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1、数据中心零地电压问题处理策略零地电压问题直接影响到数据中心的稳定运行，以及IT电子设备的使用寿命。因此， 此问题一直困扰着数据中心IT电子设备用户。而正确处理零地电压问题，对于维护数据中 心的安全、稳定运行至关重要。数据中心低压供电TN-S接地系统一般而言，我国数据中心380V低压供电接地系统为TN-S系统，零线与地线在供电变 压器的输出次级处相连，如图3所示。从380V低压变压器次级引出5根线，即3根火线外 加零线、地线各1根到电源设备，再由电源设备给用电设备供电。其中电阻RNx以及电感LNx等与电缆的长度、线径和材料有关。零地电压的形成与输入配电电缆有很大的关系。同时零线中电流的大小和频率
2、也影响着零 地电压。电缆越长，线径越细，导电性能越差，零线中的电流越大，电流频率越高，零地电 压就越大。零地电压共模噪声的危害回顾一下共模噪声及其产生会数据干扰的定义:根据下列标准MIL-HDBK-419AStandard定义，共模噪声指的是叠加在一个电子信号上的任何不想要的对 地或公共点噪声干扰电压，和差模噪声一样，共模噪声是从不想要噪声源耦合过来的噪声， 耦合方式有阻性耦合，容性耦合以及电磁耦合。尽管共模噪声不是一个噪声源，但该共模噪 声干扰电压必须在数据设备放大器中小心设计以防止其对电子信号元器件的干扰。由于这些电容会耦合一些电流到地线中，因此会在零线和地线中形成一定的干扰电压。 零线与
3、地线耦合越强，耦合电流就越大，产生零地电压模噪声干扰电压的影响就越大。事实 上所有基于IT计算机设备系统都由两种共同部分组成：半导体芯片（包括中央处理机、存储 器和外围设备组件）和开关电源（用于将输入电源转换为中央处理机和支持硬件所需电压）。 零地共模噪声干扰电压对这两部分系统都有严重影响！目前IT设备产品使用的半导体对噪声非常敏感，很多半导体部件的电源工作电压被设 计为1.5V或3.3V，甚至有的设计成1.3V。由于电压很低，这些部件之间的信号很容易受到 失真影响，所以可能会传输错误的数据。在一些情况下，由于某种形式的纠错程序仍在运行， 这只会使系统变慢;但在其他情况下，数据错误会导致系统丢
4、包、误码、被锁定或崩溃。当 噪声找到进入计算机之间的数据传输的路径时（例如因为在数据中心直流地、交流地与安全 地最后都共用一个接地系统，当噪声干扰电压找到进入计算机直流系统干扰路径时，易对直 流系统产生冲击），将直接影响系统数据可靠性，该共模噪声干扰电压级别可能很低，虽然 不会破坏硬件，但却可能使传输数据丢包、误码甚至导致数据崩溃,例如图6最下端干扰图， CPU时钟300MHz，芯片工作电压1.5V,而图6最下端干扰图中显示零地共模噪声干扰电 压达到1.5V或更高时，它完全能够触发电子信号所有上升沿和下降沿，使数据崩溃甚至锁 定整个电子信号。而一旦锁定整个电子信号，这时候需要重新发送数据。若此
5、情况经常发生，网络速度将会变慢。正是通过这些方式，零地共模噪声干扰电压也严重影响计算机网络以最 高效率和速度运行。大多数IT设备开关电源用于将输入电源转换为中央处理器和支持硬件所需电压，而该 开关电源输出的直流地”或端通常与IT设备的金属底座相连接。为了确保供电安全，该底 座同时连接到输入电源线地线。正是通过该潜在路径，共模噪声干扰电压才经常从电源地线 耦合进入计算机的设备。部分共模噪声除了通过电源进入系统逻辑来干扰数据外，还会造成 开关电源本身误导通和误触发。如果噪声干扰电压过大，开关电源本身会被共模噪声干扰电 压破坏，甚至IT设备中的半导体装置很可能会发生混乱或被共模噪声干扰电压损坏。零地
6、电压共模噪声的控制因为零地电压是影响机器运行可靠性的重要因素，零地电压高会造成机器故障或损害， 所以必须对它加以控制。因为零地电压的形成原因很复杂，所以控制要有针对性。主要考虑 的问题和解决的途径如下：(1) 保障三相负载平衡。如果三相负载不平衡，零线N上的电流就会加大，零线N两端的电 压差就会直接造成零地电压增大。因此，在可能的条件下要尽量配平三相负载，定期根据负 载的使用变化监测三相负载不平衡度，并进行必要的调整。此外，还可以通过增加零线截面 积，减少零线的阻抗，从而在一定程度上降低零地电压共模噪声干扰。(2) 建立良好的接地系统，尽量降低接地电阻。接地电阻与零地电压呈正向关系，接地电阻
