电源零地电压对地铁通信信号系统的影响
摘 要：通过分析地铁通信信号供电系统零地电压的形成机理，论述零地电压产生的不可避免性和对通信信号设备负载可能的影响，建议通信信号系统的使用、设计和工程人员应该正确地看待零地电压问题，走出零地电压的技术误区，避免不必要的资源浪费。
关键词：零地电压；UPS不间断电源；地铁通信信号供电系统
1 概述
为了保证地铁通信信号系统在主电源断电、过欠电压、电压尖峰、电压浪涌、谐波失真、频率漂移及噪声干扰等各种恶劣供电环境下仍能可靠正常地工作，通常地铁通信系统中设置独立的 UPS 电源系统，来承担全线范围内所有控制中心、车站、车辆段通信信号设备的供电。
在这一 UPS 作为主要供电设备构成的地铁通信信号系统电源子系统中，在实际投运前经常会发现这一电源系统的输出零点电压往往会大于 1V，高的甚至达到 8V 左右。业界对这一零地电压对通信信号设备的影响众说纷纭，比较统一的说法是，当零地电压大于 1V 时，可能导致通信信号设备如主机、存储设备、网络路由器、通信设备、监控系统等出现微处理器 CPU 芯片损坏、死机事故概率增大、网络传输干扰增大、网速减慢和存储设备损坏、数据出错等问题。
为探寻零点电压对地铁通信信号系统的真实危害，本文希望通过剖析零地电压的产生机理，尤其是零地电压在通信主机及通信设备内部的传播过程，来定性地分析电源零地电压对地铁通信信号系统的影响。
2 地铁通信信号供电系统的组成
地铁通信信号电源系统通常由两路输入交流自动切换配电柜、UPS 不间断电源（含铅酸免维护蓄电池组）、高频开关电源（含铅酸免维护蓄电池组）、电源集中监控等 4 部分组成，如图 1 所示。
其中，交流切换配电柜将动力照明专业提供的两路三相五线制交流电源进行自动或手动切换，并为交流用电负载配电 ；
高频开关电源为直流用电负载提供稳定、不间断的 -48 V 直流电源 ；
UPS 电源为交流用电负载提供纯净、无瞬变、不间断的交流电源 ；
电源集中监控实时监测电源系统设备运行状态。
为了避免零线环流，通常交流切换配电柜中的切换开关采用四极切换装置，在转换时将相线和零线一起切断 ；其次，两路切换装置自动转换时有可靠的机械和电器双重互锁，避免两路交流电同时合闸 ；第三，应设置切换时间调整功能，避免两路输入相序错误引起事故。交流切换配电柜除了包含给 UPS、直流通信电源、预留检修及备用交流分路等一次负载供电的配电外，还应包含将 UPS 输出的净化交流电分配给交流输入通信信号负载的二次配电。
图 1 中，Ga 和 Gb 为变压器的中心接地点，Gc为通信信号设备的外壳接地点，N1/N2分别为 UPS输入 / 出母线的零线，N 为交流通信信号负载设备输入零线端，I1/I2/I3/I4分别为标示段零线上流过的电流。
3 地铁通信信号电源供电系统零地电压的形成原理
在如图 1 所示的典型地铁通信信号供电系统中，为了线路保护的需要，通常将来自动力照明专业的10 kV/380 V △ /Yo 变压器输出三相四线制的中心点通过接地装置直接接地，如图 1 所示的 Ga 或Gb 点，称为工作接地。从变压器到各交流通信负载之间，由于 UPS 不间断电源的存在，这一线路又包含了两级配电母线，即 UPS 输入配电母线和 UPS输出配电母线。如前所述，在地铁通信信号供电系统中，这两条母线通常都安装在交流切换配电柜内。
这样，从变压器的二次侧接地点 Ga 或 Gb 到交流通信信号负载的零线输入点 N 之间，有很长的输电距离。当负载投入运行后，由于变压器输出三相电压、相位的不对称性、各级配电母线各相负载的不对称性、负载的非线性特性及 UPS 设备等因数的存在，就会有大量的三相不平衡电流及 3N 次谐波电流通过零线流回到变压器的接地点 G。由于线路阻抗的存在，流过零线的电流就在零线的各点产生相对于参考点 G 的电压差（这里假设 Ga、Gb和Gc 三点等电位，为了表述方便，后面统一用 G 表示），这就是所谓的“零地电压”。零地电压从本质上来说，它与其他电压没有任何特别的地方，只是零线上对地的电压降而已。
