數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”你了解嗎？

  長(zhǎng)期以來，在國(guó)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**要指標(biāo)。近年來這種趨勢(shì)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**標(biāo)準(zhǔn)，如某GB**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(guó)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(duì)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(guó)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(duì)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(guó)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(guó)UL電源標(biāo)準(zhǔn)起草的專家們根本**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(guó)，有這一電壓對(duì)IT負(fù)載影響的確鑿證據(jù)嗎?”。

  盡管零地電壓對(duì)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(guó)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**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(duì)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(duì) “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**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**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(duì)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(zhǎng)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(duì)稱性、各**配電母線各相負(fù)載的不對(duì)稱性以及各單相負(fù)載的非線性特性等因數(shù)的存在，**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**在零線的各點(diǎn)產(chǎn)生了相對(duì)于參考點(diǎn)G的電壓差，這**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**配電母線到變壓器接地點(diǎn)G的線路阻抗不同，每一**零線上流過的零線電流也不一樣，這**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(duì)于IT負(fù)載**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“**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(duì)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”**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**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(duì)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(zhǎng)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**這一問題，許多**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

  **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**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(duì)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(zhǎng)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**達(dá)2.4V。

  對(duì)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**等于IT設(shè)備輸入端的N點(diǎn)對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)IT負(fù)載的影響

  從前的分析可見，對(duì)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**象“幽靈”一樣很難**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(duì)IT負(fù)載是否真的有影響呢?

  要了解零地電壓對(duì)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(duì)IT負(fù)載的影響問題**簡(jiǎn)單化為零地電壓對(duì)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**變換，**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**變換如下圖所示，分別為：

  ****：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電;

  第二**：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**：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離;

  第四**：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。