科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题
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 mm²，电缆长度为20m(假设为较远端的机柜)，此时的零线电阻为0.15&O.，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。
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7 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；
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。
五、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。
当前IT负载内部的输入电源模块采用两种制式，即ATX标准和SSI标准。ATX标准是Intel公司在1997年推出的一个电源规范，输出功率一般在125瓦～350瓦之间；SSI（Server System Infrastructure）规范是Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商在ATX标准上推出的新型服务器电源规范。这两种电源的主电路如图8所示。
分析这一电源的工作原理可以看出，无论是ATX还是SSI电源，UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压，提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等&真正的负载&使用。这四级变换如下图所示，分别为：
第一级：桥式整流器，将220V交流电变为约200~300V的直流电；
第二级：高频逆变器，将直流电再转换成几十到几百KHZ稳压的高频交流电；
第三级：高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离；
第四级：高频整流器，将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(或5V、3.3V)输出。
（a）ATX标准
（b）SSI标准
图8 　IT负载的输入电源
1.零地电压在IT电源内的传播途径
从上图可见，具有数伏零地电压的220V交流电，进入IT负载的电源后，从第一到第二级，也许我们还能&追寻&到这一电压的存在踪迹，但是经过第三级后，由于变压器的隔离作用，这一共模电压在变压器的隔离输出端被彻底消除，后面的电路已经没有了零线，只有直流的正、负极，所以也就不再存在所谓的零地电压及产生的干扰。此外，无论是ATX还是SSI电源，都在其输入端设有共轭电抗器与Y电容，这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在IT电源的第一级以外。
可见，零地电压进入IT负载内部后，从传播途径看，经共轭电抗器抑制后，终结于内部变压器的前端，根本达不到真正的IT内部CPU、RAM、EPROM、硬盘等的供电端，所以无论是多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。
有必要指出的是IT负载电源输出的12V直流电压，就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的，其变换频率通常高达50KHZ~150KHZ，远高于高频机UPS的变换频率，所以高频变换是IT电源自身的根本，IT负载不惧怕&高频&。
2.&零地电压&与&相地电压&
&零地电压&已经广为人知，而&相地电压&的概念却似乎有点好笑。但是，如果我们能简单地分析一下相线和零线在IT负载内部的传播途径，我们就会得出非常惊奇的结果。由于ATX和SSI的变换结构几乎相同，所以我们以SSI制式电源为例来说明。
具有零地电压的UPS输出AC 220V电压进入IT负载的电源后，在输入电源的正半周，经第二级的整流后，相线L与第三级高频逆变器的正母线连通，而零线N则与负母线连通，见图9(a)；而在输入电源的负半周，则刚好相反，零线N与正母线连通，而相线L则与负母线连通，见图9(b)。
