机房维护与环境.docx

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机房维护与环境

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------信息化机房强、弱电与接地要求以及对设备安全概述

1、接地的作用和接地原理方法

2、零地电压的形成

3、零地电压的危害与控制

4、弱电接地规X

5、弱电接地一般规定

6、供电系统时限要求

●接地的作用和接地原理方法

机房安全是维护管理的基本任务。

对设备进行违规X维护，保证各类设备电气和机械性能符合技术指标。

节约能源、器材和维护费用，提高设备使用效率。

一、接地的作用

接地的作用总的步说只有两种：

保护人和设备不受损害；抑制干扰；抑制干扰接地在有的书中又叫工作接地，而前者又叫保护接地。

1、保护接地

保护接地是将DCS中平时不带电的金属部分（机柜外壳，操作台外壳等）与地之间形成良好的导电连接，以保护设备和人身安全。

原因是DCS的供电是强电供电（220V或11OV），通常情况下机壳等是不带电的，当故障发生（如主机电源故障或其它故障）造成电源的供电火线与外壳等导电金属部件短路时，这些金属部件或外壳就形成了带电体，如果没有很好的接地，那么这带电体和地之间就有很高的电位差，如果人不小心触到这些带电体，那么就会通过人身形成通路，产生危险。

因此，必须将金属外壳和地之间作很好的连接，使机壳和地等电位。

此外，保护接地还可以防止静电的积聚。

2、工作接地

　　工作接地是为了使DCS以及与之相连的仪表均能可靠运行并保证测量和控制精度而设的接地。

它分为机器逻辑地、信号回路接地、屏蔽接地，在石化和其它防爆系统中还有本安接地。

3、机器逻辑地，也叫主机电源地，是计算机内部的逻辑电平负端公共地，也是+5V等电源的输出地。

4、信号回路接地，如各变送器的负端接地，开关量信号的负端接地等。

5、屏蔽接地（模拟信号的屏蔽层的接地）。

6、本安接地，是本安仪表或安全栅的接地。

这种接地除了抑制干扰外，还有使仪表和系统具有本质安全性质的措施之一。

本安接地会因为采用的设备的本实措施不同而不同，下面以齐纳式安全栅为例，说明其接地内容，如图3.4.13所示：

该图是一个齐纳式安全栅的接地原理图。

安全栅的作用是保护危险现场端永远处于安全电源和安全电压X围之内。

如果现场端短路，则由于负载电阻和安全栅电阻R的限流作用，会将导线上的电流限制在安全X围内，使现场端不至于产生很高的温度，引起燃烧。

第二种情况，如果计算机一端产生故障，则高压电信号加入了信号回路，则由于齐纳二级的嵌位作用，也使电压位于安全X围。

　　值得提醒的是，由于齐纳安全栅的引入，使得信号回路上的电阻增大了许多，因此，在设计输出回路的负载能力时，除了要考虑真正的负载要求以外，还要充分考虑安全栅的电阻，留有余地。

　　除了上述几种接地外，在很多场合下容易引起混乱的还有一个供电系统地，也叫交流电源工作地，它是电力系统中为了运行需要设的接地（如中性点接地）。

二、接地要求和方法：

　　上面介绍了六种接地：

供电系统地、保护地、逻辑地、屏蔽地安全栅地、信号回路地。

对这六种接地，各家有各家的要求，虽然大都强调一点接地，接地电阻必须小于1欧姆等，但具体内容上差别很大，下面给出几个例子介绍常遇到的接地要求和方法。

①供电系统地：

在很多企业，特别是电厂、冶炼厂，信息机房等，其内有一个很大的地线网，而通常供电系统的地是与地线网连在一起的。

有的厂家强调计算机系统的所有接地必须和供电系统地以及其它（如避雷地）严格分开，而且之间至少应保持15m以上的距离。

为了彻底防止供电系统地的影响，建议供电线线路用隔离变压器隔开。

这对那些电力负荷很重，而且负荷经常启停的单位是应注意的。

从抑制干扰的角度来看，将电力系统地和计算机系统的所有地分开是很有好处的，因为一般电力系统的地线是不太干净的。

但从工程角度来看，在有些场合下单设计算机系统地并保证其与供电系统地隔开一定距离是很困难的，这时可以考虑能否将计算机系统的地和供电地共用一个，这要考虑几个因素：

·供电系统地上是否干扰很大，如大电流设备启停是否频繁，对地产生的干扰是否大；·供电系统地的接地电阻是否足够小，而且整个地网各个部分的电位差是否很小，即地网的各部分之间是否阻值很小（＜1R）

