微機(jī)群用戶(hù)供電零線(xiàn)安全載流量的測(cè)量分析與研究

劉文青，劉泉海，祁廣科，董家輝

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽(yáng) 712000）

高職院校的計(jì)算機(jī)房利用率很高，一般開(kāi)機(jī)都達(dá)12小時(shí)以上，夏天經(jīng)常發(fā)生跳閘現(xiàn)象，零線(xiàn)溫度幾乎達(dá)700，為了解決這個(gè)問(wèn)題，課題組對(duì)某大型機(jī)房做了專(zhuān)題分析并進(jìn)行了多次實(shí)測(cè)。

1 微機(jī)群用戶(hù)用電負(fù)荷特點(diǎn)

微機(jī)群用戶(hù)的負(fù)荷有開(kāi)關(guān)電源、UPS電流、交流穩(wěn)壓器、變頻空調(diào)等，均為非線(xiàn)性設(shè)備[1]，此負(fù)荷的輸入電流為非正弦波形，即波形為削頂或脈沖疊加等形狀。

2 機(jī)房的零線(xiàn)

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)房一般常采用50 Hz交流電，380/220 V三相四線(xiàn)制供電，有TN－C或TN－S兩種中性點(diǎn)運(yùn)行方式，都是中性點(diǎn)接地的運(yùn)行方式[2]，因中性點(diǎn)是接地的，則該點(diǎn)又稱(chēng)為零點(diǎn)，從零點(diǎn)引出的導(dǎo)線(xiàn)就稱(chēng)為零線(xiàn)。在TN－C運(yùn)行方式中，保護(hù)中性線(xiàn)就是零線(xiàn)；在TN－S運(yùn)行方式中，中性線(xiàn)是零線(xiàn)[3]，保護(hù)線(xiàn)是獨(dú)立的。

3 測(cè)量設(shè)備——電流變送器

為了準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)房的零線(xiàn)電流，我們選用了變送器。變送器是從傳感器發(fā)展而來(lái)的，凡能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的傳感器就稱(chēng)為變送器[4]。無(wú)論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路和接口，就可以從各種變送器獲得被測(cè)變量的信息。這樣，兼容性和互換性大為提高，儀表的配置也極為方便。

4 數(shù)據(jù)測(cè)量

4.1 接線(xiàn)方案

為了能直觀地監(jiān)測(cè)到計(jì)算機(jī)房零線(xiàn)電流的變化狀況，課題組對(duì)一個(gè)正在使用的大型計(jì)算機(jī)房做測(cè)量。我們隨機(jī)選用15臺(tái)計(jì)算機(jī)，每相接 5臺(tái)，測(cè)量三相供電的計(jì)算機(jī)房用電情況，將零線(xiàn)電流穿過(guò)有4個(gè)端子的HCS－ES5－10A電流變送器的中心孔后，繼續(xù)接到原USP電源上，給電流變送器加上5 V的直流電壓，在輸出端串聯(lián)一個(gè)50 Ω的電阻，將示波器并聯(lián)在此電阻的兩端測(cè)量電壓波形。電路如圖1所示。

圖1 測(cè)量電路圖Fig.1 Measurement circuit diagram

4.2 數(shù)據(jù)測(cè)量及分析

為了使測(cè)量數(shù)據(jù)更具說(shuō)服力，我們測(cè)量了多次，抽出其中有代表性的兩組測(cè)量數(shù)據(jù)，分別以圖標(biāo)的“.1”、“.2”標(biāo)識(shí)兩組波形圖并做以對(duì)比。因?yàn)樵俅螠y(cè)量時(shí)所用的示波器頻率不同，第一組測(cè)量時(shí)用的是60 MHz,第二組測(cè)量時(shí)用的是100 MHz，因而波形有所不同。測(cè)量時(shí)，每相電流的數(shù)值在電源的指示窗上可以觀測(cè)到，為了便于分析比對(duì)，測(cè)量時(shí)要求每相相電流均達(dá)到一個(gè)固定值，第一組：要求每相相電流均達(dá)到5.4 A；第二組：要求每相相電流均達(dá)到5 A。

