零地电压形成原因及解决办法

张百坤

(湖州市银都电影娱乐有限公司,浙江湖州 313000)

关于零地电压,各放映设备供应商在机房安装条件中都有明确的标准要求,在数字放映机使用初期,巴可的要求是小于1.2V,科视的要求是小于2V,随着设备升级换代,以及实际使用中出现的问题,各设备商对零地电压的要求也相应提高,无论巴可、NEC、科视放映机供应商,还是服务器供应商GDC,都要求小于1V。机房零地电压超过这个标准的,安装工程师现场会要求使用方解决,不能解决的,可能会拒绝安装。可见零地电压的大小,对于设备使用安全的重要性。那么零地电压到底是什么,怎么形成的,它的危害多大,怎么才能解决零地电压过高的问题呢?本文将这些问题作简要阐述,与同行探讨。

1 零地电压及形成原因

图1 三相五线制供电模式

在分析零地电压之前,首先需要了解供电系统。在我国,目前普遍采用的是由国家电力部门以10KV以上的ABC三相高压传输到用户输变电房,通过变压器转换成380V(三相)、220V(单相),为用户提供设备动力和照明使用。用户端一般采用的是TN-S系统供电模式,也就是我们通常说的三相五线制供电模式,如图1所示。

图1中L1L2L3代表ABC三相,N为零线,PE为地线。零线其实就是ABC三相的公共端引线,地线是设备外壳的接地线,也就是为预防使用者触电而设置的安全保护线。零线和地线都在输变电房接地,其实是联通的。也就是说,零线和地线在输变电房低配端是等电位的,理论上不存在电压差(电压),那么在用户终端又为什么出现零线与地线之间电位差——零地电压呢?首先,我们知道,在用户终端配接的设备有三相供电的,也有单相供电的,其中三相供电设备在设计时已充分考虑三相负载平衡问题,启动时一般不会在零线N上产生电流;而某个单相设备启动时,会在零线N上产生电流,多个单相设备配接在ABC不同的相线上,其零线电流是各相驳接的负载产生的电流之和。根据三相零线电流计算公式:

其中公式(1)i1、i2、i3分别是三根火线上的电流,a1、a2、a3为各相相位角,在初步计算中可以暂时忽略取为0值。可知,单相用电设备在L1L2L3三相配置不平衡即i1≠i2≠i3时,通过将各相电流代入公式计算可得到零线电流值,可以肯定i≠0;另外当使用的设备是呈现容性或感性阻抗时,会使得原来三相电流每两相之间差120度规律打破,出现相位角偏差,即a1≠a2≠a3,那么即使i1=i2=i3,从公式(1)也可以知道零线上会存在电流,即i≠0。其次,根据电磁原理,当导线附近有高频设备运行产生强电磁场辐射时,如果导线没有良好的屏蔽,根据磁、电能量转换原理,磁力线切割导线,导线上也会产生次生谐波电流。以上三个因素是零线上存在电流的原因。而任何材料导线都是有电阻的,导线电阻的大小由计算公式R=ρL/S得出(ρ为材料导电系数、L为导线长度、S为导线截面积),跟使用的导电材料(比如银、铜、铝)有关,材料一定的情况下,导线截面积越小,电阻越大;导线越长,电阻越大。根据以上分析及电压计算公式U=IR得出,只要导线有电流通过,那么导线两端电压降(导线起点与终点的电位差)就一定存在,这就是为什么零线上会产生电压降的原因。明白了这些,那么从图2中分析,零地电压的产生就不难理解了,零地电压一般情况下在数值上就是零线上线阻电压降的值。当然,如果零线端子接触不良或者地线端子接触不良,设备有漏电情况等,也会出现零地电压升高的情况,本文在此不展开分析。

图2 零线N与地线PE电压形成简图

通过以上分析,我们可以清楚地知道,零地电压的产生是由于零线上有电流流过而形成的,原因主要有以下几点:

(1)配电箱内搭接在ABC三相上设备功率大小不同,使得三相负载不平衡;

(2)附近使用高功率的高频设备,产生强电磁场干扰,由于导线屏蔽不良,产生次生谐波电流;

(3)使用容性或感性阻抗的设备,使得一相或者多相电流产生相位角偏差,使得零线上产生电流。

实际上,零地电压要完全消除是不现实的,我们能做的是,尽量控制,使数值在合理范围内。需要说明的是,以上只针对单一配电终端内产生零地电压的原因分析,在一个建筑物内,我们的配电系统采用的是三级配电形式,如图3。

图3 三级配电形式

所谓三级配电,就是从安全使用电能的考虑,一个设备的接入,必须通过三级开关的控制,即所在建筑物的配电房电柜开关、影城总配电箱的分路开关及机房配电箱开关的控制。三级配电箱内多会产生零地电压,且相互影响。前级零地电压的大小限制后级零地电压无限降低,后级零地电压高低影响前级。所以,我们在具体解决问题的时候,要进行全面测量和分析,不能只局限于一个终端(如一个机房配电箱内)考虑问题。

