零地電壓形成原因及解決辦法

張百坤

(湖州市銀都電影娛樂有限公司,浙江湖州 313000)

關(guān)于零地電壓,各放映設(shè)備供應(yīng)商在機(jī)房安裝條件中都有明確的標(biāo)準(zhǔn)要求,在數(shù)字放映機(jī)使用初期,巴可的要求是小于1.2V,科視的要求是小于2V,隨著設(shè)備升級(jí)換代,以及實(shí)際使用中出現(xiàn)的問題,各設(shè)備商對(duì)零地電壓的要求也相應(yīng)提高,無論巴可、NEC、科視放映機(jī)供應(yīng)商,還是服務(wù)器供應(yīng)商GDC,都要求小于1V。機(jī)房零地電壓超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的,安裝工程師現(xiàn)場(chǎng)會(huì)要求使用方解決,不能解決的,可能會(huì)拒絕安裝。可見零地電壓的大小,對(duì)于設(shè)備使用安全的重要性。那么零地電壓到底是什么,怎么形成的,它的危害多大,怎么才能解決零地電壓過高的問題呢?本文將這些問題作簡(jiǎn)要闡述,與同行探討。

1 零地電壓及形成原因

圖1 三相五線制供電模式

在分析零地電壓之前,首先需要了解供電系統(tǒng)。在我國(guó),目前普遍采用的是由國(guó)家電力部門以10KV以上的ABC三相高壓傳輸?shù)接脩糨斪冸姺?通過變壓器轉(zhuǎn)換成380V(三相)、220V(單相),為用戶提供設(shè)備動(dòng)力和照明使用。用戶端一般采用的是TN-S系統(tǒng)供電模式,也就是我們通常說的三相五線制供電模式,如圖1所示。

圖1中L1L2L3代表ABC三相,N為零線,PE為地線。零線其實(shí)就是ABC三相的公共端引線,地線是設(shè)備外殼的接地線,也就是為預(yù)防使用者觸電而設(shè)置的安全保護(hù)線。零線和地線都在輸變電房接地,其實(shí)是聯(lián)通的。也就是說,零線和地線在輸變電房低配端是等電位的,理論上不存在電壓差(電壓),那么在用戶終端又為什么出現(xiàn)零線與地線之間電位差——零地電壓呢?首先,我們知道,在用戶終端配接的設(shè)備有三相供電的,也有單相供電的,其中三相供電設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)已充分考慮三相負(fù)載平衡問題,啟動(dòng)時(shí)一般不會(huì)在零線N上產(chǎn)生電流;而某個(gè)單相設(shè)備啟動(dòng)時(shí),會(huì)在零線N上產(chǎn)生電流,多個(gè)單相設(shè)備配接在ABC不同的相線上,其零線電流是各相駁接的負(fù)載產(chǎn)生的電流之和。根據(jù)三相零線電流計(jì)算公式:

其中公式(1)i1、i2、i3分別是三根火線上的電流,a1、a2、a3為各相相位角,在初步計(jì)算中可以暫時(shí)忽略取為0值?？芍?單相用電設(shè)備在L1L2L3三相配置不平衡即i1≠i2≠i3時(shí),通過將各相電流代入公式計(jì)算可得到零線電流值,可以肯定i≠0;另外當(dāng)使用的設(shè)備是呈現(xiàn)容性或感性阻抗時(shí),會(huì)使得原來三相電流每?jī)上嘀g差120度規(guī)律打破,出現(xiàn)相位角偏差,即a1≠a2≠a3,那么即使i1=i2=i3,從公式(1)也可以知道零線上會(huì)存在電流,即i≠0。其次,根據(jù)電磁原理,當(dāng)導(dǎo)線附近有高頻設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)輻射時(shí),如果導(dǎo)線沒有良好的屏蔽,根據(jù)磁、電能量轉(zhuǎn)換原理,磁力線切割導(dǎo)線,導(dǎo)線上也會(huì)產(chǎn)生次生諧波電流。以上三個(gè)因素是零線上存在電流的原因。而任何材料導(dǎo)線都是有電阻的,導(dǎo)線電阻的大小由計(jì)算公式R=ρL/S得出(ρ為材料導(dǎo)電系數(shù)、L為導(dǎo)線長(zhǎng)度、S為導(dǎo)線截面積),跟使用的導(dǎo)電材料(比如銀、銅、鋁)有關(guān),材料一定的情況下,導(dǎo)線截面積越小,電阻越大;導(dǎo)線越長(zhǎng),電阻越大。根據(jù)以上分析及電壓計(jì)算公式U=IR得出,只要導(dǎo)線有電流通過,那么導(dǎo)線兩端電壓降(導(dǎo)線起點(diǎn)與終點(diǎn)的電位差)就一定存在,這就是為什么零線上會(huì)產(chǎn)生電壓降的原因。明白了這些,那么從圖2中分析,零地電壓的產(chǎn)生就不難理解了,零地電壓一般情況下在數(shù)值上就是零線上線阻電壓降的值。當(dāng)然,如果零線端子接觸不良或者地線端子接觸不良,設(shè)備有漏電情況等,也會(huì)出現(xiàn)零地電壓升高的情況,本文在此不展開分析。

