科學(xué)地認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問(wèn)題作者：_|出處：維庫(kù)開發(fā)網(wǎng)I2010-09-1714:16:06|閱讀1618次科學(xué)地認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問(wèn)題，摘要:本文通過(guò)分析數(shù)據(jù)機(jī)房電源零地電壓的形成機(jī)理，論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對(duì)IT負(fù)載可能的影摘要:本文通過(guò)分析數(shù)據(jù)機(jī)房電源零地電壓的形成機(jī)理，論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對(duì)IT負(fù)載可能的影響，建議數(shù)據(jù)機(jī)房用戶應(yīng)該正確地看待零地電壓?jiǎn)栴}，走出零地電壓的技術(shù)誤區(qū)，避免不必要的資源浪費(fèi)。一、引言長(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)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)的首要指標(biāo)。近年來(lái)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)了某些國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如某GB級(jí)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(wèn)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(guò)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：n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；n可能導(dǎo)致IT設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)事故的概率增大；n可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；n可能導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等。n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(wèn)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(wèn)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)起草的專家們根本就聽不懂，經(jīng)過(guò)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(wèn)：“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(wèn)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(gòu)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(lái)降低零地電壓，這不僅導(dǎo)致了大量的資源浪費(fèi)，降低了機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性，而且也大幅度增加了機(jī)房的運(yùn)行成本，使本來(lái)就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)更是雪上加霜。

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、傳遞機(jī)理，特別是對(duì)IT負(fù)載的影響問(wèn)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(wèn)題有一科學(xué)的認(rèn)識(shí)是非常必要的。二、輸配電線路零地電壓的產(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(guò)接地裝置直接接地。當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)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(tái)或數(shù)臺(tái)10KV/380VA/Yo變壓器，Yo側(cè)的中心點(diǎn)通過(guò)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，為了安全運(yùn)行和維護(hù)管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級(jí)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，一定有大量的零線電流從N點(diǎn)流回到各級(jí)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(diǎn)。由于零線阻抗的存在，在各級(jí)母線的零排之間就形成了電壓降。這樣以G為參考點(diǎn)，零線上的各個(gè)點(diǎn)就形成了對(duì)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(lái)說(shuō)，它與其它電壓沒有任何特別的地方，只是零線上的電壓降。耳它用電度事UPSUm-UF3L2NW「—j「二~■坯它璘.左配電啄n耳它用電度事UPSUm-UF3L2NW「—j「二~■坯它璘.左配電啄n溟?E也I1A&CN31I||~IT沒剖IT設(shè)?W|UNMN2UN-M3圖1數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖下面，以UPS輸入母排點(diǎn)，即UPS輸入零地電壓為例來(lái)闡述零地電壓的形成機(jī)理:UPS輸入零地電壓一UN1-G可以表示如下，UN1-G=I1*ZN1-G這里I1為零線上流過(guò)的電流，ZN1-G為N1零排到接地點(diǎn)的零線阻抗?？梢姡憔€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(shí)，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(zhǎng)度與線徑，對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房而言是個(gè)不變量；而零線電流的大小則取決于下列運(yùn)行條件：n電網(wǎng)三相電壓、相位的對(duì)稱度；n三相負(fù)載電流大小的對(duì)稱度；n三相負(fù)載相位的對(duì)稱度；n三相負(fù)載中是否有3n次諧波的存在等。其中，電網(wǎng)三相電壓、相位的不對(duì)稱對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)房用戶來(lái)說(shuō)，屬于不可控、不可管的“正?，F(xiàn)象”，在此不作討論。三相負(fù)載電流大小不平衡時(shí)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(fù)載大小不相同時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)三相不平衡電流，這一不平衡電流匯流到N1零排時(shí)，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(fù)載全部跳開時(shí)，此時(shí)的零線電流I1-1就等于B相的電流IB，達(dá)到該條件下零線電流的最大值，如圖2(b)所示。圖2零線電流的合成三相負(fù)載電流相位不對(duì)稱時(shí)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(fù)載的輸入功率因素不相同時(shí)，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(shí)也會(huì)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。三相負(fù)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(fù)載的存在，導(dǎo)致了零線中不僅有基本電流流過(guò)，還可能有三次及三的倍數(shù)次諧波流過(guò)。其基波電流可表示為iA=IAmsin100ntiB=IBmsin(100nt-120°)iC=ICmsin(100nt+120°)相應(yīng)的各相三次諧波電流為iA3=IA3msin300ntIb3=IB3msin(300nt-360°)iC3=IC3msin(300nt+360°)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(guò)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(shuō)的UPS輸入零地電壓，這一零地電壓可計(jì)算為UNI-G=(I1-1+I