由于各级配电母线到变压器接地点 G 的线路阻抗不同，每一级零线上流过的零线电流也不一样，这就形成了不同的零地电压点。不过，地铁通信信号系统验收时，通常只关心 UPS 输出的零地电压UN2-G，而对通信信号设备负载可能真正产生影响的交流通信信号负载设备输入端的零地电压 UN-G却往往被忽视。
4 交流通信信号负载设备输入端的零地电压分析
交流通信信号负载设备输入端的零地电压是零地电压问题最前哨的“重灾区”，是理解零地电压对通信信号设备影响的核心问题。如果零地电压真的对通信信号设备有不利影响，不管在 UPS 的输出端采取什么样的降低零地电压措施，只要通信信号设备输入端的零地电压 UN-G不小于 1V，其“严重的危害”就依然存在 ；其次，通信信号设备输入端的零地电压是所有 UPS 输入零线压降、UPS 输出零线压降及配电零线压降的叠加，其值最大。通信信号设备输入端的零地电压 UN-G由下述电压矢量相加得到。
4.1 UPS输出零地电压UN2-G
UPS 输出零地电压等于 UPS 输入零地电压UNI-G加 UPS 产生的零线电压增益 UN-UPS，即
UN2-G=UNI-G+UN-UPS
对于不同的 UPS 而言，无论是现代的高频机还是将要淘汰的老式工频机 UPS，在其内部零线与地线都是直通的 ；只要其输出滤波器得到正确的设计，UPS 自身产生的零线电压增益 UUPS-N都可以得到很好的抑制，即小于 1V。反之，如果设计得不好，则这两种 UPS 都会产生较高的零地电压增益。如全球知名的 UPS 厂商伊顿的 IGBT 整流 9395 UPS，其零地电压增益仅为零点几伏，甚至远优于同容量的工频机。
4.2 交流通信信号负载设备输入端的零地电压
就目前的地铁通信信号设备电源系统而言，几乎全部的通信信号设备都是单相负载，所以 UPS输出的二次配电通常都是单相配电。这样，在这一配电区间内的零线电流就等于交流通信信号设备实际电流 I4，此时通信信号设备输入零线端与 UPS 输出母线零排之间的零线电压增益为UN-NZ=I4×ZN-N2, 由于 I4较大，而配电的线路又较细，这一电压就可能大于 1V。例如，对于一个1 000 W 的通信信号负载，如果从 UPS 输出配电母线到通信信号负载的电缆为 1.5 mm2，电缆长度为20 m( 假设为较远端的负载 )，此时的零线电阻为0.25 Ω，满载零线电流为 4.5 A，则产生的零线压降就达 1.125 V。
交流通信信号设备输入端的零地电压等于设备输入端的 N 点对接地点 G 的电位差，依据图 1，其相应的零地电压计算如下 ：
UN - G= UN I - G+ UN - U P S+ UN - N2= UN I - G+UN-UPS+1.125 V
由此，实际地铁通信信号设备输入端的零地电压显然会远高于 1.125 V。
可见，要彻底消除零地电压对通信信号负载的影响，看来几乎是无法做到的事情。
5 零地电压在交流通信信号设备内部的传递与消除原理
既然零地电压从技术上难以根除，那么在地铁通信信号供电系统设计中，就需要科学地分析和评估零地电压在地铁通信信号设备内部的传递途径和产生的影响。
UPS 电源向地铁通信信号设备供电原理如图 2所示。其中，UPS 通过输出相线 L、零线 N 及地线G 向地铁通信信号设备供电 ；来自 UPS 的 220 V 交流电进入地铁通信信号设备后，被连接到地铁通信信号设备的内部电源模块 PSU 上，然后通过 PSU模块的输出向地铁通信信号设备内部的 CPU、存储芯片等核心工作部件和电路供电。零地电压指的就是 N 和 G 端之间的电压。这样，要了解零地电压对地铁通信信号设备是否有影响，只需分析来自 UPS电源系统输出端的零地电压是否真正传递到通信信号设备内部电源模块 PSU 的输出端上，也就是对VO 产生了影响。