·DCS的抗干扰能力以及所用到的传输信号的抗干扰能力，例如有无小信号（电阻，热电阻）的直接传输等。

②所有计算机接线涉及到的接地采用一点接地方式，在这一点上，也有很多争议。

有的厂家系统提出几个地：

逻辑地、屏蔽地（又叫模拟地）、信号地、保护地分别自己接地在地上打接地装置，而大部分系统则指出各种地在机柜内部自己分别接地，汇于一点，然后用较粗的导体（铜）将各汇地点朕起来，接到一个公共的接地体上。

这里有几点需要注意：

DCS本身是由多台设备组成的，除了控制站以外，还包括很多外设，而且数据也不止一台，这就涉及到了多台设备，多种接地的问题。

此外，一般的DCS的供电是各站（控制站，操作站等）用专门一条线单独供电，即彼此之间不相互供电。

如图3.4.14是一种常用的多站接地图。

　　保护接地：

DCS的所有设备均有一个保护地，该保护一般在机柜和其它设备设计加工时就已在内部接好，有的系统中已将该保护地在内部同电源进线的保护地（三芯插头的中间头）连在一起，有的不允许将保护地同该线相连，用户一定要仔细阅读厂家提供的接地安装说明书，不管哪种方式，CG必须将一台设备（控制站、操作员站等）上所有的外设或系统的CG连在一起，然后用较粗的绝缘铜导线将各站的CG连在一起，最后从一点上与大地接地系统相连。

还有一点值得提醒的是，DCS的所有外设必须从一条供电线上供电，而且一台设备（如操作员站位所连接的所有外设和主机系统（CRT、打印机、拷贝机主机系统）的电源必须从设备的供电分配器上取电，而不允许从其它地方取电，否则可能会烧坏接口甚至设备，对于不得不用长线连接的场合，或用较粗导线提供供电，或采取通信隔离措施。

　　各站的CG在连接时可以采用幅射连接法，也可以采用串行接法。

电源逻辑地（P）如图3.4.15所示。

首先，各站内的逻辑地必须位于一点PG，然后，粗绝缘导线以辐射状接到一点上，然后接到大地接地线上。

在有些系统中，所有的输入，输出均是隔离的，这样其内部逻辑地就是一个独立的单元，与其它部分没有电器连接，这种系统中往往不需要PG接地，而是保持内部浮空。

所以，用户在设计和施工接地系统时，一定要仔细阅读产品的技术要求和接地要求。

·模拟地（AG），模拟地（又叫屏蔽地）是所有的接地中要求最高的一种。

几乎所有的系统都提出AG一点接地，而且接地电阻小于1R。

DCS设计和制造中，在机柜内部都安置了AG汇流排或其它设施。

用户在接线时将屏蔽线分别接到AG汇流排上，在机柜底部，用绝缘的铜辫连到一点，然后将各机柜的汇流点再用绝缘的铜辫或铜条以辐射状连到接地点。

大多数的DCS要求，不仅各机柜AG对地电阻＜1欧姆，而且各机柜之间的电阻也要＜1欧姆。

·信号地的处理：

原则上不允许各变送器和其它的传感器在现场端接地，而都应将其负端在计算机端子处一点接地。

但在有些场合，现场端必须接地，这时，必须注意原信号的输入端子（上双端）绝对不许和计算机的接地线有任何电气连接，而计算机在处理这类信号时，必须在前端采用有效的隔离措施。

·安全栅的接地：

我们回过头来再看图3．4.13所示的安全栅线路图。

从图中可以看出有三个接地点：

B，E，D，通常B和E两点都在计算机这一侧。

可以连在一起，形成一点接地。

而D点是变送器外壳在现场的接地，若现场和控制室两接地点间有电位差存在，那么，D点和E点的电位就不同了。

假设我们以E作为参考点，假定是D点出现10V的电势，此时，A点和E点的电位仍为24V，那么A和D间就可能有34V的电位差了，己超过安全极限电位差，但齐纳管不会被击穿，因为A和E间的电位差没变，因而起不到保护作用。

