输配电线路零地电压的产生机理

    　在380V交流供电系统里，由于线路保护的需要，通常将三相四线制的中心点通过接地装置直接接地。当前数据机房配电系统的典型构架如图1所示，系统中通常配置一台或数台10KV/380V △/Yo变压器，Yo侧的中心点通过接地网直接接地，如图1中的G点。

　　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。