机房零地电压偏高成因分析及整改

耿长友 丁园月 吴吉哲 于振波

【摘 要】本文通过对标准机房和非标准机房零地电压异常实例的检测，分析了标准机房零地电压产生的主要原因、估算方法和消除手段，可以通过调整负载平衡消除中性线上的不平衡电流，或增大中性线线径、减少电缆长度达到降低零地电压的目的。在分析非标准机房混用配電设施出现电流不稳定现象基础上，提出了将非标准机房配电系统由TT系统改为TN-C-S系统，采用共地不共线接地；加大非线性负载的相、零线截面积方法，消除零地电压不平衡状态的整改，达到规范要求。

【关键词】零地电压；不平衡电流；三相负载平衡；重复接地

中图分类号： TM72；TN80 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0196-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.091

0 前言

零地电压是指供配电系统中，零线（N线）与地线（PE线）之间的电位差，理想状况下零地电压为0V。由于电磁兼容的要求，一些设备（如信息设备）要求工作在较低的零地电压的供配电系统中，否则就会影响网络数据传输，甚至损坏设备。如采用共用接地系统的银行、保险公司大楼、证券公司等有较多远程数据通信设备，这些设备对零地电压要求很高。为此，有些设备（如服务器）还专门设计有零地电压检测电路，一旦零地电压高于某一规定值就不能开机。一般零地电压与电源质量、负载和接地性能有直接关系，有时也与UPS等电子供电设备的选用有关。零地电压是机房检测的重要指标，正确处理零地电压问题，对于保证机房安全稳定运行、延长设备使用寿命至关重要。当零地电压不达标时，对于中小功率的UPS，一般采用在其输出端加装输出隔离变压器；对于三进三出的大功率UPS，一般采用在其旁路输入加装旁路隔离变压器[1]；对非UPS供电的各类机房，零地电压指标同样重要。

本文根据实际检测中发现的标准机房及非标准机房零地电压偏高的问题，分析了其产生的可能原因，并提出了对应解决方法，可为山区机房防雷检测和问题整改提供参考。

1 标准机房零地电压偏高的原因和对策

分析零地电压产生的原因，主要有以下几个方面：（1）三相电源配电负载不平衡；（2）接地电阻过大，或接地装置使用不同的材料；（3）N线和PE线线径过细或连接不良，造成阻抗偏大；（4）电网电压不稳定，高频谐波引起电位升高；（5）电磁干扰；（6）UPS、电子稳压器等电子供电设备选用不当[2]。

下面根据某一实例介绍标准机房零地电压偏高的原因与对策

2016年4月，笔者对某公司进行防雷年检时，发现该公司机房零地电压偏高。经进一步检测分析，确定了该机房零地电压过高的原因，提出了整改措施。

1.1 机房概况

该机房按标准机房建设，布局规范，供电系统采用TN-S制。

1.2 现场检测情况

采用南京产mf-47系列指针式万用表、4102A接地电阻测试仪进行现场测试，测得数据如下：（1）电源保护接地：0.4Ω；（2）A相工作电流：93A；（3）B相工作电流：83A；（4）C相工作电流：73A；（5）中性线不平衡电流：20A；（6）零地电压：2.2V。

1.3 原因分析

通过现场检测数据发现，零地电压（2.2V）偏高，存在系统不稳定性隐患。根据平时小电流经验，从三相不平衡电流按比例看，不是太严重，而变压器地网与保护接地共用一个地网，零地电压的产生只能是不平衡电流iN在中线线阻RN上产生的压降。由于中性线为25mm2铜芯线，所以线阻RN应该很小，相应的零地电压也应该很小。但实际情况并非如此，所以只好进行定量计算查找原因。如果采用复数方法计算将比较繁琐，由于是工程应用，不需要数据十分精确，采用座标矢量图进行直观分析（图2）。

以三相电流值为三轴，相互差120°，按合适比例在座标纸上画出，经图上矢量运算可清晰看出中点电位已经从O点飘移到O点（假定功率因数为1，则电压与电流同相）。按比例计算，O到O的值为18A，与万用表测得的中线不平衡电流20A数值比较接近。

20A中线不平衡电流是否能产生2.2V多的压降呢？设中线线阻为RN，不平衡电流iN为20A，零地电压UO按测试值2.2V计，根据欧姆定理计算RN=0.11Ω。铜的电阻率ρ为0.0175Ω·mm2·m-1，铜导线截面积S为25mm2，根据RN=ρL/S，推算电线长度为157m，这与现场估测的实际电缆长度接近，由此说明零地电压产生的主要原因是不平衡电流在中性线上产生的电压降所致。

1.4 整改方法

通过以上分析可见，该机房零地电压偏高的主要原因是：由于三相负载不平衡，导致中性线上产生不平衡电流，在中性线上产生电压降。为此，可以通过调整负载平衡消除中性线上的不平衡电流，或增大中性线线径、减少电缆长度达到降低零地电压的目的。但是由于该电缆是埋地铠装引入，因此无法采用后者方法加以改进，只能通过三相负载平衡的措施。通过进一步现场勘察发现，该机房配电柜还带了该楼层的照明、办公等负载，最后通过将照明、空调等负载调整到其它电缆上，解决三相负载不平衡问题，从而降低零地电压。