这时如果不小心现场的信号线碰到外壳上，就可能引起火花，可能会点燃周围的可燃性气体，这样的系统也就不具备本安性能了。

所以，在涉及到安全栅的接地系统设计与实施时，一定要保证D点和B（E）点的电位近似相等。

在具体实践中可以用以下方法解决此问题：

用一根较粗的导线将D点与B点连接起来，来保证D点与B点的电位比较接近。

另一种就是利用统一的接地网，将它们分别接到接地网上，这样，如果接地网的本身电阻很少，再用较好的连接，也能保证D点和B点的电位近似相等。

但注意，此接地一定不要与上面几种接地发生冲突。

一般工控机系统（包括自动化仪表）的接地系统，由接地线接地汇流排、公用连接板、接地体等几部分组成。

　　以上几种接地的方法和注意事项。

在不同的系统中，对这几种接地的组态要求不同，但大多数系统对AG的接地电阻一般要求1欧姆以下，而安全栅的接地电阻应＜4欧姆，最好<1欧姆，PG和CG的接地电阻应小于4欧姆。

●零地电压的形成

零地电压的形成知识普及零地电压的形成知识普及<<隐藏窗体顶端

1、零地电压的形成

1-1、接地系统的定义IEC（IEC：

IEC是国际电工委员会（InternationalElectroTechnicalmission）的缩写。

她也是非政府性国际组织，是联合国社会经济理事会的甲级咨询机构，正式成立于1906年成月，是世界上成立最早的专门国际标准化机构）60364的定义：

TTI第1个字母电源系统对地的关系:

电源系统对地的关系T=一点直接接地I=所有带电部分与地隔离，所有带电部分与地隔离，或一点经阻抗接地TN系统补充的字母S=保护功能保护功能（PE）由一根与中性导体或接地导体相独立的导体提供由一根与中性导体（N）或接地导体相独立的导体提供由一根与中性导体C=中性导体和保护功能组合在一根导体（PEN）中T-Terra大地I-Isolate隔离N-Neutral中性点S-Separate分开C-bine合并大地,隔离,中性点,分开,TNT第2个字母装置的外露可导电部分与地的关系:

装置的外露可导电部分与地的关系T=与地直接电气连接，独立于电源系与地直接电气连接，统的任一接地点N=与电源系统的接地点直接电气连接交流系统中，该点通常是中性点）（交流系统中，该点通常是中性点）

1-2、TT接地系统TT接地系统：

低压变压器中性点直接与接地极相连接；设备的外露可导电部分（外壳）连接到一个独立的接地电极上Uo=220VL1L2L3N380V/220V设备外露可导电部分

①故障电流值If=Uo/（Rn+Ru）=220/（10+10）=11A；

②故障电压值Uf=Ru×If=10×11=110V>UL（50V）

③故障电流可能会产生危险接触电压；If=11A

④随着线路对地泄漏电流的增大，可能产生电弧，进而引起火灾危Uf=110V负载险

⑤必须选择RCD（ResidualCurrentDevice，剩余电流动作保护器，俗称漏电保护器）开关；Rn10?

Ru10?

1-3、TN-C接地系统低压变压器中性点直接与接地极相连接；保护接地线PE和中性线N合并成一根PEN线；常采用重复接地的措施；L1L2L3PENRn1-4、TN-S接地系统低压变压器中性点直接与接地极相连接；装置的外露可导电部分都用PE线连接到同一个接地电极上；PE和中性线分离；

1-4、TN-C-S接地系统在TN-C-S系统中，上游部分是TN-C，下游部分是TN-S；注意：

禁止在TN-C系统的上游使用TN-S系统；当铜芯电缆的截面积小于10mm2，铝芯电缆（和软电缆）的截面积小于16mm2时,应使用TN-S系统；常采用重复接地的措施；PENL1L2L3NPERn

1-5、IT接地系统低压变压器中性点不与接地极相连接；负载的外露可导电部分都用PE导线连接到一个公共接地极上，形成一个等电位联结；L1L2L3NPEL1L2L3NPEPEPE

1-6、接地系统的组合应用串联模式：

MV/LV123PENLV/LVL1L2L3NPENPECPIRnTNCTNSRuTTRuIT

1-7、接地系统的组合应用并联模式：

123NPE1NPEHV/LV123NPETNS（照明灯具）TT（动力设备）123NPE2NPEIT（特殊负载）Rn

1-8、三极断路器与四极断路器的选择3PN4PL1L2L3L1L2L3

1-9、三极断路器与四极断路器的选择根据IEC4651.1.5的规定，正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应采用四极开关；带漏电保护的双电源转换开关应采用四极开关；不同接地系统间的电源切换开关应采用四极开关；TN-C系统严禁采用四极开关（IEC60364-4-473第461.2条规定：

