380 V直流供電系統(tǒng)接地安全及噪聲傳導(dǎo)干擾分析

張建洲，夏華，郭天鴻

(1. 國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000；2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211100；3. 國網(wǎng)雄安新區(qū)供電公司，河北 雄安 071600)

在電源領(lǐng)域，高壓直流供電技術(shù)逐漸被廣泛使用，該技術(shù)利用高壓直流為相應(yīng)的設(shè)備供電：在電力系統(tǒng)中為斷路器分合閘及二次回路中的繼電保護(hù)、微機(jī)保護(hù)等自動(dòng)化設(shè)備供電，為室內(nèi)電信設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備、主控設(shè)備等提供直流電[1]。目前，在通信信息領(lǐng)域中，5G技術(shù)大規(guī)模商用帶來數(shù)據(jù)量的迸發(fā)式增長，使得用戶對(duì)通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量以及速率的要求越來越高。為了實(shí)現(xiàn)高速、大規(guī)模的寬帶服務(wù)，通信企業(yè)安裝了大量高性能信息通信技術(shù)(information and communication technology，ICT)設(shè)備，這些設(shè)備的集成度越來越高，功耗越來越大，為此類大功率信息通信技術(shù)設(shè)備供電變得越來越困難[2]。為了解決這一問題，傳統(tǒng)供電方式采用-48 V低壓直流供電系統(tǒng)[3]，可以安全可靠地為大功率ICT設(shè)備持續(xù)提供電力[4]；但是，-48 V開關(guān)電源電壓較低，電流容量大，電纜線路長，對(duì)設(shè)備供電造成的損耗較大，成本較高[5-6]。而采用380 V直流供電系統(tǒng)供電可以有效解決上述問題。

與傳統(tǒng)-48 V低壓供電電源相比，380 V直流供電系統(tǒng)的設(shè)備集成度更高，單套高壓直流系統(tǒng)帶載等同約3套-48 V直流系統(tǒng)，相同的系統(tǒng)容量下，380 V直流系統(tǒng)可節(jié)省投資50%，并且其線徑較小，在運(yùn)行時(shí)線損更低。隨著高壓直流供電系統(tǒng)技術(shù)的日趨成熟，今后380 V直流設(shè)備將逐步代替-48 V通信電源設(shè)備[7]。本文分析的高壓直流系統(tǒng)采用380 V直流額定電壓，配置簡單，能夠有效為ICT設(shè)備提供電力。

電能傳輸效率更重要的作用是保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[8]。對(duì)于安全，本文特指發(fā)生意外接觸短路時(shí)的人身安全，映射到系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的是接地故障電流，它是由接地電阻決定的，而人體本身電阻較小，因此需要增加保護(hù)裝置來確保人身安全。供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與噪聲以及系統(tǒng)的發(fā)射、瞬態(tài)變化和振蕩有關(guān)[9]，此外，電路系統(tǒng)噪聲的排放與接地系統(tǒng)的線路結(jié)構(gòu)也有密切關(guān)系[10]。因此，接地系統(tǒng)對(duì)保證直流輸電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重要作用，但目前關(guān)于接地系統(tǒng)對(duì)直流輸電系統(tǒng)噪聲傳導(dǎo)影響的研究較少。對(duì)此，本文同時(shí)考慮接地系統(tǒng)的安全以及接地噪聲的影響，提出改進(jìn)的380 V直流供電系統(tǒng)。

本文通過分析高壓輸電系統(tǒng)接地系統(tǒng)的安全特性，加入高阻抗接地電阻，確保短路接地電流在一定范圍內(nèi)，增強(qiáng)了其安全性。并且在系統(tǒng)中增加合適的電磁干擾(electromagnetic interference，EMI)濾波電路[11-12]，測(cè)量噪聲對(duì)加入EMI濾波前后2種接地系統(tǒng)的影響，分析在一定頻率范圍內(nèi)不同接地系統(tǒng)的傳導(dǎo)噪聲干擾。

