科学地认识数据机房不间断电源的“零地电压”问题

来源：华体会官方网站发布时间：2024-07-24 18:15:22

品质的首要指标。近年来这种趋势愈演愈烈，令人难以置信的是这一反科学的的“”居然被写进了某些国家级标准，如某GB级的机房设计规范要求“UPS供电系统的的有效值控制在小于2V的范围内”等，许多厂商与用户都习惯于将数据系统中出现的很多问题归给于零地电压引起的。目前，国内业界忽悠的根据“统计数据”“零地电压”过高对IT设备，如主机、小型机、服务器、磁盘存储设备、网络路由器、通信设施等的影响可概括为下列几种：

但是综观国际的IEC和UL电源标准，却就没有“零地电压”这一名词，遍寻IEEE的文章也没有检索到任何“零地电压对IT负载影响的相关文献”。有趣的是笔者曾陪同欧美的电源专家访问一些中国数据机房用户，有些用户提出了零地电压的问题，可怜这些搞了几十年电源并参与美国UL电源标准起草的专家们根本就听不懂，经过反复解释才基本明白了所谓的“零地电压”的含义，但他很惊讶地反问：“在中国，有这一电压对IT负载影响的确凿证据吗？”

尽管零地电压对IT负载的影响还没有一点确凿的科学依据（绝大部分是把地电位与零地电压混为一谈），但是未解决这一可怕而神秘的“零地电压”问题，国内许多用户却不惜投入大量的资金。如某通信数据机房采购了数十台变压器柜安置在各个楼层机房的输入端来降低零地电压，这不仅导致了大量的资源浪费，降低了机房供电系统的可靠性，而且也大幅度增加了机房的运行成本，使本来就不太盈利的IDC业务更是雪上加霜。

为此，作者觉得系统地讨论机房供电系统的“零地电压”产生、传递机理，特别是对IT负载的影响问题，使机房数据中心电源的设计、建设和使用的人对 “零地电压”问题有一科学的认识是非常必要的。

在380V交流供电系统里，由于线路保护的需要，通常将三相四线制的中心点通过接地装置直接接地。当前数据机房配电系统的典型构架如图1所示，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1中的G点。

从变压器到各IT负载之间，为了安全运作和维护管理考虑，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（含柴油发电机切换后输入），UPS输出配电母线，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。

这样，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，这是所谓的“零地电压”。零地电压从本质上来说，它与其它电压没有一点特别的地方，只是零线上的电压降。

下面，以UPS输入母排点，即UPS输入零地电压为例来阐述零地电压的形成机理： UPS输入零地电压－U N1-G可以表示如下，

这里I1为零线零排到接地点的零线阻抗。可见，零线压降完全取决与零线-G为零时，零线上的电压降为零，即UPS的输入零地电压为零，但这通常不可能做到。

零线阻抗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：

其中，电网三相电压、相位的不对称对数据机房用户来说，属于不可控、不可管的“正常现象”，在此不作讨论。

1. 三相负载电流的大小不平衡时产生的零线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(a)所示。

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。其基波电流可表示为iA=IAmsin100πt

可见尽管基波电流相差120°，但是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。

由上述三种因素所产生的零线零排到变压器之间的零线，就形成了零线压降，出现了我们一般所说的UPS输入零地电压，这一零地电压可计算为

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。

 零地电压与通常的电压完全相同，只是不平衡电流和三次谐波电流流过零线产生的压降；

前面我们分析了由配电线路产生的UPS输入零地电压的形成机理，但是UPS产生的零线电压增益的机理与此不一样。接下来我们就来分析一下老式的具有升压变压器UPS（所谓的工频机）和新一代的无需升压变压器UPS（所谓的高频机）的零线电压增益的产生机理。

所谓的工频机（如图3所示）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V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V；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。所以对于所谓的工频机而言，输出升压变压器是必加的标准件，否则就根本没办法正常工作。对于本文讨论的主题零地电压而言，我们从图3不难看到，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，UPS关机时，我们很容易量测到UPS输入零地电压绝对等于输出零地电压，所以这一隔离变压器在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。

