科學地認識數(shù)據(jù)機房UPS電源的零地電壓問題

科學地認識數(shù)據(jù)機房UPS電源的“零地電壓”問題 摘要:本文通過分析數(shù)據(jù)機房電源零地電壓的形成機理，論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對IT負載可能的影響， 建議數(shù)據(jù)機房用戶應該正確地看待零地電壓問題，走出零地電壓的技術誤區(qū)，避免不必要的資源浪費。一、引言長期以來，在國內(nèi)機房數(shù)據(jù)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(zhì)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(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慣于將數(shù)據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問題歸給于零地電壓引起的。目前，國內(nèi)業(yè)界忽悠的根據(jù)“統(tǒng)計數(shù)據(jù)”“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(wǎng)絡路由器、通信設備等的影響可概括為下列幾種：n 可能導致IT設備中的微處理器CPU芯片出現(xiàn)“莫名其妙”地致命損壞；n 可能導致IT設備出現(xiàn)死機事故的概率增大；n 可能導致網(wǎng)絡傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；n 可能導致存儲設備存儲設備損壞、數(shù)據(jù)出錯等。n 某些知名IT廠商規(guī)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(shù)據(jù)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(jīng)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(jù)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(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”問題，國內(nèi)許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數(shù)據(jù)機房采購了數(shù)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，降低了機房供電系統(tǒng)的可靠性，而且也大幅度增加了機房的運行成本，使本來就不太盈利的IDC業(yè)務更是雪上加霜。為此，筆者認為系統(tǒng)地討論機房供電系統(tǒng)的“零地電壓”產(chǎn)生、傳遞機理，特別是對IT負載的影響問題，使機房數(shù)據(jù)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、輸配電線路零地電壓的產(chǎn)生機理在380V交流供電系統(tǒng)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。當前數(shù)據(jù)機房配電系統(tǒng)的典型構架如圖1所示，系統(tǒng)中通常配置一臺或數(shù)臺10KV/380V /Yo變壓器，Yo側的中心點通過接地網(wǎng)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(fā)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，一定有大量的零線電流從N點流回到各級母線，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。由于零線阻抗的存在，在各級母線的零排之間就形成了電壓降。這樣以G為參考點，零線上的各個點就形成了對地的電壓降，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。圖1 數(shù)據(jù)機房配電系統(tǒng)的典型構架圖下面，以UPS輸入母排點，即UPS輸入零地電壓為例來闡述零地電壓的形成機理：UPS輸入零地電壓U N1-G可以表示如下，U N1-GI1*ZN1-G這里I1為零線上流過的電流，ZN1-G為N1零排到接地點的零線阻抗?？梢?，零線壓降完全取決與零線電流I1和零線阻抗的ZN1-G大小，當I1或ZN1-G為零時，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度與線徑，對于數(shù)據(jù)機房而言是個不變量；而零線電流的大小則取決于下列運行條件：n 電網(wǎng)三相電壓、相位的對稱度；n 三相負載電流大小的對稱度；n 三相負載相位的對稱度；n 三相負載中是否有3n次諧波的存在等。其中，電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱對數(shù)據(jù)機房用戶來說，屬于不可控、不可管的“正?，F(xiàn)象”，在此不作討論。1. 三相負載電流大小不平衡時產(chǎn)生的零線電流I1-1當L1母線三相配電系統(tǒng)中各相負載大小不相同時，就會出現(xiàn)三相不平衡電流，這一不平衡電流匯流到N1零排時，就合成為零線電流I1-1,如圖2(a)所示。最極端的情況，當A、C兩相的負載全部跳開時，此時的零線電流I1-1就等于B相的電流IB，達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2. 三相負載電流相位不對稱時產(chǎn)生的零線電流I1-2當I段母線三相配電系統(tǒng)中各相負載的輸入功率因素不相同時，三相電流IA、IB、IC的相位不再符合相差120的相位關系，此時也會導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。