1 2種典型接地系統(tǒng)配置

1.1 接地系統(tǒng)配置

本文首先定義380 V直流電源供電系統(tǒng)，如圖1所示，其中PFC為功率因數(shù)校正器，3Φ為三相電源。該系統(tǒng)基本設(shè)備包括整流器、DC/DC變流器、蓄電池、配電柜、電源線、ICT設(shè)備等[13]。整流器將經(jīng)過變壓器的三相220 V交流電源轉(zhuǎn)換為380 V直流電源，同時(shí)為蓄電池充電。為了避免人員接觸，保障人員安全，供電線路中所有設(shè)備都與地板絕緣，包括將供電變壓器和儲(chǔ)能電池放置在設(shè)備下方的地板中，與其他設(shè)備物理隔離。電源線連接整流器的正負(fù)輸出端口通過配電柜(power distribution cabinet，PDC)給ICT設(shè)備供電。

圖1 380 V直流供電系統(tǒng)Fig.1 380 V DC power supply system

接地系統(tǒng)的典型組件有垂直接地立管、連接處A和連接處B。電信大樓的鋼結(jié)構(gòu)連接了垂直接地立管，用來均衡接地電壓。接口A為地面與建筑物底部垂直接地立管之間的接地集成終端，集成大樓的所有接地系統(tǒng)；接口B連接各樓層垂直接地立管和綜合接地的端子，同一層樓所有設(shè)備的接地線都連接到這個(gè)終端。

圖2(a)所示為電信通信建筑常用接地系統(tǒng)；圖2(b)則是對(duì)該系統(tǒng)的改進(jìn)，在系統(tǒng)中加入正負(fù)接地阻抗，此時(shí)負(fù)線對(duì)地有電壓，為了保證接地故障安全，需要在負(fù)線段增加1個(gè)熔斷器。

由圖2可知：對(duì)于I型接地結(jié)構(gòu)，接地線直接連接到整流器輸出端口的負(fù)線上，因此，負(fù)線對(duì)地電壓總是為0，當(dāng)人體誤觸到負(fù)線時(shí)，相對(duì)安全。對(duì)于Ⅱ型接地結(jié)構(gòu)，正負(fù)線通過高阻R+、R-接至接地線，二者為相同值，以確保電壓平衡；因此，380 V的直流供電系統(tǒng)的正線電壓為+190 V，負(fù)線電壓為-190 V。

圖2 2種接地系統(tǒng)配置Fig.2 Configuration of two grounding systems

1.2 安全性分析

當(dāng)380 V直流供電系統(tǒng)發(fā)生漏電等接地故障時(shí)，故障電流通過人體的路徑如圖3所示。

圖3 接地故障電流路徑Fig.3 Ground fault current path

為了保證高壓直流供電系統(tǒng)的安全性，必須考慮發(fā)生人體接觸故障時(shí)系統(tǒng)的電流大小。一般人體電阻為1～2 kΩ，本文假設(shè)為1 kΩ，因此，對(duì)于I型接地系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生誤觸接地故障時(shí)，通過人體的接觸電流約為380 mA。根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，人體接觸電流超過20 mA有危險(xiǎn)[14]，此時(shí)無法保證人身安全。而對(duì)于Ⅱ型接地系統(tǒng)，可以通過增加接地電阻值來控制流過人體的電流大小。Ⅱ型接地時(shí)，如果接地點(diǎn)設(shè)置了20～40 kΩ的電阻，則能夠使流過人體的電流減小到20 mA以下。由此可知，Ⅱ型系統(tǒng)比I型系統(tǒng)更加安全。

2種系統(tǒng)的另一個(gè)區(qū)別是短路故障的斷路方法以及接地故障產(chǎn)生的影響。對(duì)于Ⅰ型接地系統(tǒng)，在沒有人的情況下，發(fā)生的短路電流和接地故障電流基本相同，當(dāng)保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)，短路電流大小約為1～10 kA(取決于熔斷器的特性和供電系統(tǒng)的阻抗)[15]。這個(gè)電流值表明熔斷器可以用于斷路系統(tǒng)，但必須考慮接地故障點(diǎn)大電流造成的影響[16]。如前所述，Ⅱ型接地故障電流非常小。因此,盡管接地故障電流檢測(cè)系統(tǒng)是必要的，Ⅱ型接地故障電流大的風(fēng)險(xiǎn)比Ⅰ型接地故障電流小得多，一般不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的電流沖擊。但發(fā)生短路故障時(shí)，其電流將遠(yuǎn)大于接地故障電流，因此需要額外進(jìn)行短路保護(hù)。