2 非标准机房零地电压偏高的原因和对策

下面以某一小型通信基站为例介绍非标准机房零地电压偏高的原因及对策。

2.1 非标准机房概况

笔者在对某通讯公司山顶一处通讯基站进行整改时，通过现场检测，发现该基站的零地电压很高，高达十几伏。经现场勘察，该基站电源输入为一农村配电室，供电系统采用TT系统；变压器用电分配为：全村照明两相用电，一修配车间的三相用电和照明用电；配电的三相线分别分配三个村庄，基站距变压器约1.5km。

2.2 现场检测

利用4102接地电阻测试仪检测，变压器接地电阻为35Ω（供电变压器接地电阻≤30Ω），用万用表测量零地电压为19V，中性线不平衡电流为39A。

2.3 原因分析

由于负载电流不是很大，仅靠调整三相负载平衡并不能完全解决问题，经初步分析造成零地电压偏高的原因要复杂得多。由于供电系统采用TT制，所以影响零地电压的因素就不仅中性线线阻RN和中性线电流iN，还有变压器接地电阻Rp和地中电流ip。

由于基站供电系统所带负载面宽、点多、线长，在公用变压器中性点接地处形成地中电流ip，其产生原因大体有以下几种（如图3所示）：图3（a）绝缘污染产生的漏电流i污；图3（b）用电器漏电产生的电流i漏；图3（c）供电线路对大地的耦合ic；图3（d）野外违规用电，如抽水、打谷等产生的电流i违以及其它各种意想不到的漏电流，都在地中产生地电流以及非线性负载。各种因素产生的电流叠加形成地电流ip回流变压器中性点。

如图4所示，由于公用变压器Rp接地不良，接地电阻偏高，地中电流ip在接地电阻Rp上产生电压降，造成中性点的地电位抬高，该电压降构成了零地电压的重要部分。由于基站供电系统采用的是TT系统，在基站设备处的接地线（PE线）的电位很小，从而造成零地电压偏高。

零地电压偏高将影响系统可靠性和危及系统安全，特别是线路上叠加雷电波后，使其被雷击的概率远高于专用变压器供电的站点。因为地中电流是波动的，并不稳定，将引起供电系统的整体波动。最传统有效的改进方法是加装隔离变压器，并配合其它方法，如屏蔽电磁场干扰等[2]。隔离变压器相对供电线路而言是三相平衡负载，更主要的是它截断了供电与负载的电流回路。

2.4 整改措施

2.4.1 更改配电系统

加装隔离变压器需要资金投入[3]，还有没有其它方法能减轻零地电压的危害呢？我们将TT供电制改为TN—C—S制是经济可行的方法。改造方法是在供電线路进机房前，将中线进行重复接地，并引出接地线作为基站设备接地之用，从而使供电系统由TT系统改为TN-C-S系统[4]，其示意图如图5所示。

2.4.2 更改接地点

由于零地共网，所以零地电压差消失或者很小，很小的部分是因为线阻存在。改造效果可以用4102地阻仪进行验证，因为4102地阻仪的接地桩与图4、图5的地网都无电气联系，相对于被测地网，它是另一个独立地网。改造前用4102地阻仪（AC V）档测中线接地电压；改造后同样再测一次，两相比较发现，虽然零地电压有所减小，但仍不理想。

2.4.3 非线性负载

非线性负载是产生零地电压的原因之一[5]，用加大相线截面积，消除零地电压。设该基站重复接地到基站为15m，用电总功率为13.2KW，每相线功率为4.4KW，相线电流有效值为20A，电流峰值约40A。

按先行常规布线，铜芯线电流密度取5A/mm2，线截面积=4mm。

按非线性负载布线：相线截面积取先行负载的2.5倍，截面积为10mm2；零线取三倍相线截面积为30mm2，零线负载R=0.017×15/30=0.0085Ω，零地电压有效值U=0.0085×20×3=0.51V。非线性布线，零地电压降到1V以下，达到规范要求[6]。

3 结语

通过标准机房和非标准机房的实例分析，造成零地电压偏高的原因有多种，在实际分析时不能只考虑负载平衡，还要考虑非线性负载带来的问题。在进行查找原因时，一定要充分勘察现场，进行全面细致的检测，通过“一问、二看、三测”，分析原因，结合实际进行整改。

【参考文献】

[1]于庚康，韩苏民，刁远伦.信息系统防雷工程中降低零地电位差的常用方法[G].第三届中国防雷论坛论文摘编.2008：111-112.

[2]杨仲江.防雷工程检测审核预验收[M].北京：气象出版社，2005：48.

[3]庄义国.用隔离变压器降低UPS输出零地电压[J].电气技术，2007（4）：76-77.

[4]郑潇，谢琦，余平放。零地电压对数据通信影响的分析[J].电信技术，2010，8：23-27.

[5]李华昭，张文，邓海利，等.济宁工商银行机房零—地电压问题探讨[J].山东气象，2009，29（3）56-57.

[6]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.（7）：269-271.