科學(xué)地認識數據機房UPS電源的“零地電壓”問(wèn)題

一、 引言

長(cháng)期以來(lái)，在國內機房數據中心電源的設計、建設與應用過(guò)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(zhì)的首要指標。近年來(lái)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(xiě)進(jìn)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(chǎng)商與用戶(hù)都習慣于將數據系統中出現的各種問(wèn)題歸給于零地電壓引起的。目前，國內業(yè)界忽悠的根據“統計數據”“零地電壓”過(guò)高對IT設備，如主機、小型機、服務(wù)器、磁盤(pán)存儲設備、網(wǎng)絡(luò )路由器、通信設備等的影響可概括為下列幾種：

? 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；

? 可能導致IT設備出現死機事故的概率增大；

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

? 可能導致存儲設備存儲設備損壞、數據出錯等。

? 某些知名IT廠(chǎng)商規定零地電壓大于1V不給開(kāi)機等。

但是綜觀(guān)國際的IEC和UL電源標準，卻根本沒(méi)有“零地電壓”這一名詞，遍尋IEEE的文章也沒(méi)有檢索到任何“零地電壓對IT負載影響的相關(guān)文獻”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專(zhuān)家訪(fǎng)問(wèn)一些中國數據機房用戶(hù)，有些用戶(hù)提出了零地電壓的問(wèn)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(zhuān)家們根本就聽(tīng)不懂，經(jīng)過(guò)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(wèn)：“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(méi)有任何確鑿的科學(xué)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(wèn)題，國內許多用戶(hù)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(gè)樓層機房的輸入端來(lái)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(lái)就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)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(chǎn)生、傳遞機理，特別是對IT負載的影響問(wèn)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(wèn)題有一科學(xué)的認識是非常必要的。

二、 輸配電線(xiàn)路零地電壓的產(chǎn)生機理

在380V交流供電系統里，由于線(xiàn)路保護的需要，通常將三相四線(xiàn)制的中心點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)通過(guò)接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點(diǎn)。

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(xiàn)路分成三級配電母線(xiàn)，即UPS輸入配電母線(xiàn)或稱(chēng)市電輸入母線(xiàn)L1（含柴油發(fā)電機切換后輸入），UPS輸出配電母線(xiàn)L2，樓層配電母線(xiàn)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(jìn)行供電。

這樣，從變壓器的二次側接地點(diǎn)G到IT負載的零線(xiàn)輸入點(diǎn)N之間，有很長(cháng)的輸電距離，當負載投入運行后，一定有大量的零線(xiàn)電流從N點(diǎn)流回到各級母線(xiàn)，在母線(xiàn)的零排處疊加，疊加后未被抵消的部分將流回到G點(diǎn)。由于零線(xiàn)阻抗的存在，在各級母線(xiàn)的零排之間就形成了電壓降。這樣以G為參考點(diǎn)，零線(xiàn)上的各個(gè)點(diǎn)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(lái)說(shuō)，它與其它電壓沒(méi)有任何特別的地方，只是零線(xiàn)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(diǎn)，即UPS輸入零地電壓為例來(lái)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(xiàn)上流過(guò)的電流，ZN1-G為N1零排到接地點(diǎn)的零線(xiàn)阻抗?？梢?jiàn)，零線(xiàn)壓降完全取決與零線(xiàn)電流I1和零線(xiàn)阻抗的ZN1-G大小，當I1或ZN1-G為零時(shí)，零線(xiàn)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(xiàn)阻抗的大小取決于零線(xiàn)的線(xiàn)路長(cháng)度與線(xiàn)徑，對于數據機房而言是個(gè)不變量；而零線(xiàn)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(chēng)度；

? 三相負載電流大小的對稱(chēng)度；

? 三相負載相位的對稱(chēng)度；

? 三相負載中是否有3n次諧波的存在等。

其中，電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱(chēng)對數據機房用戶(hù)來(lái)說(shuō)，屬于不可控、不可管的“正?，F象”，在此不作討論。

1. 三相負載電流大小不平衡時(shí)產(chǎn)生的零線(xiàn)電流I1-1

當L1母線(xiàn)三相配電系統中各相負載大小不相同時(shí)，就會(huì )出現三相不平衡電流，這一不平衡電流匯流到N1零排時(shí)，就合成為零線(xiàn)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(kāi)時(shí)，此時(shí)的零線(xiàn)電流I1-1就等于B相的電流IB，達到該條件下零線(xiàn)電流的最大值，如圖2(b)所示。

圖2 零線(xiàn)電流的合成

2. 三相負載電流相位不對稱(chēng)時(shí)產(chǎn)生的零線(xiàn)電流I1-2

當I段母線(xiàn)三相配電系統中各相負載的輸入功率因素不相同時(shí)，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(shí)也會(huì )導致不平衡電流的出現，同樣在N1零排處，匯合成零線(xiàn)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(chǎn)生的零線(xiàn)電流I1-3

由于非線(xiàn)性負載的存在，導致了零線(xiàn)中不僅有基本電流流過(guò)，還可能有三次及三的倍數次諧波流過(guò)。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(jiàn)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(xiàn)電流。