3. 三相負載中的3n次諧波電流的存在產(chǎn)生的零線電流I1-3由于非線性負載的存在，導致了零線中不僅有基本電流流過，還可能有三次及三的倍數(shù)次諧波流過。其基波電流可表示為iA=IAmsin100tiB=IBmsin(100t-120)iC=ICmsin(100t120)相應的各相三次諧波電流為iA3=IA3msin300tIb3=IB3msin(300t-360)iC3=IC3msin(300t360)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)了我們通常所說的UPS輸入零地電壓，這一零地電壓可計算為UNI-G(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3如果線路較長、負載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線性負載較多，就可能使UPS的輸入零地電壓很高。由此可見，可以總結如下：n 零地電壓與通常的電壓完全相同，只是不平衡電流和三次諧波電流流過零線產(chǎn)生的壓降；n 越是在供電鏈路的末端，其零地電壓越高。三、UPS產(chǎn)生零線電壓增益的機理前面我們分析了由配電線路產(chǎn)生的UPS輸入零地電壓的形成機理，但是UPS產(chǎn)生的零線電壓增益的機理與此有所不同。接下來我們就來分析一下老式的具有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機）和新一代的無需升壓變壓器UPS（所謂的高頻機）的零線電壓增益的產(chǎn)生機理。1. 具有有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機）零地電壓增益的產(chǎn)生所謂的工頻機（如圖3所示）采用可控硅相控整流將交流變成432V直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電還原成成交流，但這一雙轉換后的線電壓只有190V，為了滿足負載輸出380V/220V的需要，不得不在逆變器的輸出端（注意：不是在UPS輸出，不含旁路輸出端）加一:2的升壓變壓器將190V的線電壓升高到380V；同時，通過這一變壓器的/Y0接法生成零線，以實現(xiàn)UPS三相四線制的輸出要求。所以對于所謂的工頻機而言，輸出升壓變壓器是必加的標準件，否則就根本無法正常工作。對于本文討論的主題零地電壓而言，我們從圖3不難看到，即使有了這一隔離變壓器，但是零線與地線在UPS內(nèi)部從輸入到輸出是直通的，UPS關機時，我們很容易量測到UPS輸入零地電壓絕對等于輸出零地電壓，所以這一隔離變壓器在UPS內(nèi)部沒有起到任何的隔離作用。在UPS正常開機工作時，由于旁路關斷，其零線上也不會有電流流過，所以由零線電流產(chǎn)生的零地增益在UPS內(nèi)部基本是不存在的。但是如果UPS輸出的濾波器設計不好或電容故障，就會導致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會部分溢出感應在零線上，產(chǎn)生一定的零線電壓增益，其大小完全取決于濾波器參數(shù)的優(yōu)劣，通常可達35V，頻率上明顯含有高頻成份。如果設計得到好，這一電壓增益通常應為0.51V。圖3 工頻機的零地電壓2 無需升壓變壓器UPS的（所謂的高頻機）產(chǎn)生的零線電壓增益所謂的高頻機（如下圖4所示）則采用先進成熟的IGBT升壓整流技術將交流變成600V左右的直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電直接還原成380V/220V三相四線制的交流電，所以無需所謂工頻機的升壓變壓器。這是21世紀以來現(xiàn)代電力電子技術最偉大的技術進步之一，它使UPS的變換效率大幅度提高，內(nèi)部損耗發(fā)熱大幅度減少，器件的可靠性得以明顯提高。從圖4可以看到，就零、地線而言，高頻機UPS與工頻機UPS完全一樣，都是在UPS內(nèi)部從輸入到輸出是直通的，不會產(chǎn)生零線電流產(chǎn)生的零地增益。但是，對于早期的高頻機或某些高頻機技術起步較晚的廠商，出于降低成本的設計考慮，其濾波器設計容量偏小，導致了較高的PWM高頻電壓成份溢出感應在零線上，產(chǎn)生一定的零線電壓增益，其值達35V,并伴有明顯的高頻成份。現(xiàn)在許多廠商已經(jīng)認識到中國用戶對零地電壓的關心，所以改進了輸出濾波器設計，其零線電壓增益通常僅為0.51V,而且這一波形中不含高頻成份。實測某IDC伊頓9395高頻機UPS的零地電壓，顯示為電壓0.6V,頻率50HZ,不含任何的高頻電壓成份。圖4 高頻機的零地電壓由此可見，可得到如下結論：n 高頻機與工頻機具有同樣的零線電壓增益產(chǎn)生機理，零線與地線在兩種UPS內(nèi)部都是直通的；n 只要濾波器設計得好，兩者都可以很好地解決零地電壓問題，并使零地電壓不含有高頻成份，反之，兩種UPS都會產(chǎn)生較高的零地電壓。四、IT負載機柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓數(shù)據(jù)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(nèi)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(qū)”。1、UPS輸出零地電壓U N2-GUPS輸出零地電壓等于UPS輸入零地電壓加UPS產(chǎn)生的零線電壓增益，即U N2-GUNI-GUN-UPS2、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-GUN2-GUN3-N2UNI-GUN-UPSUN3-N2這里，UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益UN3-N2的形成機理與UPS輸入零地電壓完全相同，在此不再鰲述。