科學(xué)地認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問題
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更新時(shí)間：2016-03-31 15:57:06
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(jì)、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(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如某GB級(jí)的機(jī)房設(shè)計(jì)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(jì)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(chǔ)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：
1、 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；
2、 可能導(dǎo)致IT設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)事故的概率增大；
3、 可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；
4、 可能導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等。
5、 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(tái)變壓器柜安置在各個(gè)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(fèi)，大幅度增加了機(jī)房的運(yùn)行成本，使本來就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)更是雪上加霜，而且也降低了機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性。
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(jì)、建設(shè)與使用者對 “零地電壓”問題有一科學(xué)的認(rèn)識(shí)是非常必要的。
二、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(diǎn)通過接地裝置直接接地。圖1所示為當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖，系統(tǒng)中通常配置一臺(tái)或數(shù)臺(tái)10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側(cè)的中心點(diǎn)通過接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點(diǎn)。
從變壓器到各IT負(fù)載之間，為了安全運(yùn)行和維護(hù)管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級(jí)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(diǎn)G到IT負(fù)載的零線輸入點(diǎn)N之間，有很長的輸電距離，當(dāng)負(fù)載投入運(yùn)行后，由于電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱性、各級(jí)配電母線各相負(fù)載的不對稱性以及各單相負(fù)載的非線性特性等因數(shù)的存在，就會(huì)有有大量的三相不平衡電流及3N次諧波電流通過零線流回到變壓器的接地點(diǎn)G，由于線路阻抗的存在，流過零線的電流就在零線的各點(diǎn)產(chǎn)生了相對于參考點(diǎn)G的電壓差，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。
由于各級(jí)配電母線到變壓器接地點(diǎn)G的線路阻抗不同，每一級(jí)零線上流過的零線電流也不一樣，這就形成了不同的零地電壓點(diǎn)，如圖1所示。不過數(shù)據(jù)機(jī)房用戶通常關(guān)心下列幾個(gè)零地電壓點(diǎn)：
1、 UPS輸入零地電壓－U N1-G
2、 UPS輸出零地電壓－U N2-G
3、 樓層配電柜輸出零地電壓－U N3-G
但是，對于IT負(fù)載較為“致命”的IT負(fù)載機(jī)柜端的零地電壓－U N-G往往被忽視。
三、IT負(fù)載機(jī)柜輸入點(diǎn)的零地電壓才是“較可怕”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(dú)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，可謂是零地電壓的較前哨“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
對于不同的UPS而言，無論是現(xiàn)代的高頻機(jī)還是將要淘汰的老式工頻機(jī)UPS，在其內(nèi)部零線與地線都是直通的；只要其輸出濾波器得到正確的設(shè)計(jì)，UPS自生產(chǎn)生的零線電壓增益UUPS N都可以得到很好的抑制，反之如果設(shè)計(jì)得不好，則這兩種UPS都會(huì)產(chǎn)生較高的零地電壓增益。如伊頓IGBT整流的9395 UPS，其零地電壓增益甚至優(yōu)于同容量的工頻機(jī)。
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
樓層配電柜輸出的零地電壓高低往往是數(shù)據(jù)機(jī)房用戶關(guān)心的終結(jié)零地電壓，當(dāng)UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長的時(shí)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，許多迷信零地電壓的用戶采取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(diǎn)重新接地，即形成新的接地點(diǎn)G2和接近于0V新的零地電壓。
