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一、 引言 長期以來，在國內機房數據中心電源的設計、建設與應用過程中，“零地電壓”被忽悠得神乎其神，甚至成為了機房供電電源品質的首要指標。近年來這種趨勢愈演愈烈，令人難以置信的是這一反科學的的“零地電壓”居然被寫進了某些國家級標準，如某GB級的機房設計規范要求“UPS供電系統的零地電壓的有效值控制在小于2V的范圍內”等，許多廠商與用戶都習慣于將數據系統中出現的各種問題歸給于零地電壓引起的。目前，國內業界忽悠的根據“統計數據”“零地電壓”過高對IT設備，如主機、小型機、服務器、磁盤存儲設備、網絡路由器、通信設備等的影響可概括為下列幾種： 1) 可能導致IT設備中的微處理器CPU芯片出現“莫名其妙”地致命損壞； 2 )可能導致IT設備出現死機事故的概率增大； 3 )可能導致網絡傳輸誤碼率的增大，網速減慢； 4 )可能導致存儲設備存儲設備損壞、數據出錯等。 5 )某些知名IT廠商規定零地電壓大于1V不給開機等。 但是綜觀國際的IEC和UL電源標準，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負載影響的相關文獻”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國數據機房用戶，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電源標準起草的專家們根本就聽不懂，經過反復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負載影響的確鑿證據嗎？” 盡管零地電壓對IT負載的影響還沒有任何確鑿的科學依據（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，國內許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數據機房采購了數十臺變壓器柜安置在各個樓層機房的輸入端來降低零地電壓，這不僅導致了大量的資源浪費，降低了機房供電系統的可靠性，而且也大幅度增加了機房的運行成本，使本來就不太盈利的IDC業務更是雪上加霜。 為此，筆者認為系統地討論機房供電系統的“零地電壓”產生、傳遞機理，特別是對IT負載的影響問題，使機房數據中心電源的設計、建設與使用者對 “零地電壓”問題有一科學的認識是非常必要的。 二、 輸配電線路零地電壓的產生機理 在380V交流供電系統里，由于線路保護的需要，通常將三相四線制的中心點通過接地裝置直接接地。當前數據機房配電系統的典型構架如圖1所示，系統中通常配置一臺或數臺10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側的中心點通過接地網直接接地，如圖1中的G點。 從變壓器到各IT負載之間，為了安全運行和維護管理考慮，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（含柴油發電機切換后輸入），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），然后單相接入機架PDU對IT負載進行供電。 這樣，從變壓器的二次側接地點G到IT負載的零線輸入點N之間，有很長的輸電距離，當負載投入運行后，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 數據機房配電系統的典型構架圖 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，對于數據機房而言是個不變量；而零線電流的大小則取決于下列運行條件： 1) 電網三相電壓、相位的對稱度； 2 )三相負載電流大小的對稱度； 3 )三相負載相位的對稱度； 4) 三相負載中是否有3n次諧波的存在等。 其中，電網三相電壓、相位的不對稱對數據機房用戶來說，屬于不可控、不可管的“正常現象”，在此不作討論。 1. 三相負載電流大小不平衡時產生的零線電流I1-1 當L1母線三相配電系統中各相負載大小不相同時，就會出現三相不平衡電流，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A、C兩相的負載全部跳開時，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. 三相負載電流相位不對稱時產生的零線電流I1-2 當I段母線三相配電系統中各相負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°的相位關系，此時也會導致不平衡電流的出現，同樣在N1零排處，匯合成零線電流I1-2，如圖2(C)所示。 3. 三相負載中的3n次諧波電流的存在產生的零線電流I1-3 由于非線性負載的存在，導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、負載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線性負載較多，就可能使UPS的輸入零地電壓很高。 由此可見，可以總結如下： 1) 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生的壓降； 2) 越是在供電鏈路的末端，其零地電壓越高。 三、 UPS產生零線電壓增益的機理 前面我們分析了由配電線路產生的UPS輸入零地電壓的形成機理，但是UPS產生的零線電壓增益的機理與此有所不同。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）和新一代的無需升壓變壓器UPS（所謂的高頻機）的零線電壓增益的產生機理。 1. 具有有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機）零地電壓增益的產生 所謂的工頻機（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，但這一雙轉換后的線電壓只有190V，為了滿足負載輸出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UPS三相四線制的輸出要求。