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。

所谓的高频机（如下图4所示）则使用先进成熟的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。这是21世纪以来现代电力电子技术最伟大的技术进步之一，它使UPS的变换效率大幅度提升，内部损耗发热大幅度减少，器件的可靠性得以明显提高。

从图4能够正常的看到，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，出于减少相关成本的设计考虑，其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V,并伴有明显的高频成份。现在许多厂商已经认识到中国用户对零地电压的关心，所以改进了输出滤波器设计，其零线V,而且这一波形中不含高频成份。实测某IDC伊顿9395高频机UPS的零地电压，显示为电压0.6V,频率50HZ,不含任何的高频电压成份。

 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。

数据机房用户通常非常关心UPS输出端的零地电压高低，也非常关心楼层输出配电柜的零地电压高低，但是唯独从从不关心机柜内部IT负载设备输入端的零地电压高低。如果零地电压真的对IT负载有影响的话，不管你在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UN-G2不小于1V的话，其“严重的危害”就依然存在。而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，可谓是零地电压的最前哨“重灾区”。

UPS输出零地电压等于UPS输入零地电压加UPS产生的零线电压增益，即U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

楼层配电输出的零地电压等于UPS输出零地电压加UPS输出到楼层配电柜之间的零线电压增益，即

这里，UPS输出到楼层配电柜之间的零线的形成机理与UPS输入零地电压完全相同，在此不再鳌述。

但往往楼层配电柜输出的零地电压高低通常也是数据机房用户关心的核心问题，特别是当UPS到楼层配电柜之间的输电距离很长的时候，尽管UPS输出端的零地电压已经做到了小于1V，但是楼层配电输出的零地电压却仍然高达3~5V以上。为了消除这一问题，许多迷信零地电压将影响或损坏IT负载的用户就必须在楼层配电柜里加一△/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，如图5所示，这样就在楼层配电柜的输出零排上生成了新的零地电压，而且此时的零、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，符合了用户所能接受的零地电压要求。有些厂家为了迎合用户的需求，专门将这一配电柜美其名为“精密配电柜”。

就目前的数据中心机房而言，楼层输出配电柜到负载机柜之间一般会用单相配电，这样在这一配电区间内的零线电流就等于机柜负载电流I4，此时在楼层配电与IT负载之间产生的零线较大，而配电的线路又较细，这一电压依然可能大于1V。例如，对于一个负载为3500W的机柜，从如果楼层配电柜的分路配电到机柜的电缆为2.5 mm²，电缆长度为20m(假设为较远端的机柜)，此时的零线Ω.，满载零线A，则产生的零线) 楼层配电柜中配置了隔离变压器的IT机柜端的零地电压

对于楼层配电柜里设置了隔离变压器的系统，见图6，此时的IT负载输入端的零地电压就等于IT设备输入端的N点对UPS后端的隔离变压器输出接地点G2的电压差，就等于零线V 1V

可见，即使对于楼层配置了变压器，且楼层配电输出端的零地电压等于0V的配电系统，实际IT负载输入端的零地电压依然达2.4V,远大于1V。

 IT负载输入端的零地电压才是真正可能对IT负载产生“可怕影响”的关键零地电压； 即使在UPS输出，甚至楼层配电输出的零地电压做到小于1V，实际IT负载输入端仍可能有大于1V的零地电压。因此，要保证每个机柜IT负载的零地电压小于1V是不可能的，除非在每一个机柜上再安装一台隔离变压器。所以，仅保证UPS输出端或在楼层配电端加隔离变压器来实现零地电压小于1V的做法，不过是自欺欺人的自我安慰而已。

零地电压对IT负载是不是真的有影响，关键的问题是零地电压是否真正传到了IT内部的CPU、存储芯片等核心部件。实际上，通过一系列分析IT负载内部的结构不难得到，UPS输出的电压只是给IT负载内部的电源模块供电，这一电源模块的输出才向IT内部的核心部件供电。