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标题: 科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 10:34
标题: 科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题
一、引言
长期以来，在国内机房数据中心电源的设计、建设与应用过程中，“零地电压”被忽悠得神乎其神，甚至成为了机房供电电源品质的首要指标。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“零地电压”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供电系统的零地电压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各种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、通信设备等的影响可概括为下列几种：
可能导致IT设备中的微处理器CPU芯片出现“莫名其妙”地致命损坏；
可能导致IT设备出现死机事故的概率增大；
可能导致网络传输误码率的增大，网速减慢；
可能导致存储设备存储设备损坏、数据出错等。
某些知名IT厂商规定零地电压大于1V不给开机等。
但是综观国际的IEC和UL电源标准，却根本没有“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负载的影响还没有任何确凿的科学依据（绝大部分是把地电位与零地电压混为一谈），但是为了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，笔者认为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、建设与使用者对 “零地电压”问题有一科学的认识是非常必要的。
二、输配电线路零地电压的产生机理
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。(1) 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，就等于零线上产生的零线压降：
UN-G2= UN-N3+UN3-G2＝2.4V+0V=2.4V >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。

图1 机柜端的零地电压
(2) 楼层配电柜中没有配置变压器的IT机柜端的零地电压
如果在楼层配电柜里没有设置隔离变压器，那么IT负载输入端的零地电压等于IT设备输入端的N点对UPS前端的高压10KV/380V变压器输出接地点G的电压差，如图7所示，其相应的零地电压计算等效电路如下图所示。
UN-G= UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋UN-N3＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋2.4V
此时的实际IT负载输入端的零地电压显然会远高于2.4V。

图2 没有配置楼层变压器的机柜端零地电压
从上面的分析可见，可以得到如下两点结论：
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；n 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。n
三、零地电压对IT负载的影响
零地电压对IT负载是否真的有影响，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。
所以，要了解零地电压是否对IT负载有影响或影响的大小，关键是零地电压对这一电源模块的输出电压是否有影响或产生多大的影响。关于这一点，我们只需要分析一下IT负载内部电源模块的电路工作原理，就会得出理性的结论。
从变压器到各IT负载之间，为了安全运行和维护管理考虑，通常将这一距离中的线路分成三级配电母线，即UPS输入配电母线或称市电输入母线L1（含柴油发电机切换后输入），UPS输出配电母线L2，楼层配电母线L3，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，这就是所谓的“零地电压”。零地电压从本质上来说，它与其它电压没有任何特别的地方，只是零线上的电压降。

图3 数据机房配电系统的典型构架图

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，
U N1-G＝I1*ZN1-G
这里I1为零线上流过的电流，ZN1-G为N1零排到接地点的零线阻抗。可见，零线压降完全取决与零线电流I1和零线阻抗的ZN1-G大小，当I1或ZN1-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：
电网三相电压、相位的对称度；n
三相负载电流大小的对称度；n
三相负载相位的对称度；n
三相负载中是否有3n次谐波的存在等。n

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. 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流I1-1
当L1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，就合成为零线电流I1-1,如图2(a)所示。
最极端的情况，当A、C两相的负载全部跳开时，此时的零线电流I1-1就等于B相的电流IB，达到该条件下零线电流的最大值，如图2(b)所示。

图4 零线电流的合成
2. 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流I1-2
当I段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因素不相同时，三相电流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位关系，此时也会导致不平衡电流的出现，同样在N1零排处，汇合成零线电流I1-2，如图2(C)所示。
3. 三相负载中的3n次谐波电流的存在产生的零线电流I1-3
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
iB=IBmsin(100πt-120°)
iC=ICmsin(100πt＋120°)
相应的各相三次谐波电流为
iA3=IA3msin300πt
Ib3=IB3msin(300πt-360°)
iC3=IC3msin(300πt＋360°)
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电流，流过N1零排到变压器之间的零线，就形成了零线压降，出现了我们通常所说的UPS输入零地电压，这一零地电压可计算为
UNI-G＝(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3
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。
由此可见，可以总结如下：
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；n
越是在供电链路的末端，其零地电压越高。n
四、 UPS产生零线电压增益的机理
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有所不同。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。
1. 具有有升压变压器UPS（所谓的工频机）零地电压增益的产生
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电压只有190V，为了满足负载输出380V/220V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的线电压升高到380V；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，否则就根本无法正常工作。
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。

图5 工频机的零地电压
2. 无需升压变压器UPS的（所谓的高频机）产生的零线电压增益
所谓的高频机（如下图4所示）则采用先进成熟的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高，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可以看到，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，出于降低成本的设计考虑，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，产生一定的零线电压增益，其值达3~5V,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，其零线电压增益通常仅为0.5~1V,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。

图6 高频机的零地电压

由此可见，可得到如下结论：
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；n
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。n
五、 IT负载机柜输入点的零地电压才是“最可怕”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”。
1、 UPS输出零地电压－U N2-G
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
2、 UPS楼层输出配电柜上的零地电压－U N3-G
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
U N3-G＝UN2-G＋UN3-N2＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2
这里，UPS输出到楼层配电柜之间的零线电压增益UN3-N2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负载的用户就不得不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”。

图7 楼层配电柜的零地电压
3、 IT负载输入端的零地电压
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通常采用单相配电，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电压增益为UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4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 mm?，电缆长度为20m(假设为较远端的机柜)，此时的零线电阻为0.15Ω.，满载零线电流为16A，则产生的零线压降就达2.4V。
1) 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，就等于零线上产生的零线压降：
UN-G2= UN-N3+UN3-G2＝2.4V+0V=2.4V >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。

图8 机柜端的零地电压
(2) 楼层配电柜中没有配置变压器的IT机柜端的零地电压
如果在楼层配电柜里没有设置隔离变压器，那么IT负载输入端的零地电压等于IT设备输入端的N点对UPS前端的高压10KV/380V变压器输出接地点G的电压差，如图7所示，其相应的零地电压计算等效电路如下图所示。
UN-G= UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋UN-N3＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋2.4V
此时的实际IT负载输入端的零地电压显然会远高于2.4V。

图9 没有配置楼层变压器的机柜端零地电压
从上面的分析可见，可以得到如下两点结论：
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；n 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。n
六、零地电压对IT负载的影响
零地电压对IT负载是否真的有影响，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。
所以，要了解零地电压是否对IT负载有影响或影响的大小，关键是零地电压对这一电源模块的输出电压是否有影响或产生多大的影响。关于这一点，我们只需要分析一下IT负载内部电源模块的电路工作原理，就会得出理性的结论。

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