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(shí)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(gè)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(shí)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。
對于樓層配電柜里設(shè)置了隔離變壓器的系統(tǒng)，見圖2，此時(shí)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(diǎn)對新的接地點(diǎn)G2的電壓差，也等于零線上產(chǎn)生的零線壓降2.4V。
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(shí)際IT負(fù)載輸入端的零地電壓依然達(dá)2.4V,遠(yuǎn)大于1V。
而對于在樓層配電柜里沒有設(shè)置隔離變壓器的系統(tǒng)，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(diǎn)對原接地點(diǎn)G的電位差，依據(jù)圖1，其相應(yīng)的零地電壓計(jì)算如下：
UN-G= UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋UN-N3＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋2.4V
此時(shí)的實(shí)際IT負(fù)載輸入端的零地電壓顯然會(huì)遠(yuǎn)高于2.4V。
四、零地電壓對IT負(fù)載的影響
從前的分析可見，對于數(shù)據(jù)機(jī)房IT負(fù)載的實(shí)際輸入端而言，零地電壓就象“幽靈”一樣很難消除零，除非在每一個(gè)IT機(jī)柜上再加一隔離變壓器，顯然這是非?；奶频拇胧?。那么零地地電壓對IT負(fù)載是否真的有影響呢？
要了解零地電壓對IT負(fù)載是否有影響，關(guān)鍵的問題是零地電壓是否能真正傳到了IT內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)芯片等核心部件。實(shí)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。這樣，零地電壓對IT負(fù)載的影響問題就簡單化為零地電壓對這一電源模塊的輸出影響問題。
當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式，即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。這兩種電源的主電路如圖3所示。
分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級(jí)變換，較后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級(jí)變換如下圖所示，分別為：
第一級(jí)：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；
第二級(jí)：高頻逆變器，將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百KHZ穩(wěn)壓的高頻交流電；
第三級(jí)：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；
第四級(jí)：高頻整流器，將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。
1、零地電壓在IT電源內(nèi)的傳播途徑
從上圖可見，具有數(shù)伏零地電壓的220V交流電，進(jìn)入IT負(fù)載的電源后，從第一到第二級(jí)，也許我們還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡，但是經(jīng)過第三級(jí)后，由于變壓器的隔離作用，這一共模電壓在變壓器的二次側(cè)被徹底消除，后面的電路已經(jīng)沒有了零線，只有直流的正、負(fù)極，所以也就不再存在所謂的零地電壓及產(chǎn)生的干擾。此外，無論是ATX還是SSI電源，都在其輸入端設(shè)有共軛電抗器與Y電容，這一部件基本就可將共模的零地電壓阻隔在IT電源的第一級(jí)以外。
可見，零地電壓進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后，從傳播途徑看，經(jīng)共軛電抗器抑制后，終結(jié)于內(nèi)部變壓器的前端，根本達(dá)不到真正的IT內(nèi)部CPU、RAM、EPROM、硬盤等的供電端，所以無論是多高的零地電壓都根本不可能對數(shù)據(jù)系統(tǒng)造成任何影響。
有必要指出的是IT負(fù)載電源輸出的12V直流電壓，就是經(jīng)第三級(jí)高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達(dá)50KHZ~150KHZ，遠(yuǎn)高于高頻機(jī)UPS的變換頻率，所以高頻變換是IT電源自身的根本，IT負(fù)載不懼怕“高頻”。
2、“零地電壓”與“相地電壓”
“零地電壓”已經(jīng)廣為人知，而“相地電壓”的概念卻似乎有點(diǎn)好笑。但是，如果我們能簡單地分析一下相線和零線在IT負(fù)載內(nèi)部的傳播途徑，我們就會(huì)得出非常驚奇的結(jié)果。由于ATX和SSI的變換結(jié)構(gòu)幾乎相同，所以我們以SSI制式電源為例來說明。
具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進(jìn)入IT負(fù)載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)第二級(jí)的整流后，相線L與第三級(jí)高頻逆變器的正母線連通，而零線N則與負(fù)母線連通，見圖4(a)；而在輸入電源的負(fù)半周，則剛好相反，零線N與正母線連通，而相線L則與負(fù)母線連通，見圖4(b)。
