交流供电线与保护地线之间异常电压的分析和处理

交流供电线与保护地线之间异常电压的分析和处理高平，陈海列（浙江中控技术股份有限公司质量中心，浙江杭州，310053）摘要：在交流用电设备的安装调试过程中，时常会发现交流电源零线和保护地之间的电压远超过了的正常的由导线电阻产生的电压差，其值一般会在供电电压的一半左右，如220VAC(有效值，下同)市电供电情况下，零线（N）、相线(L)与保护地线(PE)间的电压会出现110VAC左右的压差。本文主要通过实际测量和电路分析的方法，阐述了两种不同的情况下异常电压的产生原因，论证了供电系统接地异常和共模电容使用是该异常电压的主要成因，并测算了在一般情况下的这种电压差是否会对人身安全和设备正常使用造成威胁；最后给出了这种异常电压的处理建议。关键词：N、PE异常电压共模电容分析和处理AnalysisandHandlingofAbnormalVoltageBetweenACPowerSupplyLineandtheProtectiveEarthGaoPing,ChenHailieZhejiangSUPCONCo.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang,310053,ChinaAbstract:TheabnormalvoltagewillbeoftenfoundbetweenzerolineofACpowercordandprotectionearthduringtheinstallationandcommissioningoftheACequipments,itsvaluegenerallyisinabouthalfoftheACsupplypower,forexample,itwillbeabout110VACwhenthevoltageofthepoweris220VAC.Throughtheactualmeasurementandthecircuitanalysismethod,Thispaperhasmainlyexplainedtwodifferentcauseoftheabnormalvoltage,anddemonstratedabadgroundingpowersupplysystemandtheuseofcommon-modecapacitorsisthemaincauseofthevoltage,andestimatedtheabnormalvoltagewhetherwillbethreattopersonalsafetyandproperuseingeneralcase.Thehandlingproposalsoftheabnormalvoltagearegivenfinally.Keywords:N,PE,AbnormalVoltage,Common-ModeCapacitors,AnalysisandHandling在DCS设备调试过程中，有时会发现交流供电电源的零线N和保护地PE之间存在远超过安全电压的电压，如不很好的处理，可能会对用电设备和人身安全造成威胁，现根据其成因分别论述并探讨处理方案。1因为保护地未接地和使用共模电容而造成的N-PE之间异常电压在一次在单项交流供电的控制机柜A1的上电后检查过程中发现，L-N电压为220V1，PE（柜内保护地汇流条）和柜内电源输入端L、N之间的交流电压测量值都在110V左右，人体触及柜体金属裸露处有轻微麻感。实测相邻机柜A2无此现象，L-PE电压为220V左右，N-PE电压在0V左右，。经过排查和分析发现A1机柜的接地线异常断开，PE和接地汇总铜排电压为110V左右，L、N和接地汇总铜排的电压分别为220V左右、0V左右；恢复接地后L、N、PE之间电压恢复到与A2机柜测量值一致，PE和接地汇总铜排电压恢复到0V，初步确认为保护地未接地造成的N-PE电压异常。为了进一步确定N-PE电压异常的成因，在设置隔离区和警示标志后，拆除了A2机柜的保护地的接地线，使机柜对地浮空；再次测量L、N、PE之间的电压，测量结果再次出现了不一致，PE与L、N、接地汇总铜排之间电压测量值均为0V。从以上测量结果来看同样为保护地未接地，但A1和A2机柜之间的现象不同，N-PE之间异常电压除接地外，还存在其他的因素，随即对A1、A2的供电原理图进行对比分析（分别见图1，图2），发现以下不同：L、N在进入A1机柜后，首先经过电源滤波器后再给柜内设备供电；而L、N进入A2柜后，没有经过电源滤波器。电源滤波器电源220VAC分电装置和用电设备电源220VAC分电装置和用电设备总断路器PE（汇流条）LNLN总断路器图1.A1柜供电原理图图2.A2柜供电原理图经过查询，电源滤波器的典型结构见图3，其中L被称为共模扼流圈，C1、C2被称为差模电容，C3、C4被称为共模电容。图3电源滤波器的典型结构在实际应用应用中，输入端（引脚1，引脚2）接供电线L、N，输出（引脚3，引脚5）则接柜内的分电空开、用电设备的输入端的L、N，接地端（引脚4、外壳）则接入柜内保护接地排，通过机柜的接地连线接入接地汇总排，进而接入大地。