科學(xué)地認(rèn)識數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問題

一、 引言

長期以來，在國內(nèi)機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計、建設(shè)與應(yīng)用過程中，“零地電壓”被忽悠得神乎其神，甚至成為了機(jī)房供電電源品質(zhì)的首要指標(biāo)。近年來這種趨勢愈演愈烈，令人難以置信的是這一反科學(xué)的的“零地電壓”居然被寫進(jìn)了某些國家級標(biāo)準(zhǔn)，如某GB級的機(jī)房設(shè)計規(guī)范要求“UPS供電系統(tǒng)的零地電壓的有效值控制在小于2V的范圍內(nèi)”等，許多廠商與用戶都習(xí)慣于將數(shù)據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問題歸給于零地電壓引起的。目前，國內(nèi)業(yè)界忽悠的根據(jù)“統(tǒng)計數(shù)據(jù)”“零地電壓”過高對IT設(shè)備，如主機(jī)、小型機(jī)、服務(wù)器、磁盤存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由器、通信設(shè)備等的影響可概括為下列幾種：

? 可能導(dǎo)致IT設(shè)備中的微處理器CPU芯片出現(xiàn)“莫名其妙”地致命損壞；

? 可能導(dǎo)致IT設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)事故的概率增大；

? 可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；

? 可能導(dǎo)致存儲設(shè)備存儲設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)出錯等。

? 某些知名IT廠商規(guī)定零地電壓大于1V不給開機(jī)等。

但是綜觀國際的IEC和UL電源標(biāo)準(zhǔn)，卻根本沒有“零地電壓”這一名詞，遍尋IEEE的文章也沒有檢索到任何“零地電壓對IT負(fù)載影響的相關(guān)文獻(xiàn)”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國數(shù)據(jù)機(jī)房用戶，有些用戶提出了零地電壓的問題，可憐這些搞了幾十年電源并參與美國UL電源標(biāo)準(zhǔn)起草的專家們根本就聽不懂，經(jīng)過反復(fù)解釋才基本明白了所謂的“零地電壓”的含義，但他很驚訝地反問：“在中國，有這一電壓對IT負(fù)載影響的確鑿證據(jù)嗎？”

盡管零地電壓對IT負(fù)載的影響還沒有任何確鑿的科學(xué)依據(jù)（絕大部分是把地電位與零地電壓混為一談），但是為了解決這一可怕而神秘的“零地電壓”問題，國內(nèi)許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數(shù)據(jù)機(jī)房采購了數(shù)十臺變壓器柜安置在各個樓層機(jī)房的輸入端來降低零地電壓，這不僅導(dǎo)致了大量的資源浪費，降低了機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性，而且也大幅度增加了機(jī)房的運行成本，使本來就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)更是雪上加霜。

為此，筆者認(rèn)為系統(tǒng)地討論機(jī)房供電系統(tǒng)的“零地電壓”產(chǎn)生、傳遞機(jī)理，特別是對IT負(fù)載的影響問題，使機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計、建設(shè)與使用者對 “零地電壓”問題有一科學(xué)的認(rèn)識是非常必要的。

二、 輸配電線路零地電壓的產(chǎn)生機(jī)理

在380V交流供電系統(tǒng)里，由于線路保護(hù)的需要，通常將三相四線制的中心點通過接地裝置直接接地。當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架如圖1所示，系統(tǒng)中通常配置一臺或數(shù)臺10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側(cè)的中心點通過接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點。

從變壓器到各IT負(fù)載之間，為了安全運行和維護(hù)管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級配電母線，即UPS輸入配電母線或稱市電輸入母線L1（含柴油發(fā)電機(jī)切換后輸入），UPS輸出配電母線L2，樓層配電母線L3，樓層配電再分路到列頭柜（也有將樓層配電與列頭柜合而為一的），然后單相接入機(jī)架PDU對IT負(fù)載進(jìn)行供電。

這樣，從變壓器的二次側(cè)接地點G到IT負(fù)載的零線輸入點N之間，有很長的輸電距離，當(dāng)負(fù)載投入運行后，一定有大量的零線電流從N點流回到各級母線，在母線的零排處疊加，疊加后未被抵消的部分將流回到G點。由于零線阻抗的存在，在各級母線的零排之間就形成了電壓降。這樣以G為參考點，零線上的各個點就形成了對地的電壓降，這就是所謂的“零地電壓”。零地電壓從本質(zhì)上來說，它與其它電壓沒有任何特別的地方，只是零線上的電壓降。