2 零地电压过高的危害

零地电压对用电设备的影响,在以前使用胶片机的时候,我们没有重视。进入数字时代,逐步有了认识,也引起了业内技术人员的重视。由于零地电压过高,会造成放映过程中数字放映机、服务器出现停顿、卡死,自动化放映控制设备失灵,甚至造成数字放映机、服务器、自动化控制计算机上的板卡出现故障损坏等。这些问题,在我们实践工作中不时发生,也促使我们不得不去认真对待。究其原因,笔者认为,是由于放映机板卡、服务器板卡等集成化程度提高,板卡接口等引线间距离很近,零线带电,会引起线间跳火,干扰设备运行,严重时烧坏引线接口,造成部分元器件损坏等,从而引起一系列故障。

3 实例分析和解决处理

2016年湖州某影城6号影厅一台巴可DP20C放映机出现故障。首先出现的是放映中途发生卡顿、死机故障,重启后有时能继续运行。操作人员也没有在意,持续一段时间后,最终出现放映机不能播放电影的故障。联系巴可工程师检查,确认机上的ICP板卡损坏,工程师临时更换一块板卡试机一切正常。但检查发现机房零地电压2.7V,明显高于设备安装使用要求,确定是一起由零地电压过高引起的设备损坏事故,要求影城在没有解决零地电压问题前停止使用该设备。接到影城求助电话后,笔者立即去现场了解情况,该影城2011年开业至今已有6年,当初开业时,设备安装虽有要求,但施工方对零地电压是否进行过控制调整,不是很清楚,今日出现零地电压升高应该有原因。经询问影城技术人员发现,这几年里该机房配电箱内也陆续增加了一些设备配接,但没有做过负载平衡调整。了解情况后,立即着手对该配电箱内配接的设备进行了相间调整,虽有降低,但数值仍然偏高,在1.8V左右。于是分别对影城配电总箱、大楼输变电房电柜以及其他影厅机房的零地电压进行测量,发现输变电房零地电压0.9V,影城总箱1.4V,其他影厅机房配电箱在1.5～1.6V,明显都偏高。调整输变电房零地电压,涉及整个大厦用户和物业,显然操作难度大,所以优先考虑对影城内各个配电箱内的各项配接分线进行相间更换配接调整,先调整各机房,后调整总箱配接,经过多次调整,其他机房和总箱都控制在1.1V左右。再测量6号厅机房零地电压仍有1.5V,还是偏高。该机房距离总配电箱约70m,零线使用8mm的铜导线,电线比较长,考虑增加导线线径的办法来降低零地电压值。目前该机房零地电压与影城总箱的零地电压相差0.4V,这个电压差就是该机房与总箱连接的零线上的线压降,我们只能调整该数值的大小,可以预知该机房的零地电压不会低于1.1V。依据计算公式R=ρL/S、U=IR推算可知,要想使得0.4V的线压降无限接近0V,必须是线阻为0,显然是不现实的,所以用了库存的25mm铜芯线并接在原零线上,理论上导线截面积增加到原来的4倍,线压降应该降到先前的1/4。连接完成后开启所有用电设备,测量零地电压的值为1.21V,结果与预测基本一致,证实分析判断以及解决办法可行。通过这次调整,虽然没有达到巴可最新要求,但也基本符合早期标准,笔者认为略有偏高对放映影响不会很大。事实也证明了这一点,运行四年来未出现类似的问题。

综上所述,零地电压的控制是一个系统性的问题,为有效防止零地电压过高影响影院优质安全放映,甚至造成精密放映电子设备损坏,给影院造成声誉及经济损失,必须预防性地做好零地电压控制工作,重点包括以下几个方面:

(1)影院设计、施工时,每个影厅机房设备用电独立设置终端箱,由于机房设备主要使用单相供电,从影院总箱敷设到分箱电缆,要注意零线线径,尽量使用与相线线径一致的电缆,条件允许的话最好敷设独立零线,用金属管穿管屏蔽干扰。施工前安排施工人员对零地电压进行一次测量,确保在影院设备安装要求范围之内,如果过高,及时与物业联系,让物业对输变电房零地电压先进行处理,以保障后期工作的顺利开展;施工完成、设备安装完毕后,督促施工方对各配电箱零地电压进行全面调整控制,依据先机房后总箱的顺序,将各个点的零地电压调整到要求范围内,力求最小。由于上、下级配电相互牵制,是一个动态调整过程,不能马虎。

(2)影院运行过程中,注意不要随意在机房设备专用箱中配接其它无关设备,确需配接新设备的,配接后必须在开启所有接入设备的情况下,测量零地电压值是否升高,如有升高必须进行相间设备互换调整,使之不超过安装要求。

(3)定期对供电线路中各个配电箱内零线固定桩进行检查并紧固,如发现线桩有焦黑氧化现象必须进行处理,防止因接点接触不良,零线通路电阻升高,而导致零地电压升高。