科學(xué)地認識數(shù)據(jù)機房UPS電源的零地電壓問題特制材料

1、科學(xué)地認識數(shù)據(jù)機房ups電源的“零地電壓”問題作者：伊頓電源（上海）有限公司王偉· 本文通過分析數(shù)據(jù)機房電源零地電壓的形成機理，論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對it負載可能的影響， 建議數(shù)據(jù)機房用戶應(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。一、引言長期以來，在國內(nèi)機房數(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”居然被寫進了某些國家級標(biāo)準(zhǔn)，如某gb級的機房設(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

2、，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、小型機、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負載影響的相關(guān)文獻”。有趣

3、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負載影響的確鑿證據(jù)嗎？”。盡管零地電壓對it負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)機房采購了數(shù)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(dǎo)致了大量的資源浪費，降低了機房供電系統(tǒng)的可靠性，而且也大幅度增加了

4、機房的運行成本，使本來就不太盈利的idc業(yè)務(wù)更是雪上加霜。為此，筆者認為系統(tǒng)地討論機房供電系統(tǒng)的“零地電壓”產(chǎn)生、傳遞機理，特別是對it負載的影響問題，使機房數(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)的認識是非常必要的。二、輸配電線路零地電壓的產(chǎn)生機理在380v交流供電系統(tǒng)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(dāng)前數(shù)據(jù)機房配電系統(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

5、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(cè)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(dāng)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(zhì)上來說，它與其它電壓沒有任何特別的地方，

6、只是零線上的電壓降。圖1  數(shù)據(jù)機房配電系統(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理：ups輸入零地電壓u n1-g可以表示如下，u n1-gi1*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

7、對稱度；n 三相負載電流大小的對稱度；n 三相負載相位的對稱度；n 三相負載中是否有3n次諧波的存在等。n其中，電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱對數(shù)據(jù)機房用戶來說，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

8、負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=iamsin100tib=ibmsin(100t-120°)ic=icmsin(100t120°)相應(yīng)的各相三次諧波電流為ia3=ia3msin30

9、0tib3=ib3msin(300t-360°)ic3=ic3msin(300t360°)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(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

10、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理，但是ups產(chǎn)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(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，為了滿足負載輸出380v/220v的需

11、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）加一:2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

12、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_35v，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0.51v。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(chǎn)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(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的升壓變壓器。這是2

13、1世紀(jì)以來現(xiàn)代電力電子技術(shù)最偉大的技術(shù)進步之一，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ups與工頻機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，對于早期的高頻機或某些高頻機技術(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35v,并伴有明顯的高頻成份?，F(xiàn)在許多廠商已經(jīng)認識到中國用戶對零地電壓的關(guān)心，所以改進了輸出濾波器設(shè)計，其零線電壓增益通常僅為0.51v,而且這一波形中不

14、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(jié)論：高頻機與工頻機具有同樣的零線電壓增益產(chǎn)生機理，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負載機柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓數(shù)據(jù)機房用戶通常非常關(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)心機柜內(nèi)部it負載設(shè)備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對i

15、t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(shè)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(zāi)區(qū)”。1、ups輸出零地電壓u n2-gups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-guni-gun-ups2、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

16、，即u n3-gun2-gun3-n2uni-gun-upsun3-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(shù)據(jù)機房用戶關(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35v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

17、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(shù)據(jù)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(qū)間內(nèi)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(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，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

18、纜為2.5 mm²，電纜長度為20m(假設(shè)為較遠端的機柜)，此時的零線電阻為0.15.，滿載零線電流為16a，則產(chǎn)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(shè)置了隔離變壓器的系統(tǒng)，見圖6，此時的it負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-g22.4v+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負載輸入端的零地電壓依然達2.4v,遠大于1v。&#

19、160;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(shè)置隔離變壓器，那么it負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-gun-upsun3-n2un-n3uni-gun-upsun3-n22.4v 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(jié)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“

20、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(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負載的影響零地電壓對it負載是否真的有影響，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負載內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不難得到，ups輸出的電壓只是給it負載內(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

21、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，我們只需要分析一下it負載內(nèi)部電源模塊的電路工作原理，就會得出理性的結(jié)論。當(dāng)前it負載內(nèi)部的輸入電源模塊采用兩種制式，即atx標(biāo)準(zhǔn)和ssi標(biāo)準(zhǔn)。atx標(biāo)準(zhǔn)是intel公司在1997年推出的一個電源規(guī)范，輸出功率一般在125瓦350瓦之間；ssi（server system infrastructure）規(guī)范是intel聯(lián)合一些主要的ia架構(gòu)服務(wù)器生產(chǎn)商在atx標(biāo)準(zhǔn)上推出的新型服務(wù)器電源規(guī)范。這兩種電源的主電路如圖8所示。分析這一電源的工作原理可以看出，

22、無論是atx還是ssi電源，ups輸出的220v交流電進入it負載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級變換，最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12v、5v、3.3v的直流電壓，提供給it負載內(nèi)部的cpu、內(nèi)存、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換如下圖所示，分別為： n第一級：橋式整流器，將220v交流電變?yōu)榧s200300v的直流電； n第二級：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； n第三級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離； n第四級：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。（a）atx標(biāo)準(zhǔn)（b）s

23、si標(biāo)準(zhǔn)圖8 it負載的輸入電源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，進入it負載的電源后，從第一到第二級，也許我們還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡，但是經(jīng)過第三級后，由于變壓器的隔離作用，這一共模電壓在變壓器的隔離輸出端被徹底消除，后面的電路已經(jīng)沒有了零線，只有直流的正、負極，所以也就不再存在所謂的零地電壓及產(chǎn)生的*。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電源的第一級以外?？梢?，零地電壓進入it負載內(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，根本達不到真正

24、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負載電源輸出的12v直流電壓，就是經(jīng)第三級高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達50khz150khz，遠高于高頻機ups的變換頻率，所以高頻變換是it電源自身的根本，it負載不懼怕“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”的概念卻似乎有點好笑。但是，如果我們能簡單地分析一下相線和零線在it負載內(nèi)部的傳播途徑，我們就會得出非常驚奇的結(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

25、電壓的ups輸出ac 220v電壓進入it負載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)第二級的整流后，相線l與第三級高頻逆變器的正母線連通，而零線n則與負母線連通，見圖9(a)；而在輸入電源的負半周，則剛好相反，零線n與正母線連通，而相線l則與負母線連通，見圖9(b)。由此可見，在it負載的第二級后，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負載的正常運行，那無疑“相地電壓”高也會對it負載產(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負載的輸入就沒電了，數(shù)據(jù)機房也就直接癱瘓了。因此，從

26、這一反例也可看出，強調(diào)零地電壓小于1v是一個荒謬的概念！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負載的安全零地電壓應(yīng)為ac 220v，問題是這時如果相地電壓也等于220v的話，輸入it負載的相零電壓就等于0v或440v了， it負載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故！如果我們能設(shè)計一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220v的“特殊ups”向it負載供電，則it負載將不受任何影響。(a)正半周時，相、零線在it電源的位置(b

27、)負半周時，相、零線在it電源的位置圖9 零地電壓與相地電壓概念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)備進行了零地電壓加擾測試，同時對中國電信120多個機房的121臺在網(wǎng)設(shè)備進行了抽檢調(diào)研，得出的結(jié)論如下：（詳見參考文獻1）（1）從對機架式服務(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，零地電位差會對數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響，其原因是零地電位差會在數(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)筆者對整個測試報告和報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，由于地