由此，若仅考察PE与L、N之间的联系，则电源滤波器部分原理可以简化为图4：LN12354C4输入输入输出L输出NC3图4电源滤波器的简化原理图由此可以分析得出，N-PE电压异常的成因：若机柜保护地汇流条未真正接入大地，则电源滤波器的接地（引脚4）对大地浮空；而L、N之间因为为交流电，且存在共模电容C3,C4的原因，实际上形成了分压；由于滤波器中采用共模电容都采用对等设计，即C3=C4，则根据分压原理，接地端（引脚4）与N之间的电压为:VUUZZZUNLNLCCCPEN11021434式1式中：PENU：N与PE之间的电压值NLU：L与N之间的电压值3CZ4CZ：C3、C4的交流租抗值式1PENU计算因供电为TN-S制式，N在电源端接入大地，在正常情况下，N线对大地电位应在0V左右，故A1机柜的保护地汇流条以及与之相连的机柜外壳等均对大地有110VAC左右的电压；当机柜保护地汇流条铜排恢复接入大地后，PE（柜内保护地汇流条）对大地电位恢复为0V，N-PE之间的电位恢复到0V左右，而L-PE和N-PE也恢复为220V左右。2因为使用隔离变压器和共模电容而造成的N-PE之间异常电压在另一应用场合，在一机柜A3在上电后的检查过程中发现了与A1机柜类似的现象，即PE与电源输入端L、N之间的电压为110V；随即检查机柜保护接地情况，接地良好，未发现异常，实测PE与接地汇总铜排之间电压为0V，L、N和接地汇总铜排之间的电压均为110V左右，人体触及机柜金属裸露处无麻感。经过对比分析发现，给机柜A3供电的电源是经过经过隔离变压器转换后接入柜内UPS的，其供电原理图见图5。LN市电输入隔离输出L0N0隔离变压器1:1UPS柜内用电设备A3柜L1N1PEPE图5A3柜供电原理图经询问UPS的技术支持人员得知，UPS内部也存在类似图4的共模电容结构，若仅考察L、N（L0、N0）与PE的关系，则图5可简化为：LN市电输入隔离输出L0N0隔离变压器1:1PEC4输出L1输出N1C3UPSPE电源端接地保护接地图6A3柜供电图简化原理图则根据式1可得出UL-PE=UN-PE=21UL-N110V，符合实测数据；由于PE已接入大地，则PE=0V，故L、N对大地的电压值均为110V，L0与L、N之间的电压分别为110V和330V左右。3N-PE异常电压危害的分析和处理针对第一种情况，因未接地而造成的L、N与PE之间的电压异常，其危害在于机柜的保护地电位为110V超过了安全电压，人体触及机柜外壳或与保护接地相连的设备时，会有触电的麻感；但因共模电容C3,C4的容值较小，一般仅在nf级别，为几纳发～几十纳发，则人体接触后实际流过人体的电流在人体安全电流范围内，不会造成实际的触电危害。在使用共模电容的机柜保护地未接入大地时，人体触及机柜外壳金属裸露部分或与柜内保护地汇流条相连的导电部分时，其电路原理与见图7。LN12354C4输入输入C3大地大地RNL接地端图7人体触及使用共模电容但未接保护地的机柜外壳的示意图若取共模电容的容值C3=C4=100nF=10-7F，人体电阻值取R=0Ω、R=1kΩ和R=20MΩ的情况，则在图8的情况下人力所承受的电压和电流分别为：①R=0Ω时：mACfUZUINLCNLR91.6103.182203214-30；式200RU；②R=1kΩ时：mARZRZZUICCCNLC71.64433式3VZIUUCCNLR50.6331000式4mARUIRR5.6100053.61000式5③R=20MΩ时：ARZRZZUICCCNLC46.34433式6VZIUUCCNLR91.1093320000000式7mARUIRR01.020000000式8式2～式8多种人体阻抗条件下的流经人体的电流和电压计算从以上计算过程可以看出，当C3=C4=100nF时，人体触摸未接地的机柜外壳时，虽然流程人体的电流不会超过10mA,在人体安全电流限值范围内；但在人体电阻较小时，可能会有触电的麻、痛感，对一些敏感的设备仪器也有可能造成工作异常或元器件损坏；而随着共模电容容值的增大，其交流阻抗相应减低，则对人体的危害会增大。通过理论分析和实践可知，只需将机柜接地即可消除此威胁。针对第二种情况，因为同时使用隔离变压器和共模电容而造成的L、N与PE的异常电压，从原理上分析来看，PE和大地之间没有电压差，对使用过程中不会对人体产生不良影响；但因N-PE之间存在异常的110V电压，对柜内的用电设备可能造成不良影响——主要是N和PE之间的抗干扰和保护器件，若之间的器件工作电压低于110V，则可能造成损坏或异常。若存在此类情况，则可将N接地，将N的电位强制地电位，消除与PE之间的异常电压差。4结论综上所述，L、N和PE之间的异常电压成因为L、N、PE之间存在类似共模电容的元器件，且N或PE只有其中之一与大地相连，则另外两端相对大地的电压就通过共模电容的分压原理确定的相对的电位；而解决方法也很简单，即保证N和PE均和大地保持良好连接即可。参考文献[1]吴晓.《电源滤波器的原理及应用》[J].电子质量，2005，(10):71-73,79.[2]GB14050-2008,系统接地的型式及安全技术要求[S].作者简介：高平,1982年出生，男，2004年毕业于杭州电子科技大学测控技术与仪器专业，学士学位，工程师，从事工业自动化项目监理工作。通讯地址：浙江杭州市滨江区六和路309号B座4楼邮政编码：310053联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]陈海列,1977年出生，男，2000年毕业于浙江大学控制科学与工程专业，学士学位，工程师，从事工业自动化项目监理工作。通讯地址：浙江杭州市滨江区六和路309号B座4楼邮政编码：310053联系电话：[phone]电子邮箱：[e-mail]