圖1 數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖

下面，以UPS輸入母排點，即UPS輸入零地電壓為例來闡述零地電壓的形成機(jī)理： UPS輸入零地電壓－U N1-G可以表示如下，

U N1-G＝I1*ZN1-G

這里I1為零線上流過的電流，ZN1-G為N1零排到接地點的零線阻抗?？梢?，零線壓降完全取決與零線電流I1和零線阻抗的ZN1-G大小，當(dāng)I1或ZN1-G為零時，零線上的電壓降為零，即UPS的輸入零地電壓為零，但這通常不可能做到。

零線阻抗的大小取決于零線的線路長度與線徑，對于數(shù)據(jù)機(jī)房而言是個不變量；而零線電流的大小則取決于下列運行條件：

? 電網(wǎng)三相電壓、相位的對稱度；

? 三相負(fù)載電流大小的對稱度；

? 三相負(fù)載相位的對稱度；

? 三相負(fù)載中是否有3n次諧波的存在等。

其中，電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱對數(shù)據(jù)機(jī)房用戶來說，屬于不可控、不可管的“正?，F(xiàn)象”，在此不作討論。

1. 三相負(fù)載電流大小不平衡時產(chǎn)生的零線電流I1-1

當(dāng)L1母線三相配電系統(tǒng)中各相負(fù)載大小不相同時，就會出現(xiàn)三相不平衡電流，這一不平衡電流匯流到N1零排時，就合成為零線電流I1-1,如圖2(a)所示。

最極端的情況，當(dāng)A、C兩相的負(fù)載全部跳開時，此時的零線電流I1-1就等于B相的電流IB，達(dá)到該條件下零線電流的最大值，如圖2(b)所示。

圖2 零線電流的合成

2. 三相負(fù)載電流相位不對稱時產(chǎn)生的零線電流I1-2

當(dāng)I段母線三相配電系統(tǒng)中各相負(fù)載的輸入功率因素不相同時，三相電流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位關(guān)系，此時也會導(dǎo)致不平衡電流的出現(xiàn)，同樣在N1零排處，匯合成零線電流I1-2，如圖2(C)所示。

3. 三相負(fù)載中的3n次諧波電流的存在產(chǎn)生的零線電流I1-3

由于非線性負(fù)載的存在，導(dǎo)致了零線中不僅有基本電流流過，還可能有三次及三的倍數(shù)次諧波流過。其基波電流可表示為

iA=IAmsin100πt

iB=IBmsin(100πt-120°)

iC=ICmsin(100πt＋120°)

相應(yīng)的各相三次諧波電流為

iA3=IA3msin300πt

Ib3=IB3msin(300πt-360°)

iC3=IC3msin(300πt＋360°)

可見盡管基波電流相差120°，但是其三次諧波電流剛好同相位，在N1零排處直接相加成為同相的零線電流。

由上述三種因素所產(chǎn)生的零線電流，流過N1零排到變壓器之間的零線，就形成了零線壓降，出現(xiàn)了我們通常所說的UPS輸入零地電壓，這一零地電壓可計算為

UNI-G＝(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3

如果線路較長、負(fù)載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線性負(fù)載較多，就可能使UPS的輸入零地電壓很高。

由此可見，可以總結(jié)如下：

? 零地電壓與通常的電壓完全相同，只是不平衡電流和三次諧波電流流過零線產(chǎn)生的壓降；

? 越是在供電鏈路的末端，其零地電壓越高。

三、 UPS產(chǎn)生零線電壓增益的機(jī)理

前面我們分析了由配電線路產(chǎn)生的UPS輸入零地電壓的形成機(jī)理，但是UPS產(chǎn)生的零線電壓增益的機(jī)理與此有所不同。接下來我們就來分析一下老式的具有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機(jī)）和新一代的無需升壓變壓器UPS（所謂的高頻機(jī)）的零線電壓增益的產(chǎn)生機(jī)理。

1. 具有有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機(jī)）零地電壓增益的產(chǎn)生

所謂的工頻機(jī)（如圖3所示）采用可控硅相控整流將交流變成432V直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電還原成成交流，但這一雙轉(zhuǎn)換后的線電壓只有190V，為了滿足負(fù)載輸出380V/220V的需要，不得不在逆變器的輸出端（注意：不是在UPS輸出，不含旁路輸出端）加一１:2的升壓變壓器將190V的線電壓升高到380V；同時，通過這一變壓器的△/Y0接法生成零線，以實現(xiàn)UPS三相四線制的輸出要求。所以對于所謂的工頻機(jī)而言，輸出升壓變壓器是必加的標(biāo)準(zhǔn)件，否則就根本無法正常工作。