由上述三種因素所產(chǎn)生的零線(xiàn)電流，流過(guò)N1零排到變壓器之間的零線(xiàn)，就形成了零線(xiàn)壓降，出現了我們通常所說(shuō)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(xiàn)路較長(cháng)、負載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線(xiàn)性負載較多，就可能使UPS的輸入零地電壓很高。

由此可見(jiàn)，可以總結如下：

? 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(guò)零線(xiàn)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(xiàn)電壓增益的機理

前面我們分析了由配電線(xiàn)路產(chǎn)生的UPS輸入零地電壓的形成機理，但是UPS產(chǎn)生的零線(xiàn)電壓增益的機理與此有所不同。接下來(lái)我們就來(lái)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(wú)需升壓變壓器UPS（所謂的高頻機）的零線(xiàn)電壓增益的產(chǎn)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(chǎn)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(guò)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(xiàn)電壓只有190V，為了滿(mǎn)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(xiàn)電壓升高到380V；同時(shí)，通過(guò)這一變壓器的△/Y0接法生成零線(xiàn)，以實(shí)現UPS三相四線(xiàn)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(wú)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(xiàn)與地線(xiàn)在UPS內部從輸入到輸出是直通的，UPS關(guān)機時(shí)，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(méi)有起到任何的隔離作用。在UPS正常開(kāi)機工作時(shí)，由于旁路關(guān)斷，其零線(xiàn)上也不會(huì )有電流流過(guò)，所以由零線(xiàn)電流產(chǎn)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(huì )導致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會(huì )部分溢出感應在零線(xiàn)上，產(chǎn)生一定的零線(xiàn)電壓增益，其大小完全取決于濾波器參數的優(yōu)劣，通?？蛇_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(wú)需升壓變壓器UPS的（所謂的高頻機）產(chǎn)生的零線(xiàn)電壓增益

所謂的高頻機（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(guò)IGBT高頻逆變器將這一直流電直接還原成380V/220V三相四線(xiàn)制的交流電，所以無(wú)需所謂工頻機的升壓變壓器。這是21世紀以來(lái)現代電力電子技術(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(xiàn)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(huì )產(chǎn)生零線(xiàn)電流產(chǎn)生的零地增益。但是，對于早期的高頻機或某些高頻機技術(shù)起步較晚的廠(chǎng)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(xiàn)上，產(chǎn)生一定的零線(xiàn)電壓增益，其值達3~5V,并伴有明顯的高頻成份?，F在許多廠(chǎng)商已經(jīng)認識到中國用戶(hù)對零地電壓的關(guān)心，所以改進(jìn)了輸出濾波器設計，其零線(xiàn)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(shí)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(jiàn)，可得到如下結論：

? 高頻機與工頻機具有同樣的零線(xiàn)電壓增益產(chǎn)生機理，零線(xiàn)與地線(xiàn)在兩種UPS內部都是直通的；

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

四、 IT負載機柜輸入點(diǎn)的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓

數據機房用戶(hù)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(huà)，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(huà)，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(xiàn)壓降、UPS輸出零線(xiàn)壓降及樓層配電零線(xiàn)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(chǎn)生的零線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(hù)關(guān)心的核心問(wèn)題，特別是當UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長(cháng)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3~5V以上。

為了消除這一問(wèn)題，許多迷信零地電壓將影響或損壞IT負載的用戶(hù)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(diǎn)重新接地，即形成新的接地點(diǎn)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(shí)的零、地線(xiàn)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(hù)所能接受的零地電壓要求。有些廠(chǎng)家為了迎合用戶(hù)的需求，專(zhuān)門(mén)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(xiàn)電流就等于機柜負載電流I4，此時(shí)在樓層配電與IT負載之間產(chǎn)生的零線(xiàn)電壓增益為UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4較大，而配電的線(xiàn)路又較細，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個(gè)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(cháng)度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時(shí)的零線(xiàn)電阻為0.15Ω.，滿(mǎn)載零線(xiàn)電流為16A，則產(chǎn)生的零線(xiàn)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(jiàn)圖6，此時(shí)的IT負載輸入端的零地電壓就等于IT設備輸入端的N點(diǎn)對UPS后端的隔離變壓器輸出接地點(diǎn)G2的電壓差，就等于零線(xiàn)上產(chǎn)生的零線(xiàn)壓降：

UN-G2= UN-N3+UN3-G2＝2.4V+0V=2.4V >1V

可見(jiàn)，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(shí)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(méi)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(méi)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(diǎn)對UPS前端的高壓10KV/380V變壓器輸出接地點(diǎn)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(shí)的實(shí)際IT負載輸入端的零地電壓顯然會(huì )遠高于2.4V。

圖7 沒(méi)有配置樓層變壓器的機柜端零地電壓

從上面的分析可見(jiàn)，可以得到如下兩點(diǎn)結論：

? IT負載輸入端的零地電壓才是真正可能對IT負載產(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(shí)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(gè)機柜IT負載的零地電壓小于1V是不可能的，除非在每一個(gè)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(lái)實(shí)現零地電壓小于1V的做法，不過(guò)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(guān)鍵的問(wèn)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(shí)際上，通過(guò)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(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(diǎn)，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(huì )得出理性的結論。