PEN线严禁被隔离电器隔离或被开关切断）；TN-S系统一般不需要设四极开关；TT系统的电源进线开关应采用四极开关；IT系统中当有中性线时应采用四极开关；

2、零地电压的危害

2-1、零地电压产生的环境环境：

我国发电厂的发电机组输出额定电压为3.15～20kV。

为了减少线路能耗、经发电厂中的升压变电所升压至35～500kV，再由高压输电线传送到受电区域变电所，降压至6～10kV，经高压配电线送到用户配电变电所降压至380V低压，供用电设备使用；以机房最常用的TN-S接地系统为例，在变电站（或类似变电站的供电点）变压器次级绕组的中性点一般和大地相连，然后由此引出两条线，即一条零线N和一条地线PE，在此将接地作为交流参考点，由零线N和相线L一起作为设备的供电电源。

TN-S系统是把工作零线N和地线PE严格分开的供电系统，用户侧零地线不允许再次短接。

由于供电线路很长，N线和PE线上的电流不相等，在用户端，零地之间就会产生并存在零地电压。

2-2、零地电压产生的原因LRC零线电压Vn=In×Zn；In为零线电流；零线线路电抗Zn=ρ×L÷S，ρ为导线电导率，L为线长，S为导线截面；如果In=60A、Zn=0.1欧姆，Vn将为6V；电源阻抗：

在高频谐波下，导线之间不在是一个纯电组性元件，而是一个集电感、电容、电阻为一体的高频阻抗电路，其中感抗为XL=2πfC，容抗为Xc=1/2πfC，因为线间存在耦合电感和电容，高次谐波将在零线、地线产生一定的高频电流，也可能抬升零地电压；零地电压产生的原因（续）零线电流In：

①理想状态下，零线上不应该有电；

②在三相五线制供电系统中，零线带电大多数是因为三相负载不平衡造成的；

③有故障状态下，零线没有良好接地，未能形成回路，零线会带电；

④在三相五线制供电系统中，存在谐波也会造成零线带电；由与三相电流或电压矢量方向相同的谐波【3n（n=1、2、3…）次】产生的电流，从零线流回（零线中流回的是相线中的3次倍数谐波的三倍，而不是相线电流的3倍）。

电源阻抗和线路阻抗Zn：

①电流流过导体会产生电压降，这是由于电源和导体都具有电阻和电抗，中性线N和保护地线PE也存在着阻抗，并且随着电缆线的延伸，电缆的阻抗在不断地累积增大；

②在线性电路中线缆的阻抗形式：

着谐波频率的增大而变化的（R为电缆的电阻；wL为电缆的感【Zn（nw）为第n次谐波电流抗）；当电缆中存在着谐波电流时，由于感抗部分变为nw的非线性函数，其数值是随产生的阻抗，它是谐波角频率nw的函数，是各次谐波对感抗的平方和的根】。

2-3、导致零地电压偏大的异常情况三相电源负载不平衡；接地电阻不符合规X要求；N线、PE线线径不够或断路；高频谐波引起电位升高；电磁场干扰；使用UPS、电子稳压器等电子供电设备；使用的插线板不符合电器标准。

2-4、供配电线路中的零地电压在380V交流供电系统里，由于线路保护的需要，通常将三相四线制或三相五线制的中心点通过接地装置直接接地。

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，如图中的G点；从变压器到各IT负载之间，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；供配电线路中的零地电压（续）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”。

以UPS输入母排为参考点，分别讨论以下四个参数值：

①UPS输入端零地电压：

U（N1-G）=I1×Z（N1-G）；

②UPS输出端零地电压：

U（N2-G）=U（N1-G）+U（N-UPS）；

③UPS楼层输出配电柜上的零地电压：

U（N3-G）=U（N1-G）+U（N-UPS）+U（N3-N2）；）

④IT负载机柜输入端的零地电压：

U（N-G）=【U（N1-G）+U（N-UPS）+U（N3-N2）】）+U（N-N3）;其中，U（N-UPS）是指UPS产生的零线电压增益；

3、UPS电源与零地电压问题

3-1、UPS输入端零地电压UPS输入端零地电压：

U（N1-G）=I1×Z（N1-G），I1为零线上流过的电流，Z（N1-G）为N1零排到接地点的零线阻抗。

零线阻抗Z（N1-G）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、相位的平衡度（不可控）;三相负载电流大小的平衡度；三相负载相位的平衡度；三相负载中是否有3n次谐波的存在。

三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流：

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，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，UPS输入端零地电压（续）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I1-2，三相负载中的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。

