倍，得到解决高职院校计算机房夏天经常跳闸的最简单的方法。

[1]李文坚.建设学校计算机房的几点经验[J].中国现代教育装备，2008(11):29-31.

[2]戴绍基.建筑供配电技术[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]柳春生.现代供配电系统实用与新技术问答[M].北京：机械工业出版社,2012.

[4]姚彬.电子元器件与电子实习实训教程[M].北京：机械工业出版社,2009.

[5]刘文青.刘泉海.计算机房供电零线发热的研究及测量分析[J].电子测试，2014(255):229-236.

[6]于风林.认识三次谐波建好电源系统 [J].现代电视技术,2006(8):140-141.