由此可见，在IT负载的第二级后，相线与零线具有完全相同的功能与流通线路。这样，如果&零地电压&高将影响IT负载的正常运行，那无疑&相地电压&高也会对IT负载产生致命的影响。而零地电压我们可以通过技术手段让它小于1V甚至等于0V，但是，如果我们让相地电压也控制到小于1V以下的话，那么IT负载的输入就没电了，数据机房也就直接瘫痪了。因此，从这一反例也可看出，强调零地电压小于1V是一个荒谬的概念！
分析这一电路的交流输入部分，还可以得出一个更有趣的结果，由于输入电路的完全对称性，如果我们让&零地电压&等于AC 220V，而让&相地电压&等于0V，这一IT电源的输出将不受任何影响地正常工作。所以，从理论上说，IT负载的安全零地电压应为AC 220V，问题是这时如果相地电压也等于220V的话，输入IT负载的相零电压就等于0V或440V了， IT负载就出现了断电或高压事故！如果我们能设计一具有零地电压、相地电压和&相零电压&都等于220V的&特殊UPS&向IT负载供电，则IT负载将不受任何影响。
(a)正半周时，相、零线在IT电源的位置
(b)负半周时，相、零线在IT电源的位置
图9 零地电压与相地电压概念
3.零地电压对服务器等IT设备及通信设备的影响测试
中国电信电磁防护支撑中心联合华为技术有限公司的技术专家，对服务器等IT设备、DTU数据通信设备进行了零地电压加扰测试，同时对中国电信120多个机房的121台在网设备进行了抽检调研，得出的结论如下：（详见参考文献1）
&（1）从对机架式服务器和刀片式服务器的加扰测试结果来看，22V以下的零地电压对这两种服务器无影响。
（2）10V以下的零地电压差对DTU数据通信设备无影响。但在通信系统分散的情况下，零地电位差会对数据通信产生影响，其原因是零地电位差会在数据通信线路的设备端口之间造成地电位差。（笔者注：根据笔者对整个测试报告和报告中所给出的线路图的分析，准确地说，应该是当采用RS232和同轴电缆通信时，由于地电位的差异导致了对数据通信的影响。这里的地电位实际上与输入电源的零地电压无关，它们是完全不同的两个概念，换句话说，如果两台通信设备的地电位差异较大，即使两台通信设备的输入零、地电压等于0，也会对通信有影响。另外，如果采用光纤通信，就不会有影响了。）
（3）通过对122个在网通信机房的调查，在保证设备正常运行的情况下，设备的零地电位差分布在10V以下，建议：数据通信设备的零地电位差应在10V以下。&
从本节的分析可见，可小结如下：
由于IT电源内部的共轭电抗器和Y电容的抑制,特别是高频变压器的隔离，零地电压止于变压器的输入端，根本无法到达12V的直流输出端，所以无法对对IT负载构成影响。
对IT负载而言，&零地电压&与&相地电压&对于IT负载具有同等的&干扰&地位，因此消除零地电压，也就应该同时消除相地电压，这是非常荒谬的结论。
从IT负载电源的对称性分析，理论上看，零地电压与相地电压一样可达220V对IT负载无影响。
零线与地线在在所谓的工频机与高频机内部都是从输入端到输出端直接贯通的，其产生与消除的机理完全一样，都可以使其小于1V以下，关键是厂商是否愿意投入这样做。
不管在UPS输出端还是在楼层配电输出端采取什么样的降低零地电压的措施，都无法保证机柜IT负载输入端的零地电压满足小于1V的要求，而IT负载端的零地电压高低才是最可能引发前言中提到的&5大被忽悠的致命问题&的根源。
任何仅保证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的做法都不过是自欺欺人的自我安慰而已。
通过对IT负载电源4大变换级中的高频变压器变换级的分析，及&零地电压&与&相地电压&的技术比较，尽管对IT负载的正常工作而言，零地电压可达220V对IT负载无影响，但是综合中国电信的测试数据，笔直认为20V以下的零地电压对现代IT负载不会有任何影响（但需要关注此时的相地电压是否正常）。
因此，本文的最后笔直建议数据机房用户应科学地看待零地电压及其大小问题，走出零地电压的技术误区，以避免无谓的浪费和对整个机房电源系统可靠性的损害。
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浅谈UPS电源零地电压概念和降低方法
& & 随着计算机日新月异的发展，计算机内部芯片的工作电压越来越低，能耗也越来越小。为了服务器能正常工作需要，IBM、HP等厂家的新型服务器对机房零地电压提出越来越高的要求。厂商承诺的零地电压小于多少，是指不额外增加的零地电压，即指机房输入配电柜上零地电压为0V时UPS电源输出端的零地电压。加入用户本身的配电系统达不到要求，零线电流或者相间高次谐波耦合造成零线相对地线有一定的电压差，这样在UPS电源的输入处，零地电压就会升高而到不到设备要求，这不是UPS本身能彻底解决的问题。如某机房在UPS旁路工作时，配电柜零地电压为1.8V，当UPS逆变供电时，机房配电零地电压为2V，则其UPS增加的零地电压为0.2V。 UPS厂商声称的零地电压低于1V就是指这个增加的零地电压。因为UPS电源在双变换模式运行时，UPS电源内部的开关器件以及EMC的一些原理，会造成零地感应电压或者高频传到压降。