圖2 零線N與地線PE電壓形成簡(jiǎn)圖

通過以上分析,我們可以清楚地知道,零地電壓的產(chǎn)生是由于零線上有電流流過而形成的,原因主要有以下幾點(diǎn):

(1)配電箱內(nèi)搭接在ABC三相上設(shè)備功率大小不同,使得三相負(fù)載不平衡;

(2)附近使用高功率的高頻設(shè)備,產(chǎn)生強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾,由于導(dǎo)線屏蔽不良,產(chǎn)生次生諧波電流;

(3)使用容性或感性阻抗的設(shè)備,使得一相或者多相電流產(chǎn)生相位角偏差,使得零線上產(chǎn)生電流。

實(shí)際上,零地電壓要完全消除是不現(xiàn)實(shí)的,我們能做的是,盡量控制,使數(shù)值在合理范圍內(nèi)。需要說明的是,以上只針對(duì)單一配電終端內(nèi)產(chǎn)生零地電壓的原因分析,在一個(gè)建筑物內(nèi),我們的配電系統(tǒng)采用的是三級(jí)配電形式,如圖3。

圖3 三級(jí)配電形式

所謂三級(jí)配電,就是從安全使用電能的考慮,一個(gè)設(shè)備的接入,必須通過三級(jí)開關(guān)的控制,即所在建筑物的配電房電柜開關(guān)、影城總配電箱的分路開關(guān)及機(jī)房配電箱開關(guān)的控制。三級(jí)配電箱內(nèi)多會(huì)產(chǎn)生零地電壓,且相互影響。前級(jí)零地電壓的大小限制后級(jí)零地電壓無限降低,后級(jí)零地電壓高低影響前級(jí)。所以,我們?cè)诰唧w解決問題的時(shí)候,要進(jìn)行全面測(cè)量和分析,不能只局限于一個(gè)終端(如一個(gè)機(jī)房配電箱內(nèi))考慮問題。

2 零地電壓過高的危害

零地電壓對(duì)用電設(shè)備的影響,在以前使用膠片機(jī)的時(shí)候,我們沒有重視。進(jìn)入數(shù)字時(shí)代,逐步有了認(rèn)識(shí),也引起了業(yè)內(nèi)技術(shù)人員的重視。由于零地電壓過高,會(huì)造成放映過程中數(shù)字放映機(jī)、服務(wù)器出現(xiàn)停頓、卡死,自動(dòng)化放映控制設(shè)備失靈,甚至造成數(shù)字放映機(jī)、服務(wù)器、自動(dòng)化控制計(jì)算機(jī)上的板卡出現(xiàn)故障損壞等。這些問題,在我們實(shí)踐工作中不時(shí)發(fā)生,也促使我們不得不去認(rèn)真對(duì)待。究其原因,筆者認(rèn)為,是由于放映機(jī)板卡、服務(wù)器板卡等集成化程度提高,板卡接口等引線間距離很近,零線帶電,會(huì)引起線間跳火,干擾設(shè)備運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)燒壞引線接口,造成部分元器件損壞等,從而引起一系列故障。