由此可見，在IT負(fù)載的第二級(jí)后，相線與零線具有完全相同的功能與流通線路。這樣，如果“零地電壓”高將影響IT負(fù)載的正常運(yùn)行，那無疑“相地電壓”高也會(huì)對IT負(fù)載產(chǎn)生致命的影響。而零地電壓我們可以通過技術(shù)手段讓它小于1V甚至等于0V，但是，如果我們讓相地電壓也控制到小于1V以下的話，那么IT負(fù)載的輸入就沒電了，數(shù)據(jù)機(jī)房也就直接癱瘓了。因此，從這一反例也可看出，強(qiáng)調(diào)零地電壓小于1V是一個(gè)荒謬的概念！
分析這一電路的交流輸入部分，還可以得出一個(gè)更有趣的結(jié)果，由于輸入電路的完全對稱性，如果我們讓“零地電壓”等于AC 220V，而讓“相地電壓”等于0V，這一IT電源的輸出將不受任何影響地正常工作。所以，從理論上說，IT負(fù)載的安全零地電壓應(yīng)為AC 220V，問題是這時(shí)如果相地電壓也等于220V的話，輸入IT負(fù)載的相零電壓就等于0V或440V了， IT負(fù)載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故！如果我們能設(shè)計(jì)一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220V的“特殊UPS”向IT負(fù)載供電，則IT負(fù)載將不受任何影響。
3、零地電壓對服務(wù)器等IT設(shè)備及通信設(shè)備的影響測試
中國電信電磁防護(hù)支撐中心聯(lián)合華為技術(shù)有限公司的技術(shù)專家，對服務(wù)器等IT設(shè)備、DTU數(shù)據(jù)通信設(shè)備進(jìn)行了零地電壓加擾測試，同時(shí)對中國電信120多個(gè)機(jī)房的121臺(tái)在網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了抽檢調(diào)研，得出的結(jié)論如下：（詳見參考文獻(xiàn)1）
（1）從對機(jī)架式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器的加擾測試結(jié)果來看，22V以下的零地電壓對這兩種服務(wù)器無影響。
（2）10V以下的零地電壓差對DTU數(shù)據(jù)通信設(shè)備無影響。但在通信系統(tǒng)分散的情況下，零地電位差會(huì)對數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響，其原因是零地電位差會(huì)在數(shù)據(jù)通信線路的設(shè)備端口之間造成地電位差。（筆者注：根據(jù)筆者對整個(gè)測試報(bào)告和報(bào)告中所給出的線路圖的分析，準(zhǔn)確地說，應(yīng)該是當(dāng)采用RS232和同軸電纜通信時(shí)，由于地電位的差異導(dǎo)致了對數(shù)據(jù)通信的影響。這里的地電位實(shí)際上與輸入電源的零地電壓無關(guān)，它們是完全不同的兩個(gè)概念，換句話說，如果兩臺(tái)通信設(shè)備的地電位差異較大，即使兩臺(tái)通信設(shè)備的輸入零、地電壓等于0，也會(huì)對通信有影響。另外，如果采用光纖通信，就不會(huì)有影響了。）
（3）通過對122個(gè)在網(wǎng)通信機(jī)房的調(diào)查，在保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下，設(shè)備的零地電位差分布在10V以下，建議：數(shù)據(jù)通信設(shè)備的零地電位差應(yīng)在10V以下。”
六、結(jié)論
從UPS的類型看，無論是現(xiàn)代高頻機(jī)還是將要完全淘汰的工頻機(jī)UPS，零線與地線在其內(nèi)部都是從輸入端到輸出端直接貫通的，其產(chǎn)生與消除的機(jī)理完全一樣，都可以使其小于1V以下，關(guān)鍵是廠商是否愿意投入這樣做。
如果用戶關(guān)心零地電壓問題，那就應(yīng)該關(guān)心IT負(fù)載端的零地電壓高低，那才是較可能引發(fā)前言中提到的“5大致命問題”的根源。但是，不管在UPS輸出端還是在樓層配電輸出端采取什么樣的降低零地電壓的措施，都無法從根本上使這一電壓小于1V。任何僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)零地電壓小于1V的做法都不過是自欺欺人的自我安慰而已。
通過對IT負(fù)載自身電源4大變換級(jí)，尤其是高頻變壓器變換級(jí)的分析可見，零地電壓對IT負(fù)載電源的輸出端根本不可能構(gòu)成任何影響，自然它也無法對IT負(fù)載的數(shù)據(jù)部件構(gòu)成絲毫的影響。此外，IT負(fù)載電源本身就是一個(gè)優(yōu)異的“高頻機(jī)”電源。
通過對“零地電壓”與“相地電壓”的技術(shù)比較可知，就對IT負(fù)載的損壞與影響而言，零地電壓與相地電壓一樣，可達(dá)220V對IT負(fù)載無影響。但是綜合中國電信的測試數(shù)據(jù)，筆直非常保守地認(rèn)為20V以下的零地電壓對現(xiàn)代IT負(fù)載不會(huì)有任何影響（但需要關(guān)注此時(shí)的相地電壓是否正常）。
因此，本文的較后筆直建議數(shù)據(jù)機(jī)房用戶應(yīng)科學(xué)地看待零地電壓及其大小問題，走出零地電壓的技術(shù)誤區(qū)，以避免無謂的浪費(fèi)和對整個(gè)機(jī)房電源系統(tǒng)可靠性的極大損害。
參考文獻(xiàn)：
1.《零地電壓對數(shù)據(jù)通信設(shè)備影響的分析》，謝琦 余平放 鄭嘯
Scientifically understand the neutral-ground voltage of power system of data center
Eaton Power Quality (Shanghai) Co. Ltd. Wang Wei
摘要：本文通過分析數(shù)據(jù)機(jī)房電源零地電壓的形成機(jī)理，論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對IT負(fù)載可能的影響， 建議數(shù)據(jù)機(jī)房用戶應(yīng)該正確地看待零地電壓問題，走出零地電壓的技術(shù)誤區(qū)，避免不必要的資源浪費(fèi)。