接著用示波器測(cè)出一相加載和三相都加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形，如圖2和圖3所示。

圖2 一相加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形Fig.2 A zero line current waveform of phase loads

圖3 三相都加載時(shí)的零線(xiàn)電流的波形Fig.3 Three-phase loads of zero line current waveform

利用計(jì)算機(jī)繪圖疊加，我們將圖2中的3個(gè)單相負(fù)載的零線(xiàn)電流波形即圖A.2、B.2、C.2的3個(gè)波形用EXCEL繪圖進(jìn)行疊加，得到波形如圖4所示。

圖4 三個(gè)單相負(fù)載零線(xiàn)電流的疊加波形Fig.4 Three zero line current of single-phase load superposition

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，三相都加載時(shí)的零線(xiàn)電流如圖3中的圖a.2與3個(gè)單相負(fù)載時(shí)的零線(xiàn)電流的簡(jiǎn)單疊加波形如圖4完全相同，即三相都加載時(shí)的零線(xiàn)電流有效值為3個(gè)單相負(fù)載時(shí)的零相電流的簡(jiǎn)單疊加。將圖2、圖3的頻率相比較[5]，或者從圖4分析，能夠得出：三相都加載時(shí)的零線(xiàn)電流頻率變?yōu)閱蜗嗉虞d時(shí)零線(xiàn)電流頻率的3倍。

再次將一相加載時(shí)的相線(xiàn)電流與零線(xiàn)電流進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 一相加載時(shí)的相線(xiàn)電流和零線(xiàn)電流的波形Fig.5 A load of the phase line current and zero line current waveform

從圖5可以看出，一相加載時(shí)的相線(xiàn)電流與其零線(xiàn)電流幾乎完全相同。依據(jù)以上測(cè)量和分析，可推斷出：如果三相負(fù)載完全相同，零線(xiàn)與相線(xiàn)的材質(zhì)和截面積也一樣，那么，零線(xiàn)的電壓降、發(fā)熱量及損耗都為單根相線(xiàn)的 3倍。圖6、圖7對(duì)此結(jié)論可做進(jìn)一步的驗(yàn)證。

圖6 三相負(fù)載均衡時(shí)A相電流的波形Fig.6 When the load balancing A phase current waveform

圖7 三相負(fù)載均衡時(shí)的零線(xiàn)電流Fig.7 Three-phase load balance when the zero line current waveform

為進(jìn)一步了解零線(xiàn)電流與線(xiàn)電流之間的關(guān)系，我們又測(cè)量了兩相加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形，如圖8所示。

圖8 兩相加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形Fig.8 Two phase loads of the zero line current waveform

從圖8可知，兩相加載時(shí)的零線(xiàn)電流幾乎完全相同，其中AB兩相加載與BC兩相加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形在幅值、相位上幾乎完全相同，只有AC兩相加載時(shí)的零線(xiàn)電流波形與AB、BC兩相加載時(shí)的波形在相位上有所滯后，其它均完全相同。我們將圖8中的圖a.2、圖b.2及圖c.2的波形用計(jì)算機(jī)進(jìn)行疊加，變成圖9中的圖a.2+b.2+c.2的波形，并與圖4相比較，發(fā)現(xiàn)：3個(gè)單相負(fù)載時(shí)零線(xiàn)電流的疊加與兩相負(fù)載（AB兩相加載、BC兩相加載、AC兩相加載）時(shí)零線(xiàn)電流的疊加在頻率和波形上基本相同，僅僅是幅值上相差1.4倍。

圖9 兩相加載（AB、BC、AC）時(shí)的零線(xiàn)電流及其疊加Fig.9 Two phase load(AB,BC,AC)at the time of the zero line current and its stack

