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从变压器到各IT负载之间,为了安全运行和维护管理考虑,通常将这一距离中的线路分成三级配电母线,即UPS输入配电母线或称市电输入母线L1(含柴油发电机切换后输入),UPS输出配电母线L2,楼层配电母线L3,楼层配电再分路到列头柜(也有将楼层配电与列头柜合而为一的),然后单相接入机架PDU对IT负载进行供电。
这样,从变压器的二次侧接地点G到IT负载的零线输入点N之间,有很长的输电距离,当负载投入运行后,一定有大量的零线电流从N点流回到各级母线,在母线的零排处叠加,叠加后未被抵消的部分将流回到G点。由于零线阻抗的存在,在各级母线的零排之间就形成了电压降。这样以G为参考点,零线上的各个点就形成了对地的电压降,这就是所谓的“零地电压”。零地电压从本质上来说,它与其它电压没有任何特别的地方,只是零线上的电压降。
图1 数据机房配电系统的典型构架图
下面,以UPS输入母排点,即UPS输入零地电压为例来阐述零地电压的形成机理:
UPS输入零地电压-U N1-G可以表示如下,
U N1-G=I1*ZN1-G
这里I1为零线上流过的电流,ZN1-G为N1零排到接地点的零线阻抗。可见,零线压降完全取决与零线电流I1和零线阻抗的ZN1-G大小,当I1或ZN1-G为零时,零线上的电压降为零,即UPS的输入零地电压为零,但这通常不可能做到。
零线阻抗的大小取决于零线的线路长度与线径,对于数据机房而言是个不变量;而零线电流的大小则取决于下列运行条件:
*电网三相电压、相位的对称度;
*三相负载电流大小的对称度;
*三相负载相位的对称度;
*三相负载中是否有3n次谐波的存在等。
其中,电网三相电压、相位的不对称对数据机房用户来说,属于不可控、不可管的“正常现象”,在此不作讨论。
1. 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流I1-1
当L1母线三相配电系统中各相负载大小不相同时,就会出现三相不平衡电流,这一不平衡电流汇流到N1零排时,就合成为零线电流I1-1,如图2(a)所示。
最极端的情况,当A、C两相的负载全部跳开时,此时的零线电流I1-1就等于B相的电流IB,达到该条件下零线电流的最大值,如图2(b)所示。
图2 零线电流的合成
2. 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流I1-2
当I段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因素不相同时,三相电流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位关系,此时也会导致不平衡电流的出现,同样在N1零排处,汇合成零线电流I1-2,如图2(C)所示。
3. 三相负载中的3n次谐波电流的存在产生的零线电流I1-3
由于非线性负载的存在,导致了零线中不仅有基本电流流过,还可能有三次及三的倍数次谐波流过。其基波电流可表示为
iA=IAmsin100πt
iB=IBmsin(100πt-120°)
iC=ICmsin(100πt+120°)
相应的各相三次谐波电流为
iA3=IA3msin300πt
Ib3=IB3msin(300πt-360°)
iC3=IC3msin(300πt+360°)
可见尽管基波电流相差120°,但是其三次谐波电流刚好同相位,在N1零排处直接相加成为同相的零线电流。
由上述三种因素所产生的零线电流,流过N1零排到变压器之间的零线,就形成了零线压降,出现了我们通常所说的UPS输入零地电压,这一零地电压可计算为
UNI-G=(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3
如果线路较长、负载的不平衡度很高或含有三次谐波的非线性负载较多,就可能使UPS的输入零地电压很高。
由此可见,可以总结如下:
n 零地电压与通常的电压完全相同,只是不平衡电流和三次谐波电流流过零线产生的压降;
n 越是在供电链路的末端,其零地电压越高。
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