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1、科学地认识数据机房 UPS 电源的“零地电压”问题 作者：伊顿电源（上海）有限公司王伟 本文通过分析数据机房电源零地电压的形成机理， 论述了零地电压产生的不可避免性和对IT 负载可能的影响， 建议数据机房用户应该正确地看待零地电压问题，走出零地电压的技术 误区，避免不必要的资源浪费。 一、引言 长期以来，在国内机房数据中心电源的设计、建设与应用过程中，“零地电压”被忽悠得 神乎其神，甚至成为了机房供电电源品质的首要指标。近年来这种趋势愈演愈烈，令人难以 置信的是这一反科学的的“零地电压”居然被写进了某些国家级标准，如某 GB 级的机房设计 规范要求“UPS 供电系统的零地电压的有效值控制在小于
2、 2V 的范围内”等，许多厂商与用户 都习惯于将数据系统中出现的各种问题归给于零地电压引起的。 目前， 国内业界忽悠的根据 “统计数据”“零地电压”过高对 IT 设备，如主机、小型机、服务器、磁盘存储设备、网络路由 器、通信设备等的影响可概括为下列几种： 可能导致 IT 设备中的微处理器 CPU 芯片出现“莫名其妙”地致命损坏； 可能导致 IT 设备出现死机事故的概率增大； 可能导致网络传输误码率的增大，网速减慢； 可能导致存储设备存储设备损坏、数据出错等。 某些知名 IT 厂商规定零地电压大于 1V 不给开机等。 但是综观国际的 IEC 和 UL 电源标准，却根本没有“零地电压”这一名词，遍
3、寻 IEEE 的 文章也没有检索到任何“零地电压对 IT 负载影响的相关文献”。有趣的是笔者曾陪同欧美的 电源专家访问一些中国数据机房用户， 有些用户提出了零地电压的问题， 可怜这些搞了几十 年电源并参与美国 UL 电源标准起草的专家们根本就听不懂， 经过反复解释才基本明白了所 谓的“零地电压”的含义，但他很惊讶地反问：“在中国，有这一电压对 IT 负载影响的确凿证 据吗？”。 尽管零地电压对 IT 负载的影响还没有任何确凿的科学依据（绝大部分是把地电位与零 地电压混为一谈），但是为了解决这一可怕而神秘的“零地电压”问题，国内许多用户却不惜 投入大量的资金。 如某通信数据机房采购了数十台变压器
4、柜安置在各个楼层机房的输入端来 降低零地电压，这不仅导致了大量的资源浪费，降低了机房供电系统的可靠性，而且也大幅 度增加了机房的运行成本，使本来就不太盈利的 IDC 业务更是雪上加霜。 为此，笔者认为系统地讨论机房供电系统的“零地电压”产生、传递机理，特别是对 IT 负载的影响问题，使机房数据中心电源的设计、建设与使用者对 “零地电压”问题有一科学 的认识是非常必要的。 二、输配电线路零地电压的产生机理 在 380V 交流供电系统里，由于线路保护的需要，通常将三相四线制的中心点通过接 地装置直接接地。当前数据机房配电系统的典型构架如图 1 所示，系统中通常配置一台或 数台 10KV/380V
5、/Yo 变压器，Yo 侧的中心点通过接地网直接接地，如图 1 中的 G 点。 从变压器到各 IT 负载之间，为了安全运行和维护管理考虑，通常将这一距离中的线路 分成三级配电母线，即 UPS 输入配电母线或称市电输入母线 L1（含柴油发电机切换后输 入），UPS 输出配电母线 L2，楼层配电母线 L3，楼层配电再分路到列头柜（也有将楼层配 电与列头柜合而为一的），然后单相接入机架 PDU 对 IT 负载进行供电。 这样， 从变压器的二次侧接地点 G 到 IT 负载的零线输入点 N 之间， 有很长的输电距离， 当负载投入运行后，一定有大量的零线电流从 N 点流回到各级母线，在母线的零排处叠加， 叠
6、加后未被抵消的部分将流回到 G 点。由于零线阻抗的存在，在各级母线的零排之间就形 成了电压降。 这样以 G 为参考点， 零线上的各个点就形成了对地的电压降， 这就是所谓的 “零 地电压”。 零地电压从本质上来说， 它与其它电压没有任何特别的地方， 只是零线上的电压降。 图图 1 数据机房配电系统的典型构架图数据机房配电系统的典型构架图 下面，以 UPS 输入母排点，即 UPS 输入零地电压为例来阐述零地电压的形成机理： UPS 输入零地电压U N1-G可以表示如下， U N1-GI1*ZN1-G 这里 I1为零线上流过的电流，ZN1-G为 N1 零排到接地点的零线阻抗。可见，零线压降 完全取决