7、变大，很小的电流都会产生零地电压，所以一定要降低接地电阻。在计算地线线径问题时， 在考虑了系统可能的最大用电量和安全的基本需求后，需要特别计算电缆长度，对数据中心 不同高度楼层使用的不同线径的地线，尽量减小接地电阻。(3) 尽量选用绿色的、谐波干扰小的用电设备。必要时还可安装相应抑制高次谐波的有源或 无源滤波设备，因为降低高次谐波，就降低了零线电流，这样就大大降低零地电压共模噪声。(4) 在靠近IT设备端加装隔离变压器。加装隔离变压器根据下列IEEE标准描述，在靠近IT设备端的PDU或精密配电柜中加装隔离变压器是 降低零地电压共模噪声的有效措施。特别在零地电压过高，上面一般方法无法控制零地电压
8、 的情况下，为保证IT设备负载可以正常运行，采用在靠近IT设备端的PDU或精密配电柜 中加装隔离变压器，产生一个独立的电源系统，独立的电源系统就可以将变压器次级的零地 接在一起，并就近接地，这样就可以大大降低IT设备端零地电压。K factor隔离变压器在IEEE1100标准中也提到可以选用K因数变压器(Kfactor)隔离变压器来降低零地电压。 K型变压器是一种专为计算机负载布设计的、能消除谐波污染的特殊隔离变压器。衡量这种 变压器质量高低的指标为K值。式中的n为谐波的次数，In为n次谐波的电流分量的含量。K值越大，变压器消除谐 波干扰的能力就越强。目前，常见的K型变压器，按它们K值变压器可
9、分为K1、K4、K9、 K13、K20等几个额定级别（虽然还有K30、K40、K50型号变压器，但从实际来看，K因数 超过20的负载并不常见，大型计算机测得的K因数通常为4到9,高集中单相计算机和终 端区测得的K因数通常为13到17）。推荐的做法是通过干式屏蔽隔离变压器（或其它电源增强设备），将电子负载设备的系统 配置连接到大楼的配电系统上。当为电子负载设备供电的两个或多个独立的电力系统不能使 用与电子负载设备相同的接地点时，这一做法尤为重要。隔离变压器提供匹配的系统电压， 并创建独立的分支电源系统。推荐的做法是，在尽可能接近电子负载设备的分支电路配电盘 的位置安装隔离变压器和相关的电子负载设
10、备。此外，还应正确选择和安装隔离变压器。关 于专为非线性电子负载设备（K系数）供电的隔离变压器，请参阅8.4.1的详细信息。关于变 压器正确接地的详细信息，请参阅8.5.2。另外，隔离变压器还内置到配电单元（PDU）中， 作为配电单元（PDU）的一部分进行配备，配电单元还包含内部安装的分支电路配电盘。因此， 也推荐使用PDU作为连接电子负载设备和配电系统接口。控制零地电压的范围根据下列IEEE110020058.3.2.3.1标准描述，通过在尽可能接近负载的位置安装独立 的分支电源系统（如变压器、PDU），以尽量减少在负载测得的零地电压。在靠近计算机类IT 负载端的PDU或精密配电中心加装隔离
11、变压器，并将隔离后的零线接地。这种解决方案的 优点在于能够非常有效地解决负载端零地电压共模噪声问题。因为将变压器次级零线接地， 这样可以使负载端的零地电压趋近于0V。如果配置KFactor变压器，则具备消除100%谐 波污染的工作能力，能满足最恶劣的计算机负载的需要。根据以上分析及IEEE标准要求，可以得出控制零地电压到多少幅度的要求。 通过在尽可能接近负载的位置安装独立的分支电源系统（如变压器、PDU），以尽量减少在 负载测得的零地电压，使负载端的零地电压越小越好。 零地电压最大值不超过CPU等半导体芯片最小工作电压，例如导体芯片最小工作电压是 1.5V时，零地电压不宜超过1V。为了给电子负
12、载设备供电，最佳做法是安装电子负载设备的专用分支电路。专用分支电 路是具有独立零线的电路，连接一个或多个设备，并有一条设备接地导线EGC，这条ECG 可能（或不可能）与其他前端或后端设备共地。应使用完整导线，避免或尽可能减少拼接。专 用接地电路应包括一条绝缘设备接地导线EGC,并应在该电路上铺设专用的有效接地金属 线槽或金属电缆套件，以最大限度减少与其他电路不必要的互相电磁噪声干扰。当使用线槽运送大量电缆线时，各个支路的相线、零线和地线应捆绑在一起。通过在尽 可能接近负载的位置安装独立的分支电源系统（如，变压器、PDU），以尽量减少在负载测得 的零地电压。出于经济原因，相似的负载，若设计可相互兼容，可以共用电路。例如在办公 室工作站区域，应为电子负载设备设计提供单独的专用分支电路接线和插座，而为日用负载 或高冲击负载（如电动卷笔刀、便携式电器）却应提供另外单独的接线和插座。