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。

越是在供电链路的末端，其零地电压越高。

3-2、有效消除UPS输入端零地电压的措施减少从变压器到UPS输入配电柜的距离（长度）；电缆的选择与降低电缆施工中的电磁干扰；

①采用多根同等截面的电缆（2×S）合并使用时，比选择一根大截面（2S）的电缆要好；采用多芯的交联电缆；

②电缆排布整齐，绑扎紧密，横平竖直，直角转弯，结果反而造成相线电缆之间、相线对零线的差模式分布电容以及对地线的共模式分布电容；宜深型的电缆槽；匹配UPS与负载的容量，减少谐波电流THDI：

在低负载率情况下，由于中性线上存在较大的3次谐波5次谐波电流，因此THDI也较大，由此造成的THDU也较大；最先进的IGBT-PFC整流电路中，100%负载率时THDI=4~5%；50%负载率时THDI=7~8%；

3-3、UPS产生零线电压增益的机理工频机UPS（具有有升压变压器UPS）的中性线连接方式UPS产生零线电压增益的机理（续）工频机UPS：

采用可控硅相控整流将交流变成432V直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电还原成成交流，但这一双转换后的线电压只有190V，为了满足负载输出380V/220V的需要，不得不在逆变器的输出端（注意：

不是在UPS输出，不含旁路输出端）加一1:

2的升压变压器将190V的线电压升高到380V；同时，通过这一变压器的△/Y0接法生成零线，以实现UPS三相四线制的输出要求。

对于工频机而言，输出升压变压器是必加的标准件，否则就根本无法正常工作；从图中可见，中性线N是由UPS电源的旁路输入端引入，并且与逆变变压器（而不是起“隔离”作用的变压器）的中性点直接连接，作为UPS输出的中性线。

即使有了这一隔离变压器，但是零线与地线在UPS内部从输入到输出是直通的。

这一隔离变压器在UPS内部没有起到任何的隔离作用。

在UPS正常开机工作时，由于旁路关断，其零线上也不会有电流流过，所以由零线电流产生的零地增益在UPS内部基本是不存在的。

UPS产生零线电压增益的机理（续）但是如果UPS输出的滤波器设计不好或电容故障，就会导致逆变器输出的PWM高频电压成份会部分溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其大小完全取决于滤波器参数的优劣，通常可达3~5V，频率上明显含有高频成份。

如果设计得到好，这一电压增益通常应为0.5~1V。

采用中性点钳位（NPC）三电平电路拓扑结构的双变换UPS（一个NPC三电平变换器的一个桥臂由四个IGBT组成，它们各自有反并联二极管及两个钳位二极管），可有效降低电气和热应力，提高UPS可靠性，降低电磁噪声，减少半导体损耗，提高了效率。

UPS产生零线电压增益的机理（续）高频UPS采用先进成熟的IGBT升压整流技术将交流变成600V左右的直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电直接还原成380V/220V三相四线制的交流电，所以无需所谓工频机的升压变压器。

它使UPS的转换效率大幅度提高，内部损耗发热大幅度减少，器件的可靠性得以明显提高。

就零、地线而言，高频机UPS与工频机UPS完全一样，都是在UPS内部从输入到输出是直通的，不会产生零线电流产生的零地增益。

但是，对于早期的高频机或某些高频机技术起步较晚的厂商，出于降低成本的设计考虑，其输出滤波器设计容量偏小，导致了较高的PWM高频电压成份溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其值达3~5V，并伴有明显的高频成份。

高频机与工频机具有同样的零线电压增益产生机理，零线与地线在两种UPS内部都是直通的；只要滤波器设计得好，两者都可以很好地解决零地电压问题，并使零地电压不含有高频成份，反之，两种UPS都会产生较高的零地电压。

3-4、IT负载机柜输入端零地电压IT负载机柜输入点的零地电压才是“最可怕”的零地电压。

无论在UPS的输出端、楼层输出配电柜上采取什么样的降低零地电压措施，只要IT负载设备输入端的零地电压U（N-G）没有降低（不小于1V），其“严重的危害”就依然存在。

IT负载机柜输入端的零地电压是所有UPS输入零线压降、UPS输出零线压降及楼层配电零线压降的叠加；楼层配电柜输出的零地电压高低直接影响IT负载机柜输入点的零地电压；但在楼层配电柜中加装△/Yo隔离变压器，并将变压器输出的中心点重新接地，即形成新的接地点G2。

这样就在楼层配电柜的输出零排上生成了新的零地电压，此时的零、地线是“紧密”地连接在一起的，所以其新的零地电压一定小于1V，是自欺欺人的做法；就数据中心机房而言，楼层输出配电柜到负载机柜之间采用单相配电，这样在这一配电区间内的零线电流就等于