7、与零线电流I1和零线阻抗的ZN1-G大小， 当I1或ZN1-G为零时， 零线上的电压降为零， 即 UPS 的输入零地电压为零，但这通常不可能做到。 零线阻抗的大小取决于零线的线路长度与线径，对于数据机房而言是个不变量；而零 线电流的大小则取决于下列运行条件： 电网三相电压、相位的对称度； 三相负载电流大小的对称度； 三相负载相位的对称度； 三相负载中是否有 3n 次谐波的存在等。 其中，电网三相电压、相位的不对称对数据机房用户来说，属于不可控、不可管的“正 常现象”，在此不作讨论。 1. 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流 I1-1 当 L1 母线三相配电系统中各相负载大小不相同时，就会出
8、现三相不平衡电流，这一不 平衡电流汇流到 N1 零排时，就合成为零线电流 I1-1,如图 2(a)所示。 最极端的情况，当 A、C 两相的负载全部跳开时，此时的零线电流 I1-1就等于 B 相的 电流 IB，达到该条件下零线电流的最大值，如图 2(b)所示。 图图 2 零线电流的合成零线电流的合成 2. 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流 I1-2 当 I 段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因素不相同时，三相电流 IA、IB、IC 的相位不再符合相差 120的相位关系， 此时也会导致不平衡电流的出现， 同样在 N1 零排处， 汇合成零线电流 I1-2，如图 2(C)所示。 3. 三相负
9、载中的 3n 次谐波电流的存在产生的零线电流 I1-3 由于非线性负载的存在，导致了零线中不仅有基本电流流过，还可能有三次及三的倍 数次谐波流过。其基波电流可表示为 iA=IAmsin100t iB=IBmsin(100t-120) iC=ICmsin(100t120) 相应的各相三次谐波电流为 iA3=IA3msin300t Ib3=IB3msin(300t-360) iC3=IC3msin(300t360) 可见尽管基波电流相差 120，但是其三次谐波电流刚好同相位，在 N1 零排处直接相 加成为同相的零线电流。 由上述三种因素所产生的零线电流，流过 N1 零排到变压器之间的零线，就形成了
10、零 线压降，出现了我们通常所说的 UPS 输入零地电压，这一零地电压可计算为 UNI-G(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3 如果线路较长、负载的不平衡度很高或含有三次谐波的非线性负载较多，就可能使 UPS 的输入零地电压很高。 由此可见，可以总结如下： 零地电压与通常的电压完全相同，只是不平衡电流和三次谐波电流流过零线产生的压 降； 越是在供电链路的末端，其零地电压越高。 三、UPS 产生零线电压增益的机理 前面我们分析了由配电线路产生的 UPS 输入零地电压的形成机理，但是 UPS 产生的 零线电压增益的机理与此有所不同。接下来我们就来分析一下老式的具有升压变压器
11、UPS （所谓的工频机）和新一代的无需升压变压器 UPS（所谓的高频机）的零线电压增益的产 生机理。 1.具有有升压变压器 UPS（所谓的工频机）零地电压增益的产生 所谓的工频机（如图 3 所示）采用可控硅相控整流将交流变成 432V 直流电，再通过 IGBT 高频逆变器将这一直流电还原成成交流，但这一双转换后的线电压只有 190V，为了 满足负载输出 380V/220V 的需要，不得不在逆变器的输出端（注意 ： 不是在 UPS 输出，不 含旁路输出端）加一:2 的升压变压器将 190V 的线电压升高到 380V；同时，通过这一变 压器的/Y0 接法生成零线，以实现 UPS 三相四线制的输出要