3 實(shí)例分析和解決處理

2016年湖州某影城6號(hào)影廳一臺(tái)巴可DP20C放映機(jī)出現(xiàn)故障。首先出現(xiàn)的是放映中途發(fā)生卡頓、死機(jī)故障,重啟后有時(shí)能繼續(xù)運(yùn)行。操作人員也沒有在意,持續(xù)一段時(shí)間后,最終出現(xiàn)放映機(jī)不能播放電影的故障。聯(lián)系巴可工程師檢查,確認(rèn)機(jī)上的ICP板卡損壞,工程師臨時(shí)更換一塊板卡試機(jī)一切正常。但檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)房零地電壓2.7V,明顯高于設(shè)備安裝使用要求,確定是一起由零地電壓過高引起的設(shè)備損壞事故,要求影城在沒有解決零地電壓?jiǎn)栴}前停止使用該設(shè)備。接到影城求助電話后,筆者立即去現(xiàn)場(chǎng)了解情況,該影城2011年開業(yè)至今已有6年,當(dāng)初開業(yè)時(shí),設(shè)備安裝雖有要求,但施工方對(duì)零地電壓是否進(jìn)行過控制調(diào)整,不是很清楚,今日出現(xiàn)零地電壓升高應(yīng)該有原因。經(jīng)詢問影城技術(shù)人員發(fā)現(xiàn),這幾年里該機(jī)房配電箱內(nèi)也陸續(xù)增加了一些設(shè)備配接,但沒有做過負(fù)載平衡調(diào)整。了解情況后,立即著手對(duì)該配電箱內(nèi)配接的設(shè)備進(jìn)行了相間調(diào)整,雖有降低,但數(shù)值仍然偏高,在1.8V左右。于是分別對(duì)影城配電總箱、大樓輸變電房電柜以及其他影廳機(jī)房的零地電壓進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)輸變電房零地電壓0.9V,影城總箱1.4V,其他影廳機(jī)房配電箱在1.5～1.6V,明顯都偏高。調(diào)整輸變電房零地電壓,涉及整個(gè)大廈用戶和物業(yè),顯然操作難度大,所以優(yōu)先考慮對(duì)影城內(nèi)各個(gè)配電箱內(nèi)的各項(xiàng)配接分線進(jìn)行相間更換配接調(diào)整,先調(diào)整各機(jī)房,后調(diào)整總箱配接,經(jīng)過多次調(diào)整,其他機(jī)房和總箱都控制在1.1V左右。再測(cè)量6號(hào)廳機(jī)房零地電壓仍有1.5V,還是偏高。該機(jī)房距離總配電箱約70m,零線使用8mm的銅導(dǎo)線,電線比較長(zhǎng),考慮增加導(dǎo)線線徑的辦法來降低零地電壓值。目前該機(jī)房零地電壓與影城總箱的零地電壓相差0.4V,這個(gè)電壓差就是該機(jī)房與總箱連接的零線上的線壓降,我們只能調(diào)整該數(shù)值的大小,可以預(yù)知該機(jī)房的零地電壓不會(huì)低于1.1V。依據(jù)計(jì)算公式R=ρL/S、U=IR推算可知,要想使得0.4V的線壓降無限接近0V,必須是線阻為0,顯然是不現(xiàn)實(shí)的,所以用了庫(kù)存的25mm銅芯線并接在原零線上,理論上導(dǎo)線截面積增加到原來的4倍,線壓降應(yīng)該降到先前的1/4。連接完成后開啟所有用電設(shè)備,測(cè)量零地電壓的值為1.21V,結(jié)果與預(yù)測(cè)基本一致,證實(shí)分析判斷以及解決辦法可行。通過這次調(diào)整,雖然沒有達(dá)到巴可最新要求,但也基本符合早期標(biāo)準(zhǔn),筆者認(rèn)為略有偏高對(duì)放映影響不會(huì)很大。事實(shí)也證明了這一點(diǎn),運(yùn)行四年來未出現(xiàn)類似的問題。

綜上所述,零地電壓的控制是一個(gè)系統(tǒng)性的問題,為有效防止零地電壓過高影響影院優(yōu)質(zhì)安全放映,甚至造成精密放映電子設(shè)備損壞,給影院造成聲譽(yù)及經(jīng)濟(jì)損失,必須預(yù)防性地做好零地電壓控制工作,重點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面:

(1)影院設(shè)計(jì)、施工時(shí),每個(gè)影廳機(jī)房設(shè)備用電獨(dú)立設(shè)置終端箱,由于機(jī)房設(shè)備主要使用單相供電,從影院總箱敷設(shè)到分箱電纜,要注意零線線徑,盡量使用與相線線徑一致的電纜,條件允許的話最好敷設(shè)獨(dú)立零線,用金屬管穿管屏蔽干擾。施工前安排施工人員對(duì)零地電壓進(jìn)行一次測(cè)量,確保在影院設(shè)備安裝要求范圍之內(nèi),如果過高,及時(shí)與物業(yè)聯(lián)系,讓物業(yè)對(duì)輸變電房零地電壓先進(jìn)行處理,以保障后期工作的順利開展;施工完成、設(shè)備安裝完畢后,督促施工方對(duì)各配電箱零地電壓進(jìn)行全面調(diào)整控制,依據(jù)先機(jī)房后總箱的順序,將各個(gè)點(diǎn)的零地電壓調(diào)整到要求范圍內(nèi),力求最小。由于上、下級(jí)配電相互牽制,是一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過程,不能馬虎。

(2)影院運(yùn)行過程中,注意不要隨意在機(jī)房設(shè)備專用箱中配接其它無關(guān)設(shè)備,確需配接新設(shè)備的,配接后必須在開啟所有接入設(shè)備的情況下,測(cè)量零地電壓值是否升高,如有升高必須進(jìn)行相間設(shè)備互換調(diào)整,使之不超過安裝要求。

(3)定期對(duì)供電線路中各個(gè)配電箱內(nèi)零線固定樁進(jìn)行檢查并緊固,如發(fā)現(xiàn)線樁有焦黑氧化現(xiàn)象必須進(jìn)行處理,防止因接點(diǎn)接觸不良,零線通路電阻升高,而導(dǎo)致零地電壓升高。