對于本文討論的主題零地電壓而言，我們從圖3不難看到，即使有了這一隔離變壓器，但是零線與地線在UPS內(nèi)部從輸入到輸出是直通的，UPS關(guān)機(jī)時，我們很容易量測到UPS輸入零地電壓絕對等于輸出零地電壓，所以這一隔離變壓器在UPS內(nèi)部沒有起到任何的隔離作用。在UPS正常開機(jī)工作時，由于旁路關(guān)斷，其零線上也不會有電流流過，所以由零線電流產(chǎn)生的零地增益在UPS內(nèi)部基本是不存在的。

但是如果UPS輸出的濾波器設(shè)計不好或電容故障，就會導(dǎo)致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會部分溢出感應(yīng)在零線上，產(chǎn)生一定的零線電壓增益，其大小完全取決于濾波器參數(shù)的優(yōu)劣，通?？蛇_(dá)3~5V，頻率上明顯含有高頻成份。如果設(shè)計得到好，這一電壓增益通常應(yīng)為0.5~1V。

圖3 工頻機(jī)的零地電壓

2. 無需升壓變壓器UPS的（所謂的高頻機(jī)）產(chǎn)生的零線電壓增益

所謂的高頻機(jī)（如下圖4所示）則采用先進(jìn)成熟的IGBT升壓整流技術(shù)將交流變成600V左右的直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電直接還原成380V/220V三相四線制的交流電，所以無需所謂工頻機(jī)的升壓變壓器。這是21世紀(jì)以來現(xiàn)代電力電子技術(shù)最偉大的技術(shù)進(jìn)步之一，它使UPS的變換效率大幅度提高，內(nèi)部損耗發(fā)熱大幅度減少，器件的可靠性得以明顯提高。

從圖4可以看到，就零、地線而言，高頻機(jī)UPS與工頻機(jī)UPS完全一樣，都是在UPS內(nèi)部從輸入到輸出是直通的，不會產(chǎn)生零線電流產(chǎn)生的零地增益。但是，對于早期的高頻機(jī)或某些高頻機(jī)技術(shù)起步較晚的廠商，出于降低成本的設(shè)計考慮，其濾波器設(shè)計容量偏小，導(dǎo)致了較高的PWM高頻電壓成份溢出感應(yīng)在零線上，產(chǎn)生一定的零線電壓增益，其值達(dá)3~5V,并伴有明顯的高頻成份。現(xiàn)在許多廠商已經(jīng)認(rèn)識到中國用戶對零地電壓的關(guān)心，所以改進(jìn)了輸出濾波器設(shè)計，其零線電壓增益通常僅為0.5~1V,而且這一波形中不含高頻成份。實測某IDC伊頓9395高頻機(jī)UPS的零地電壓，顯示為電壓0.6V,頻率50HZ,不含任何的高頻電壓成份。

圖4 高頻機(jī)的零地電壓

由此可見，可得到如下結(jié)論：

? 高頻機(jī)與工頻機(jī)具有同樣的零線電壓增益產(chǎn)生機(jī)理，零線與地線在兩種UPS內(nèi)部都是直通的；

? 只要濾波器設(shè)計得好，兩者都可以很好地解決零地電壓問題，并使零地電壓不含有高頻成份，反之，兩種UPS都會產(chǎn)生較高的零地電壓。

四、 IT負(fù)載機(jī)柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓

數(shù)據(jù)機(jī)房用戶通常非常關(guān)心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關(guān)心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯獨從從不關(guān)心機(jī)柜內(nèi)部IT負(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對IT負(fù)載有影響的話，不管你在UPS的輸出端、樓層輸出配電柜上采取什么樣的降低零地電壓措施，只要IT負(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話，其“嚴(yán)重的危害”就依然存在。而IT負(fù)載機(jī)柜輸入端的零地電壓是所有UPS輸入零線壓降、UPS輸出零線壓降及樓層配電零線壓降的疊加，可謂是零地電壓的最前哨“重災(zāi)區(qū)”。

1、 UPS輸出零地電壓－U N2-G

UPS輸出零地電壓等于UPS輸入零地電壓加UPS產(chǎn)生的零線電壓增益，即

U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

2、 UPS樓層輸出配電柜上的零地電壓－U N3-G

樓層配電輸出的零地電壓等于UPS輸出零地電壓加UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益，即

U N3-G＝UN2-G＋UN3-N2＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2

這里，UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益UN3-N2的形成機(jī)理與UPS輸入零地電壓完全相同，在此不再鰲述。