2 噪聲傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

本章進(jìn)一步考慮供電系統(tǒng)的傳導(dǎo)噪聲問題，對(duì)2種接地系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加入合適的EMI濾波裝置，以減少傳導(dǎo)噪聲的影響[17]。對(duì)比分析2種不同接地方式加入濾波器后其噪聲傳導(dǎo)影響效果，系統(tǒng)配置如圖4所示。為了更好地分析對(duì)比2種接地系統(tǒng)噪聲排放水平的差異，首先測(cè)量整流器通過電源電纜、接地系統(tǒng)傳輸?shù)脑肼暸欧潘?如圖3的連接方式)，接著對(duì)2種系統(tǒng)增加EMI濾波器后(如圖4連接方式)再次進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比前后噪聲排放水平。

圖4 2種接地系統(tǒng)的配置(含EMI濾波)Fig.4 Configuration of two grounding systems (with EMI filtering)

噪聲排放測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。該測(cè)量系統(tǒng)來自于國際微擾無線電技術(shù)委員會(huì)(International Special Committee on Radio Interference，CISPR)第22號(hào)《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》和16號(hào)《無線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和方法規(guī)范》。在這個(gè)系統(tǒng)中，被測(cè)試設(shè)備是一個(gè)100 kW的實(shí)驗(yàn)高壓直流整流器，在距高壓直流整流器0.8 m處，連接頻譜分析儀的人工干線網(wǎng)絡(luò)(artificial mains network，AMN)，位于地面參考平面，整流器

圖5 噪聲排放水平測(cè)量系統(tǒng)配置Fig.5 Configuration of noise emission level measurement system

的電源線通過AMN連接到純電阻負(fù)載上。連接到AMN上的頻譜分析儀測(cè)量非對(duì)稱信號(hào)電壓，即接地線與負(fù)線之間、接地線與+380 V線之間的電壓信號(hào)。根據(jù)常見電源噪聲影響范圍，將測(cè)量頻率設(shè)置為0.01～30 MHz，檢測(cè)噪聲峰值。CISPR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所定義的能夠接受的值可以為準(zhǔn)峰值或平均值，本文僅測(cè)量峰值以減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間。對(duì)于超過CISPR限值的測(cè)量結(jié)果，采用準(zhǔn)峰值檢測(cè)重新測(cè)量。

2.1 噪聲傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)及仿真

首先對(duì)原先2種接地系統(tǒng)模型進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。其中圖6(a)、(b)分別顯示了I型和Ⅱ型接地系統(tǒng)在沒有增加EMI濾波器情況(圖3連接方式)下傳導(dǎo)干擾電壓的測(cè)量結(jié)果，圖6(c)為I型和Ⅱ型系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾電壓差的數(shù)據(jù)。

圖6 實(shí)驗(yàn)整流器傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)量結(jié)果(無EMI濾波器)Fig.6 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (without EMI filter)

由圖6(a)、(b)可以看出，噪聲傳導(dǎo)影響對(duì)正線(380 V)和負(fù)線(0 V)電壓擾動(dòng)的影響幾乎相同。因此，在這2種系統(tǒng)中，共模干擾噪聲的影響占主導(dǎo)地位[18]。另外，未加濾波器時(shí)，在超過0.10 MHz頻率時(shí)，2個(gè)系統(tǒng)模型的測(cè)量結(jié)果都顯示出幾個(gè)尖峰，這些噪聲峰值是由AC/DC變換器的開關(guān)噪聲引起的。第1個(gè)峰值在133 kHz，為轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，在這個(gè)頻率上，出現(xiàn)了更高模式的開關(guān)噪聲[19]。干擾電壓最大值出現(xiàn)在266 kHz，是開關(guān)噪聲的第2種模式。比較在0.10 MHz以上頻率的傳導(dǎo)噪聲影響，I類接地系統(tǒng)與II類接地系統(tǒng)沒有明顯差異。同時(shí)，在100 kHz以下的頻率條件下，2個(gè)接地系統(tǒng)之間的傳導(dǎo)噪聲干擾電壓略有不同。由圖6(c)可以看出，當(dāng)頻率在70 kHz以下時(shí)，2種系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾電壓差的范圍約為10 dB。