& & 降低零地电压的办法包括：
& &1)缩短零线长度，增大零线截面积可减小零线电抗，从而降低零地电压。这样的方式效果是比较明显的，从零线电抗计算公式Zn=ρL/S看，当线长L减小，导线截面积增大，Zn随之减小，零地电压也同时降低。但收到现场实际情况限制，不太容易实现。需在机房初期设计阶段充分考虑，否则很难更改。零线和地线截面积应该保证在相线的1.5倍以上。
& &2)测量接地电阻是否符合国家标准。例如接地体的接地电阻不得大于4Ω,联合接地体的布线电阻小于1Ω等要求。检查地线接头处连接是否有松动或者上锈，从而加大了接触电阻。
& &3)对于非隔离双变换纯在线的UPS电源，逆变器工作时UPS电源输入端零线电流理论上应该为0V。但UPS的输出中线电流是由粗在三相是否均衡来决定，所以尽可能将负载均分到三相上，也能减小零地电压。
& &4)负载端加隔离变压器，并将隔离后的零线接地，即PPC或者PDU精密配电柜。该解决方案的优点在于能够非常有效的解决负载端零地电压的问题。因为隔离后的零线接地，可以保证负载的零地电压趋近于零。隔离变压器是一个非常成熟的产品，品种全，可以满足各种功率等级的要求，供货周期短，价格低廉，而且安全可靠、无风险。目前计算机房用户多采用这种配电方式。但应注意不要将负载零线接到电网零线，同时一定要保证接地排的接地满足机房的接地规范并保证可靠性，由于接地排的不可靠可能会造成设备损坏甚至人身伤害。
& &5)非完全隔离能有效解决零地电压是一种误解。很多用户认为工频输出有隔离变压器，所以降低零地电压，或者说可以直接将输出N线重新保护地短接，这其实是一种误解。因为工频机整流器采用SCR整流，直流母线电压大部分取400V，逆变交流电压在160V左右，需要用变压器升压到 220V才能使用，因此这个变压器本质上是用来作逆变电压使用，而且工频机的输出变压器只安装在逆变器的回路中，而旁路没有隔离变压器，所以工频机的输出 N线并没有与输入N线隔离，输出N线也就不能直接短接地，来降低零地电压到零。要想完全解决零地电压问题，需要在旁路上增加爱隔离变压器，或者按照方法 4)，在总输出上增加隔离变压器，做到一二次侧N线完全隔离。
& &上述方法1)－3)对降低零地电压都有一定作用，但并不能完全有效地解决零地电压问题。
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关于某电子计算机房供电系统零地电压问题的分析及其对策
2014年5期目录
&&&&&&本期共收录文章20篇
　　1 问题的提出 中国论文网 /8/view-5848663.htm　　“零地电压”是电子信息系统机房供电系统的一项技术要求。零地电压过高，计算机系统不但容易“死机”，而且还会影响通信，造成数据传输的误码率增大，甚至会损坏网络设备。所以有些设备（如服务器、小型机等）设置有零地电压检测电路，一旦零地电压高于某一规定值就不能开机。在电子信息系统机房的接地系统中，为了保证系统运行的安全可靠，必须尽量设法降低或消除零地电压。 　　不同的电子信息设备对零地电压有不同的要求，如调制解调器要求不大于5V，卫星通信技术要求小于3V，个别重要的服务器（如金融系统）甚至要求小于1V。根据国家强制性标准《GB
电子计算机房设计规范》中有关电子信息设备供电电源的质量要求，零地电压应小于2V。 　　表1 强电数据汇总（某单位提供） 　　根据某单位提供的《强电数据汇总》（见表1），只有21F的01、02机柜的零地电压满足要求。2F的4个机柜和3F的2个机柜均不满足《GB 50174》规定的要求。 　　为此，我公司特提出本报告，对该问题作一分析。 　　2 产生零地电压的可能原因 　　低压交流供电系统产生零地电压过大的主要原因有： 　　（1）三相电路负载分配严重的不平衡。三相电路负载的不平衡会造成零线电流过大。由于零线阻抗的存在，零线电流会在阻抗上产生电压降。这样，零线上远离进线端的点，相对于地电位就可能产生较高的零地电压。 　　（2）三相不平衡且零线断线或接地不良导致中性点位移。这时，各相负荷所承受的电压变大或变小，中性点电位发生变化。 　　（3）零线中有较多的高次谐波电流通过。供电系统中的谐波电流通过电网会在阻抗上产生谐波压降，从而导致谐波电压的产生，从而使零地电压抬高。 　　（4）磁场干扰。