当前地铁通信信号设备内部的输入电源模块PSU 基本采用高频开关电源来实现，其典型的主电路如图 3 所示，来自 UPS 输出的 L、N、G 线在PSU 内部的连接点如图 3 所示。
分析 PSU 电源的工作原理可以看出，UPS 输出的 220 V 交流电进入通信信号设备内部后，经过必要的共模和差模滤波后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的 12、5、3.3 V 的直流电压，提供给通信信号设备内部的 CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”使用。这四级变换如图 3 所示，分别如下。
* 第一级 ：桥式整流。将 220 V 交流电变为约200 ～ 300 V 的直流电。
* 第二级 ：高频逆变。将第一级变换输出的不稳定直流电，经高频 PWM 控制转换成几十到几百kHz 的稳定高频交流电 ( 注 ：不同型号的电源模块，这一频率会有差异 )。
* 第三级 ：高频隔离变压。将第二级变换输出的高频、高压交流电降压并隔离。
* 第四级 ：高频整流与滤波。将经降压后的稳定高频交流电转换成稳定的直流 12 V( 或 5、3.3 V)输出，向“真正的负载”供电。
5.1 零地电压在通信信号设备PSU电源模块内的传播途径
从上面分析可见，具有数伏零地电压的 220 V交流电，进入通信信号设备的内部电源 PSU 后，从第一级到第二级，也许还能“追寻”到这一电压的存在踪迹，但是经过第三级后，由于变压器的隔离作用，这一共模电压在变压器的二次侧被彻底消除，后面的电路已经没有了零线，只有直流的正、负极，所以，对于 PSU 的输出 VO 电压也就不再存在所谓的零地电压及产生的干扰。此外，无论是那一种开关电源，都在其输入端设有共轭电抗器与 Y 电容，这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在 IT 电源的第一级以外。
可见，零地电压进入通信信号设备内部后，从传播途径看，经共轭电抗器抑制后，终结于内部变压器的前端，根本达不到真正的设备内部 CPU、RAM、EPROM、硬盘等的供电端，所以理论上，无论多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。
有必要指出的是，通信信号设备电源输出的12 V 等纯净直流电压，就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的，其变换频率通常高达 50 ～150 kHz，远高于高频机 UPS 的变换频率，所以高频变换是通信信号设备电源自身的根本。
5.2 “零地电压”与“相地电压”的分析
“零地电压”已经广为人知，而“相地电压”的概念却是供电系统的新名词。但是，如果分析一下相线和零线在通信信号设备内部的传播途径，就会得出非常惊奇的结果。
具有零地电压的 UPS 输出 AC 220 V 电压进入通信信号设备负载的电源后，在输入电源的正半周，经第二级的整流后，相线 L 与第三级高频逆变器的正母线连通，而零线 N 则与负母线连通，如图 4(a)所示 ；而在输入电源的负半周，则刚好相反，零线N 与正母线连通，而相线 L 则与负母线连通，如图4(b) 所示。这意味着，在地铁通信信号设备内部电源的硬件线路上，在正半周测量到相地电压的两点，在负半周测量到的是零地电压 ；而在正半周测量到零地电压的两点，在负半周测量到的是相地电压。由此可见，在通信信号设备内部电源的第二级后，相线与零线具有完全相同的电功能与流通线路。
这样，如果“零地电压”高会影响通信信号设备的正常运行，那无疑“相地电压”高也会对通信信号设备产生致命的影响。而零地电压可以通过技术手段让它小于 1 V 甚至等于 0 V。但是，如果让相地电压也控制到小于 1 V 以下，那么地铁通信信号设备的输入就会失电，通信信号供电系统也就直接瘫痪了。因此，从这一反正法可看出，强调零地电压小于 1 V 无疑是一个没有科学根据的错误概念。
