科學地認識數據機房UPS電源的“零地電壓”問題

    長期以來，在國內機房數據中心電源的設計、建設與應用過程中，“零地電壓”被忽悠得神乎其神，甚至成為了機房供電電源品質的首要指標。近年來這種趨勢愈演愈烈，令人難以置信的是這一反科學的的“零地電壓”居然被寫進了某些國家級標準，如某GB級的機房設計規范要求“UPS供電系統的零地電壓的有效值控制在小于2V的范圍內”等，許多廠商與用戶都習慣于將數據系統中出現的各種問題歸給于零地電壓引起的。目前，國內業界忽悠的根據“統計數據”“零地電壓”過高對IT設備，如主機、小型機、服務器、磁盤存儲設備、網絡路由器、通信設備等的影響可概括為下列幾種：

    1、   可能導致IT設備中的微處理器CPU芯片出現“莫名其妙”地致命損壞；

    2、   可能導致IT設備出現死機事故的概率增大；

    3、   可能導致網絡傳輸誤碼率的增大，網速減慢；

    4、   可能導致存儲設備損壞、數據出錯等。

    5、   某些知名IT廠商規定零地電壓大于1V不給開機等。

    但是綜觀國際的IEC和UL電源標準，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IT負載影響的相關文獻”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國數據機房用戶，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UL電源標準起草的專家們根本就聽不懂，經過反復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，有這一電壓對IT負載影響的確鑿證據嗎？”。

    盡管零地電壓對IT負載的影響還沒有任何確鑿的科學依據（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，國內許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數據機房采購了數十臺變壓器柜安置在各個樓層機房的輸入端來降低零地電壓，這不僅導致了大量的資源浪費，大幅度增加了機房的運行成本，使本來就不太盈利的IDC業務更是雪上加霜，而且也降低了機房供電系統的可靠性。

    為此，筆者認為系統地討論機房供電系統的“零地電壓”產生機理，特別是對IT負載的影響問題，使機房數據中心電源的設計、建設與使用者對 “零地電壓”問題有一科學的認識是非常必要的。

    二、零地電壓的產生機理

    在380V交流供電系統里，由于線路保護的需要，通常將三相四線制的中心點通過接地裝置直接接地。圖1所示為當前數據機房配電系統的典型構架圖，系統中通常配置一臺或數臺10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側的中心點通過接地網直接接地，如圖1中的G點。

    從變壓器到各IT負載之間，為了安全運行和維護管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級配電母線，即UPS輸入配電母線或稱市電輸入母線L1（含柴油發電機切換后輸入），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），然后單相接入機架PDU對IT負載進行供電。

    這樣，從變壓器的二次側接地點G到IT負載的零線輸入點N之間，有很長的輸電距離，當負載投入運行后，由于電網三相電壓、相位的不對稱性、各級配電母線各相負載的不對稱性以及各單相負載的非線性特性等因數的存在，就會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G，由于線路阻抗的存在，流過零線的電流就在零線的各點產生了相對于參考點G的電壓差，這就是所謂的“零地電壓”。零地電壓從本質上來說，它與其它電壓沒有任何特別的地方，只是零線上的電壓降。

    由于各級配電母線到變壓器接地點G的線路阻抗不同，每一級零線上流過的零線電流也不一樣，這就形成了不同的零地電壓點，如圖1所示。不過數據機房用戶通常關心下列幾個零地電壓點：

    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，對于IT負載最為“致命”的IT負載機柜端的零地電壓－U N-G往往被忽視。

    三、IT負載機柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓

    數據機房用戶通常非常關心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯獨從從不關心機柜內部IT負載設備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對IT負載有影響的話，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負載設備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話，其“嚴重的危害”就依然存在。而IT負載機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，可謂是零地電壓的最前哨“重災區”。

    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產生的零線電壓增益，即U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

    對于不同的UPS而言，無論是現代的高頻機還是將要淘汰的老式工頻機UPS，在其內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計，UPS自生產生的零線電壓增益UUPS N都可以得到很好的抑制，反之如果設計得不好，則這兩種UPS都會產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于同容量的工頻機。

    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據機房用戶關心的終結零地電壓，當UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長的時候，盡管UPS輸出端的零地電壓已經做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達3~5V以上。為了消除這一問題，許多迷信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重新接地，即形成新的接地點G2和接近于0V新的零地電壓。

    3、IT負載輸入端的零地電壓

    就目前的數據中心機房而言，樓層輸出配電柜到負載機柜之間通常采用單相配電，這樣在這一配電區間內的零線電流就等于機柜負載電流I4，此時在樓層配電與IT負載之間產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，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個負載為3500W的機柜，從如果樓層配電柜的分路配電到機柜的電纜為2.5 mm²，電纜長度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時的零線電阻為0.15Ω，滿載零線電流為16A，則產生的零線壓降就達2.4V。

    對于樓層配電柜里設置了隔離變壓器的系統，見圖2，此時的IT負載輸入端的零地電壓就等于IT設備輸入端的N點對新的接地點G2的電壓差，也等于零線上產生的零線壓降2.4V。

    可見，即使對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，實際IT負載輸入端的零地電壓依然達2.4V,遠大于1V。