圖7 共模傳導(dǎo)干擾等效電路模型及仿真結(jié)果Fig.7 Equivalent circuit model of common mode conducted interference and simulation results

由圖7(a)可以看出，從干擾電流的傳播線路來看，I型接地模型噪聲源經(jīng)過電流回路(a→b→c→d→e)，同時(shí)向右側(cè)傳播到AMN；對(duì)于接地模型II﹝圖7(b)﹞，干擾電流(a→b→c→d→e→f)需要經(jīng)過較長的線路，通過接地電阻R-(40 kΩ)阻擋，再傳播到AMN；因此，傳播到ICT設(shè)備的傳導(dǎo)干擾電流在低頻時(shí)低于I型系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備造成的影響也較小。

根據(jù)電路對(duì)2種模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)量380 V正線電壓干擾情況﹝如圖7(c)所示﹞。在100 kMz頻率以上，2種類型傳導(dǎo)噪聲測(cè)量結(jié)果沒有明顯差異，但在0.01～100 kHz之間，接入接地電阻的電路產(chǎn)生的噪聲相對(duì)更小。因此，加入接地電阻不僅可以增加安全性能，而且能夠在一定頻率范圍內(nèi)減小傳導(dǎo)噪聲的影響，該結(jié)論與測(cè)量結(jié)果一致。

2.2 含EMI濾波電路噪聲傳導(dǎo)干擾實(shí)驗(yàn)

對(duì)圖7中的2種380 V直流供電系統(tǒng)增加EMI濾波電路，進(jìn)一步對(duì)比分析傳導(dǎo)噪聲干擾的影響，圖8所示為加入典型LCL濾波器的共模傳導(dǎo)干擾等效電路模型[20]。通常用插入損耗PIL來衡量EMI濾波器對(duì)傳導(dǎo)噪聲的抑制作用[21]，通過二端口網(wǎng)絡(luò)分析方法對(duì)含EMI濾波器的電路進(jìn)行分析[22]。

圖8 共模傳導(dǎo)干擾等效電路模型(含EMI濾波)Fig.8 Equivalent circuit model of common mode conducted interference (with EMI filtering)

二端口傳輸方程為

(1)

將式(1)化成矩陣形式為

(2)

式中Z為阻抗參數(shù)矩陣。

EMI濾波電路圖如圖9所示，其中C為濾波電容，L1、L2為濾波電路兩側(cè)濾波電感。

圖9 EMI濾波電路模型Fig.9 EMI filter circuit model

根據(jù)圖9對(duì)式(1)與式(2)計(jì)算并化簡得到EMI濾波器的等效電路參數(shù)矩陣

(3)

式中ω為傳導(dǎo)噪聲頻率。

為方便分析與計(jì)算，對(duì)加入EMI濾波器的干擾傳導(dǎo)電路模型進(jìn)行簡化，得到等效模型如圖10所示。

圖10 加入EMI濾波器的等效模型Fig.10 Equivalent model with EMI filter

其中插入的損耗

(4)

由式(1)和(4)可以推導(dǎo)出插入損耗與源阻抗Zs、負(fù)載阻抗ZL及Z參數(shù)矩陣各個(gè)元素之間關(guān)系式為

PIL=20lg|(z11ZL+z12+z21ZsZL+

z22Zs)/ (Zs+ZL)|.

(5)

根據(jù)式(3)和(5)得

PIL=20lg|[(1-ω2L1C)ZL+jω(L1+L2)-

jω3L1L2C+jωCZsZL+

(1-ω2L2C)Zs]/(Zs+ZL)|.