但往往樓層配電柜輸出的零地電壓高低通常也是數(shù)據(jù)機(jī)房用戶關(guān)心的核心問題，特別是當(dāng)UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長的時候，盡管UPS輸出端的零地電壓已經(jīng)做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達(dá)3~5V以上。

為了消除這一問題，許多迷信零地電壓將影響或損壞IT負(fù)載的用戶就不得不在樓層配電柜里加一△/Yo隔離變壓器，并將變壓器輸出的中心點重新接地，即形成新的接地點G2，如圖5所示，這樣就在樓層配電柜的輸出零排上生成了新的零地電壓，而且此時的零、地線是“緊密”地連接在一起的，所以其新的零地電壓一定小于1V，符合了用戶所能接受的零地電壓要求。有些廠家為了迎合用戶的需求，專門將這一配電柜美其名為“精密配電柜”。

圖5 樓層配電柜的零地電壓

3、 IT負(fù)載輸入端的零地電壓

就目前的數(shù)據(jù)中心機(jī)房而言，樓層輸出配電柜到負(fù)載機(jī)柜之間通常采用單相配電，這樣在這一配電區(qū)間內(nèi)的零線電流就等于機(jī)柜負(fù)載電流I4，此時在樓層配電與IT負(fù)載之間產(chǎn)生的零線電壓增益為UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4較大，而配電的線路又較細(xì)，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個負(fù)載為3500W的機(jī)柜，從如果樓層配電柜的分路配電到機(jī)柜的電纜為2.5 mm2，電纜長度為20m(假設(shè)為較遠(yuǎn)端的機(jī)柜)，此時的零線電阻為0.15Ω.，滿載零線電流為16A，則產(chǎn)生的零線壓降就達(dá)2.4V。

(1) 樓層配電柜中配置了隔離變壓器的IT機(jī)柜端的零地電壓

對于樓層配電柜里設(shè)置了隔離變壓器的系統(tǒng)，見圖6，此時的IT負(fù)載輸入端的零地電壓就等于IT設(shè)備輸入端的N點對UPS后端的隔離變壓器輸出接地點G2的電壓差，就等于零線上產(chǎn)生的零線壓降：

UN-G2= UN-N3+UN3-G2＝2.4V+0V=2.4V >1V

可見，即使對于樓層配置了變壓器，且樓層配電輸出端的零地電壓等于0V的配電系統(tǒng)，實際IT負(fù)載輸入端的零地電壓依然達(dá)2.4V,遠(yuǎn)大于1V。

圖6 機(jī)柜端的零地電壓

(2) 樓層配電柜中沒有配置變壓器的IT機(jī)柜端的零地電壓

如果在樓層配電柜里沒有設(shè)置隔離變壓器，那么IT負(fù)載輸入端的零地電壓等于IT設(shè)備輸入端的N點對UPS前端的高壓10KV/380V變壓器輸出接地點G的電壓差，如圖7所示，其相應(yīng)的零地電壓計算等效電路如下圖所示。

UN-G= UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋UN-N3＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋2.4V

此時的實際IT負(fù)載輸入端的零地電壓顯然會遠(yuǎn)高于2.4V。

圖7 沒有配置樓層變壓器的機(jī)柜端零地電壓

從上面的分析可見，可以得到如下兩點結(jié)論：

? IT負(fù)載輸入端的零地電壓才是真正可能對IT負(fù)載產(chǎn)生“可怕影響”的關(guān)鍵零地電壓； ?即使在UPS輸出，甚至樓層配電輸出的零地電壓做到小于1V，實際IT負(fù)載輸入端仍可能有大于1V的零地電壓。因此，要保證每個機(jī)柜IT負(fù)載的零地電壓小于1V是不可能的，除非在每一個機(jī)柜上再安裝一臺隔離變壓器。所以，僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實現(xiàn)零地電壓小于1V的做法，不過是自欺欺人的自我安慰而已。

五、 零地電壓對IT負(fù)載的影響

零地電壓對IT負(fù)載是否真的有影響，關(guān)鍵的問題是零地電壓是否真正傳到了IT內(nèi)部的CPU、存儲芯片等核心部件。實際上，通過分析IT負(fù)載內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負(fù)載內(nèi)部的電源模塊供電，這一電源模塊的輸出才向IT內(nèi)部的核心部件供電。

所以，要了解零地電壓是否對IT負(fù)載有影響或影響的大小，關(guān)鍵是零地電壓對這一電源模塊的輸出電壓是否有影響或產(chǎn)生多大的影響。關(guān)于這一點，我們只需要分析一下IT負(fù)載內(nèi)部電源模塊的電路工作原理，就會得出理性的結(jié)論。