分析这一电路的交流输入部分，还可以得出一个更有趣的结果，由于输入电路的完全对称性，如果让“零地电压”等于 AC 220 V，而让“相地电压”等于 0 V，通信信号设备内部电源的输出将不受任何影响地正常工作，这也是为什么有时我们将负载的输入相线与零线接反了，负载工作完全正常的原因。
所以，从理论上说，通信信号设备负载的安全零地电压应为 AC 220 V。问题是，这时如果相地电压也等于 220 V 的话，输入通信信号设备的相零电压就等于 0 V 或 440 V 了，通信信号设备就出现了断电或高压事故。如果能设计一具有零地电压、相地电压和“相零电压”都等于 220 V 的“特殊UPS”向通信信号负载供电，则通信信号设备负载的供电将不受任何影响。
6 零地电压对通信设备内部数据链路影响的测试
中国电信电磁防护支撑中心联合华为技术有限公司，对服务器、路由器、DTU 数据通信设备等进行了零地电压加扰测试，同时对中国电信 120 多个机房的 121 台在网通信设备进行了抽检调研，得出结论如下[1]。
1）从对机架式服务器和刀片式服务器的加扰测试结果来看，22 V 以下的零地电压对这两种服务器的硬盘读写速度、读写带宽、读写响应时间等数据级指标无任何影响。
2）10 V 以下的零地电压差对 DTU 数据通信设备无影响。但在通信系统分散的情况下，零地电位差会对数据通信产生影响，其原因是零地电位差会在数据通信线路的设备端口之间造成地电位差。（注 ：根据笔者对整个测试报告和报告中所给出的线路图的分析，准确地说，应该是当采用 RS-232 和同轴电缆通信时，由于地电位的差异导致对数据通信的影响。这里的地电位实际上与输入电源的零地电压无关，它们是完全不同的两个概念，换句话说，如果两台通信设备的地电位差异较大，即使两台通信设备的输入零、地电压等于 0，也会对通信设备有影响。另外，如果采用光纤通信，由于光隔离的作用可消除相互的影响。）
3）通过对 122 个在网通信机房的调查，在保证设备正常运行的情况下，设备的零地电位差分布在10 V 以下，建议数据通信设备的零地电位差应在10 V 以下。
7 结论
综上所述，可以得出如下 3 点结论。
1）就地铁通信信号供电系统而言，零地电压问题将贯穿整个供电链路的始终，由于一次及二次配电负载的不对称及单相负载等因素的存在，通信信号设备输入端的零地电压难以彻底根除，基本都会大于 1 V，特定条件下可能高达 7 ～ 8 V，无疑零地电压的存在是任何供电系统的正常现象，无需过分担心。
2）通过对通信信号设备内部电源 PSU 工作原理和零地电压在 PSU 的传播与消除途径分析，零地电压在通信信号设备内部电源的变换过程中已经完全消除了，不会对通信信号设备内部电源的输出端造成任何影响，自然它也无法对通信信号设备的数据部件产生丝毫的影响与损害。因此，无需采取特别的措施加以消除。
3）通过对通信信号设备内部电源模块 PSU 的“零地电压”与“相地电压”的技术比较可知，就对通信信号设备的损坏与影响而言，零地电压与相地电压具有同样的性质，可达 220 V 对通信信号设备负载无影响。但是综合中国电信的测试数据，笔者非常保守地认为 20 V 以下的零地电压对现代地铁通信信号供电系统中的任何负载设备不会有任何影响（但需要关注此时的相地电压是否正常）。
因此，笔者建议地铁通信信号供电系统的使用、设计和工程人员应科学地看待零地电压及其大小问题，走出“零地电压必须小于 1V”的技术误区，以避免无谓的浪费和增加隔离变压器等措施，来消除零地电压问题而导致的对电源系统可靠性的损害。
参考文献
[1] 谢琦，余平放，郑啸．零地电压对数据通信设备影响的分析 [J]．电信技术，2010（8）：23-27.
京公网安备 11010202007575号