12、求。所以对于所谓的工频机 而言，输出升压变压器是必加的标准件，否则就根本无法正常工作。 对于本文讨论的主题零地电压而言，我们从图 3 不难看到，即使有了这一隔离变压器， 但是零线与地线在 UPS 内部从输入到输出是直通的， UPS 关机时， 我们很容易量测到 UPS 输入零地电压绝对等于输出零地电压，所以这一隔离变压器在 UPS 内部没有起到任何的隔 离作用。在 UPS 正常开机工作时，由于旁路关断，其零线上也不会有电流流过，所以由零 线电流产生的零地增益在 UPS 内部基本是不存在的。 但是如果 UPS 输出的滤波器设计不好或电容故障， 就会导致逆变器输出的 PWM 高频 电压成份会部分溢出
13、感应在零线上， 产生一定的零线电压增益， 其大小完全取决于滤波器参 数的优劣，通常可达 35V，频率上明显含有高频成份。如果设计得到好，这一电压增益通 常应为 0.51V。 图图 3 工频机的零地电压工频机的零地电压 2.无需升压变压器 UPS 的（所谓的高频机）产生的零线电压增益 所谓的高频机 （如下图 4 所示） 则采用先进成熟的 IGBT 升压整流技术将交流变成 600V 左右的直流电，再通过 IGBT 高频逆变器将这一直流电直接还原成 380V/220V 三相四线制 的交流电，所以无需所谓工频机的升压变压器。这是 21 世纪以来现代电力电子技术最伟大 的技术进步之一，它使 UPS 的变
14、换效率大幅度提高，内部损耗发热大幅度减少，器件的可 靠性得以明显提高。 从图 4 可以看到， 就零、 地线而言， 高频机 UPS 与工频机 UPS 完全一样， 都是在 UPS 内部从输入到输出是直通的，不会产生零线电流产生的零地增益。但是，对于早期的高频机 或某些高频机技术起步较晚的厂商，出于降低成本的设计考虑，其滤波器设计容量偏小，导 致了较高的 PWM 高频电压成份溢出感应在零线上， 产生一定的零线电压增益， 其值达 35V, 并伴有明显的高频成份。 现在许多厂商已经认识到中国用户对零地电压的关心， 所以改进了 输出滤波器设计，其零线电压增益通常仅为 0.51V,而且这一波形中不含高频成份
15、。实测某 IDC 伊顿 9395 高频机 UPS 的零地电压， 显示为电压 0.6V,频率 50HZ,不含任何的高频电压 成份。 图图 4 高频机的零地电压高频机的零地电压 由此可见，可得到如下结论： 高频机与工频机具有同样的零线电压增益产生机理， 零线与地线在两种 UPS 内部都是 直通的； 只要滤波器设计得好，两者都可以很好地解决零地电压问题，并使零地电压不含有高 频成份，反之，两种 UPS 都会产生较高的零地电压。 四、IT 负载机柜输入点的零地电压才是“最可怕”的零地电压 数据机房用户通常非常关心 UPS 输出端的零地电压高低， 也非常关心楼层输出配电柜 的零地电压高低，但是唯独从从不
16、关心机柜内部 IT 负载设备输入端的零地电压高低。如果 零地电压真的对 IT 负载有影响的话，不管你在 UPS 的输出端、楼层输出配电柜上采取什么 样的降低零地电压措施，只要 IT 负载设备输入端的零地电压 UN-G2不小于 1V 的话，其“严 重的危害”就依然存在。而 IT 负载机柜输入端的零地电压是所有 UPS 输入零线压降、UPS 输出零线压降及楼层配电零线压降的叠加，可谓是零地电压的最前哨“重灾区”。 1、UPS 输出零地电压UU N2-GN2-G UPS 输出零地电压等于 UPS 输入零地电压加 UPS 产生的零线电压增益，即 U U N2-GN2-GUNI-GUN-UPS 2、UPS 楼层输出配电柜上的零地电压U N3-G 楼层配电输出的零地电压等于 UPS 输出零地电压加 UPS 输出到楼层配电柜之间的零 线电压增益，即 U U N3-GN3-GUN2-GUN3-N2UNI-GUN-UPSUN3-N2 这里，UPS 输出到楼层配电柜之间的零线电压增益 UN3-N2 的形成机理与 UPS 输入 零地电压完全相同，在此不再鳌述。 但往往楼层配电柜输出的零地电