5 數(shù)理分析

通過(guò)實(shí)測(cè)的波形發(fā)現(xiàn):即使在負(fù)載均衡時(shí),零線(xiàn)的電流也不為零，甚至零線(xiàn)的電流有時(shí)遠(yuǎn)大于相電流。經(jīng)研究和分析，我們認(rèn)為，主要的原因是負(fù)載。因開(kāi)關(guān)電源、UPS、交流穩(wěn)壓器、變頻空調(diào)等是非線(xiàn)性設(shè)備，它們的輸入電流是波形削頂、疊加脈沖的非正弦波形。下面從數(shù)學(xué)理論分析非正弦波電流的特性。

我國(guó)的市電是220 V50 Hz正弦波，但由于微機(jī)房中UPS、變頻空調(diào)、開(kāi)關(guān)電源等非線(xiàn)性設(shè)備的大量使用,市電相電流已不再是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，而是畸變較大的非正弦波形[6]。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)變換，對(duì)交流電來(lái)說(shuō)非正弦波電流可以表示為:直流分量以及各次諧波之和。除3n次外的諧波是對(duì)稱(chēng)的，其合成電流為零；微機(jī)房A、B、C的3n次諧波電流是同相的，在零線(xiàn)的電流合成為相線(xiàn)的三倍。正因3n次諧波的同相疊加,才導(dǎo)致即使在三相負(fù)載均衡時(shí)零線(xiàn)電流也不為零,在諧波嚴(yán)重時(shí)零線(xiàn)電流會(huì)遠(yuǎn)大于相電流，造成導(dǎo)線(xiàn)過(guò)熱,甚至可能引起火災(zāi)。

6 解決措施

高校微機(jī)房的負(fù)荷屬于非線(xiàn)性負(fù)載，零線(xiàn)電流是三相電流之和，且不存在50 Hz的基波成分，頻率變?yōu)榛ǖ?倍，最低頻率成分變?yōu)?50 Hz，要解決零線(xiàn)發(fā)熱的問(wèn)題，最簡(jiǎn)單有效的辦法是加大供電線(xiàn)路的截面積。通過(guò)上述測(cè)量與分析，我們可以得出，三相供電且負(fù)載平衡的計(jì)算機(jī)房，相線(xiàn)電流為非正弦波，匯集到零線(xiàn)后不能相互抵消，零線(xiàn)電流的有效值為相電流的3倍，其安全載流量即變?yōu)橄嚯娏鞯?倍，，所以用加濾波器的辦法也不能解決上述問(wèn)題。最有效的辦法就是加大導(dǎo)線(xiàn)的截面積。按照發(fā)熱條件來(lái)選取導(dǎo)線(xiàn)，首先需將零線(xiàn)截面積加大到相線(xiàn)截面積的三倍。這樣不僅可以解決零線(xiàn)發(fā)熱或在接頭處燒壞的問(wèn)題，而且投入低，操作簡(jiǎn)單易懂，在實(shí)際的施工中較容易實(shí)現(xiàn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

課題組通過(guò)多次測(cè)量微機(jī)房的零線(xiàn)電流，并進(jìn)行數(shù)理分析，得出零線(xiàn)電流的安全載流量應(yīng)是相電流的3倍，提出將零線(xiàn)截面積加大到相線(xiàn)的三倍，得到解決高職院校計(jì)算機(jī)房夏天經(jīng)常跳閘的最簡(jiǎn)單的方法。

[1]李文堅(jiān).建設(shè)學(xué)校計(jì)算機(jī)房的幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2008(11):29-31.

[2]戴紹基.建筑供配電技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3]柳春生.現(xiàn)代供配電系統(tǒng)實(shí)用與新技術(shù)問(wèn)答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4]姚彬.電子元器件與電子實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[5]劉文青.劉泉海.計(jì)算機(jī)房供電零線(xiàn)發(fā)熱的研究及測(cè)量分析[J].電子測(cè)試，2014(255):229-236.

[6]于風(fēng)林.認(rèn)識(shí)三次諧波建好電源系統(tǒng) [J].現(xiàn)代電視技術(shù),2006(8):140-141.