(6)

在允許的條件下，電路插入損耗越小越好，為保證濾波效果，一般用于濾波器時(shí)，共模電容必須小于0.01 μF，可取范圍為2 200～4 700 pF，本文中的共模電容C選用2 000 pF，其共模電感取值范圍為20～30 mH，取L1=L2=20 mH。將相關(guān)參數(shù)代入上述公式，計(jì)算圖8中的插入損耗。當(dāng)傳導(dǎo)噪聲頻率ω=20 kHz時(shí)，PIL分別為72.6 dBμV(I型)、61.4 dBμV(Ⅱ型)；ω=30 kHz時(shí)，PIL分別為80.2 dBμV(I型)、69.3 dBμV(Ⅱ型)；ω=1 MHz時(shí)，PIL分別為53.8 dBμV(I型)、54.2 dBμV(Ⅱ型)。由計(jì)算結(jié)果分析可知，在較低頻率段時(shí)，Ⅱ型插入損耗較小，其濾波效果較好；在高頻時(shí)，二者的濾波效果相差不大。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，對(duì)2種帶有濾波器的系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖11所示。

圖11 實(shí)驗(yàn)整流器傳導(dǎo)干擾電壓測(cè)量結(jié)果(含EMI濾波器)Fig.11 Measurement results of conducted interference voltage of experimental rectifier (with EMI filter)

測(cè)量得出2種類型的接地系統(tǒng)在加入EMI濾波器后，導(dǎo)電干擾的噪聲影響明顯減少，說明加入的濾波器起到了一定的濾波效果。在低于100 kHz范圍內(nèi)，Ⅱ型系統(tǒng)的傳導(dǎo)噪聲抑制明顯優(yōu)于I型，在高頻范圍內(nèi)，抑制效果相差不大。該結(jié)果與上述計(jì)算插入損耗分析結(jié)果相吻合。

同時(shí)，雖然在2.36 MHz和5.13 MHz的峰值檢測(cè)中測(cè)量到了79 dBμV以上的傳導(dǎo)干擾電壓，但準(zhǔn)峰值低于79 dBμV。如圖11所示，0.15～30.00 MHz頻段的傳導(dǎo)干擾電壓被抑制到79 dBμV以下(CISPR-A類)。雖然在0.02～0.03 MHz頻段測(cè)量到超過79 dBμV的導(dǎo)電干擾電壓，但是在低于0.15 MHz的頻帶范圍內(nèi)不受CISPR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的限制。因此，本實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果可為進(jìn)一步研究0.15 MHz以下頻段穩(wěn)定運(yùn)行的可接受干擾電壓水平提供一定參考。

3 結(jié)束語

本文從380 V直流供電系統(tǒng)的接地故障對(duì)人體安全的影響以及傳導(dǎo)噪聲電壓干擾排放的角度，對(duì)不同接地配置的380 V直流供電系統(tǒng)進(jìn)行分析研究。零線直接接地的I型系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于通信建筑物的-48 V直流供電系統(tǒng)中，但對(duì)于380 V直流供電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)無法保障供電過程中的安全。對(duì)于加入接地電阻的Ⅱ型系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與浮動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類似，接地線通過正負(fù)2個(gè)高電阻(20～40 kΩ)連接。I型系統(tǒng)雖然配置簡單，但接地故障電流為1～10 kA，人體觸電流高于100 mA?？梢酝ㄟ^改變電阻值來控制Ⅱ型接地故障電流，降低到20 mA以下，能夠有效保障人員生命安全。因此，Ⅱ型接地結(jié)構(gòu)用于380 V直流供電接地系統(tǒng)將更加安全。

利用頻譜分析儀對(duì)系統(tǒng)噪聲排放進(jìn)行測(cè)試對(duì)比分析。在0.1～30 MHz之間，I型接地系統(tǒng)與Ⅱ型接地系統(tǒng)之間沒有明顯差異；在0.1 MHz以下，Ⅱ型系統(tǒng)有略微優(yōu)勢(shì)；仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了測(cè)量結(jié)果的正確性。在加入EMI濾波器的I型和Ⅱ型系統(tǒng)中，2種接地方式干擾噪聲都有明顯下降，并且在一定的頻率范圍類，傳導(dǎo)干擾電壓被抑制在79 dBμV以下。因此，通過對(duì)比，對(duì)含接地電阻的系統(tǒng)同時(shí)加入EMI濾波，有效提高了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。