当零线与其它线路构成较大回路，且受磁场干扰，零线中会产生感应电压。这在零线线缆较长时表现更为明显。 　　（5）接地电阻不符合要求。共用接地时，零线接地电阻、地线重复接地电阻要求小于4欧姆，若接地电阻太大或与大地接触不良，受电流在接地电阻上产生电压降的影响，零地电压可能抬高。 　　（6）PE线中存在有较大的接地电流。系统正常工作时，PE线中不应有电流，但若出现以下情况就有可能导致PE线中有电流，从而导致零地电压的产生。 　　1）用电设备漏电，如相线与外壳绝缘不良、碰壳、相地接反，这时PE线中就有较大的漏电流通过。 　　2）PE线与N线接错或在某一点PE与N线短接。PE线与N线混接时，PE线中杂散电流最大，在N线中的一部分工作电流也会流入PE线。 　　3）PE线各重复接地点的电位不等。由于电位差的存在，PE线中会有电流产生。 　　4） PE线附近有直流大电流流动。杂散电流会通过大地流入PE线。如上海地铁牵引电源为1500V直流电源，直流电可能通过大地泄漏到PE线中形成杂散电流。 　　（7）接地线长度不合乎要求。高频电子设备的接地线要求必须小于λ/4（λ为高频波的波长），否则会产生驻波 ；由于驻波存在波腹与波节（即电压的最高点和最低点），所以接地线两端可能存在电位差。 　　（8）UPS选用不当 。UPS的功率因数较低，因而有较多的谐波成分，从而导致零地电压抬高。此外，有些UPS不带有隔离变压器，不能有效地抑制零地电压。 　　3 降低零地电压的方法 　　针对上述分析，分别提出以下解决方案。 　　（1）当三相负荷不平衡造成零线电流较大时 　　1）调整三相负荷平衡的同时，也要考虑到用电设备功率因数的不同，尽量兼顾有功功率和无功功率均能平衡分布。 　　2）对N线在负载部分进行重复接地，N线重复接地可以抑制零电位漂移。但不能与PE线的重复接地合用一个接地极，且N线的重复接地线与PE线的重复接地线绝缘，不得有电气联结。 　　3）使用可调整不平衡电流功率因数补偿装置。该装置用控制器控制，通过在相间以及相与零线之间接入不同数量的单相电力电容器来校正三相不平衡电流，从而补偿了功率因数。 　　4）采用新一代智能UPS产品（如艾默生的Paradigm）实现对中线电流进行实时监控。这样，可以通过实时匹配整流器的三相电流从而将零线上的合成电流降为零。 　　5）在零、地电位漂移不太大的情况下加粗零线，从而使导线阻抗下降。 　　6）使用无流零线。不过线路较长时，费用也相当可观。 　　（2）检查中线有无接触不良或断线，并可设置中线断线保护。一旦发生断线而使中性点电位漂移，保护装置就会动作跳闸。 　　（3）防止和减少谐波电流的产生。 　　谐波电流产生的原因包括： 　　1）经调查显示：楼宇中产生的谐波占到总谐波量的40%以上。特别是楼宇中日光灯、气体放电灯等的大量应用会产生大量三次谐波，从而对电网构成污染。 　　2）在用户供电系统中，并联电容器组作为无功功率补偿设备得到广泛应用。然而电容器的谐波阻抗小，谐波电压会产生较大的谐波电流。 　　为此，应该： 　　1）增加整流装置的相数。增加整流装置的相数是限制高次谐波的基本和常用方法之一。多相整流变压器二次绕组进行不同组合，可实现6相、12相、24相或48相整流。采用多相整流可显著减小低次谐波含有率，但高次谐波仍然存在。 　　2）使用电力谐波滤波器，当增加整流装置相数仍不满足要求时，可考虑采用电力滤波器。有源电力滤波器有良好的使用效果。 　　（4）改善电磁环境。采取各种措施（如机房屏蔽以及电缆的屏蔽）以抑制各种电磁耦合。 　　（5）降低接地电阻值。保证工作接地与重复接地接地良好。 　　（6）加强相线间绝缘。防止设备的漏电流通过地线形成回路；杜绝零地混接以减小杂散电流；地线各重复接地的位置不能置于不同的地电位处。在有较大直流电流动的附近，应该使地线对大地绝缘，并使其单点接地。 　　（7） 对零地电压要求非常高的机房，供配电系统中的重复接地宜和中性线接地采用同一材料接地极，最好都使用铜材料。 　　（8） 高频系统的接地线应该在1/10λ到1/20λ（λ为高频波波长）之间，此时，导线两端不会产生明显的电位差。 　　（9）采用新一代智能UPS产品。这种UPS实现了对中性线电流实时监控，可以通过实时匹配整流器的三相电流从而将零线的合成电流降为零，减少了由于零线的压降导致零地电压升高。对于大型机房，应该采用功率因数大，谐波少的UPS。如三相6脉冲整流时UPS的输入功率因数约为0.8，谐波电流为30%左右，三相12脉冲时UPS的输入功率因数可以作到0.95，但仍有10%的谐波电流成分。
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