所以對于所謂的工頻機而言，輸出升壓變壓器是必加的標準件，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內部從輸入到輸出是直通的，UPS關機時，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內部沒有起到任何的隔離作用。在UPS正常開機工作時，由于旁路關斷，其零線上也不會有電流流過，所以由零線電流產生的零地增益在UPS內部基本是不存在的。 但是如果UPS輸出的濾波器設計不好或電容故障，就會導致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會部分溢出感應在零線上，產生一定的零線電壓增益，其大小完全取決于濾波器參數的優劣，通常可達3~5V，頻率上明顯含有高頻成份。如果設計得到好，這一電壓增益通常應為0.5~1V。 圖3 工頻機的零地電壓 2. 無需升壓變壓器UPS的（所謂的高頻機）產生的零線電壓增益 所謂的高頻機（如下圖4所示）則采用先進成熟的IGBT升壓整流技術將交流變成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的升壓變壓器。這是21世紀以來現代電力電子技術最偉大的技術進步之一，它使UPS的變換效率大幅度提高，內部損耗發熱大幅度減少，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UPS與工頻機UPS完全一樣，都是在UPS內部從輸入到輸出是直通的，不會產生零線電流產生的零地增益。但是，對于早期的高頻機或某些高頻機技術起步較晚的廠商，出于降低成本的設計考慮，其濾波器設計容量偏小，導致了較高的PWM高頻電壓成份溢出感應在零線上，產生一定的零線電壓增益，其值達3~5V,并伴有明顯的高頻成份�，F在許多廠商已經認識到中國用戶對零地電壓的關心，所以改進了輸出濾波器設計，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 高頻機的零地電壓 由此可見，可得到如下結論： 1) 高頻機與工頻機具有同樣的零線電壓增益產生機理，零線與地線在兩種UPS內部都是直通的； 2) 只要濾波器設計得好，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都會產生較高的零地電壓。 四、 IT負載機柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓 數據機房用戶通常非常關心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯獨從從不關心機柜內部IT負載設備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對IT負載有影響的話，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負載設備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話，其“嚴重的危害”就依然存在。而IT負載機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“重災區”。 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據機房用戶關心的核心問題，特別是當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做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達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負載輸入端的零地電壓 就目前的數據中心機房而言，樓層輸出配電柜到負載機柜之間通常采用單相配電，這樣在這一配電區間內的零線電流就等于機柜負載電流I4，此時在樓層配電與IT負載之間產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，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個負載為3500W的機柜，從如果樓層配電柜的分路配電到機柜的電纜為2.5 mm2，電纜長度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時的零線電阻為0.15Ω.，滿載零線電流為16A，則產生的零線壓降就達2.4V。 (1) 樓層配電柜中配置了隔離變壓器的IT機柜端的零地電壓 對于樓層配電柜里設置了隔離變壓器的系統，見圖6，此時的IT負載輸入端的零地電壓就等于IT設備輸入端的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，實際IT負載輸入端的零地電壓依然達2.4V,遠大于1V。 圖6 機柜端的零地電壓 (2) 樓層配電柜中沒有配置變壓器的IT機柜端的零地電壓 如果在樓層配電柜里沒有設置隔離變壓器，那么IT負載輸入端的零地電壓等于IT設備輸入端的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負載輸入端的零地電壓顯然會遠高于2.4V。 圖7 沒有配置樓層變壓器的機柜端零地電壓 從上面的分析可見，可以得到如下兩點結論： IT負載輸入端的零地電壓才是真正可能對IT負載產生“可怕影響”的關鍵零地電壓； ?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負載輸入端仍可能有大于1V的零地電壓。因此，要保證每個機柜IT負載的零地電壓小于1V是不可能的，除非在每一個機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負載的影響 零地電壓對IT負載是否真的有影響，關鍵的問題是零地電壓是否真正傳到了IT內部的CPU、存儲芯片等核心部件。實際上，通過分析IT負載內部的結構不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負載內部的電源模塊供電，這一電源模塊的輸出才向IT內部的核心部件供電。 所以，要了解零地電壓是否對IT負載有影響或影響的大小，關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生多大的影響。關于這一點，我們只需要分析一下IT負載內部電源模塊的電路工作原理，就會得出理性的結論。 |