但往往樓層配電柜輸出的零地電壓高低通常也是數(shù)據(jù)機房用戶關心的核心問題，特別是當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(jīng)做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達35V以上。為了消除這一問題，許多迷信零地電壓將影響或損壞IT負載的用戶就不得不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，如圖5所示，這樣就在樓層配電柜的輸出零排上生成了新的零地電壓，而且此時的零、地線是“緊密”地連接在一起的，所以其新的零地電壓一定小于1V，符合了用戶所能接受的零地電壓要求。有些廠家為了迎合用戶的需求，專門將這一配電柜美其名為“精密配電柜”。圖5 樓層配電柜的零地電壓3、IT負載輸入端的零地電壓就目前的數(shù)據(jù)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(qū)間內(nèi)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(chǎn)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 mm?，電纜長度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時的零線電阻為0.15.，滿載零線電流為16A，則產(chǎn)生的零線壓降就達2.4V。(1) 樓層配電柜中配置了隔離變壓器的IT機柜端的零地電壓對于樓層配電柜里設置了隔離變壓器的系統(tǒng)，見圖6，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UPS后端的隔離變壓器輸出接地點G2的電壓差，就等于零線上產(chǎn)生的零線壓降：UN-G2= UN-N3+UN3-G22.4V+0V=2.4V 1V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(tǒng)，實際IT負載輸入端的零地電壓依然達2.4V,遠大于1V。圖6 機柜端的零地電壓(2) 樓層配電柜中沒有配置變壓器的IT機柜端的零地電壓如果在樓層配電柜里沒有設置隔離變壓器，那么IT負載輸入端的零地電壓等于IT設備輸入端的N點對UPS前端的高壓10KV/380V變壓器輸出接地點G的電壓差，如圖7所示，其相應的零地電壓計算等效電路如下圖所示。UN-G= UNI-GUN-UPSUN3-N2UN-N3UNI-GUN-UPSUN3-N22.4V此時的實際IT負載輸入端的零地電壓顯然會遠高于2.4V。圖7 沒有配置樓層變壓器的機柜端零地電壓從上面的分析可見，可以得到如下兩點結論：n IT負載輸入端的零地電壓才是真正可能對IT負載產(chǎn)生“可怕影響”的關鍵零地電壓；n 即使在UPS輸出，甚至樓層配電輸出的零地電壓做到小于1V，實際IT負載輸入端仍可能有大于1V的零地電壓。因此，要保證每個機柜IT負載的零地電壓小于1V是不可能的，除非在每一個機柜上再安裝一臺隔離變壓器。所以，僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實現(xiàn)零地電壓小于1V的做法，不過是自欺欺人的自我安慰而已。五、零地電壓對IT負載的影響零地電壓對IT負載是否真的有影響，關鍵的問題是零地電壓是否真正傳到了IT內(nèi)部的CPU、存儲芯片等核心部件。實際上，通過分析IT負載內(nèi)部的結構不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負載內(nèi)部的電源模塊供電，這一電源模塊的輸出才向IT內(nèi)部的核心部件供電。所以，要了解零地電壓是否對IT負載有影響或影響的大小，關鍵是零地電壓對這一電源模塊的輸出電壓是否有影響或產(chǎn)生多大的影響。關于這一點，我們只需要分析一下IT負載內(nèi)部電源模塊的電路工作原理，就會得出理性的結論。當前IT負載內(nèi)部的輸入電源模塊采用兩種制式，即ATX標準和SSI標準。ATX標準是Intel公司在1997年推出的一個電源規(guī)范，輸出功率一般在125瓦350瓦之間；SSI（Server System Infrastructure）規(guī)范是Intel聯(lián)合一些主要的IA架構服務器生產(chǎn)商在ATX標準上推出的新型服務器電源規(guī)范。這兩種電源的主電路如圖8所示。分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，UPS輸出的220V交流電進入IT負載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級變換，最后轉換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲設備、網(wǎng)絡通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換如下圖所示，分別為：n 第一級：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200300V的直流電；n 第二級：高頻逆變器，將直流電再轉換成幾十到幾百KHZ穩(wěn)壓的高頻交流電；n 第三級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；n 第四級：高頻整流器，將穩(wěn)定的高頻交流電轉換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。（b）SSI標準圖8 IT負載的輸入電源1. 零地電壓在IT電源內(nèi)的傳播途徑從上圖可見，具有數(shù)伏零地電壓的220V交流電，進入IT負載的電源后，從第一到第二級，也許我們還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡，但是經(jīng)過第三級后，由于變壓器的隔離作用，這一共模電壓在變壓器的隔離輸出端被徹底消除，后面的電路已經(jīng)沒有了零線，只有直流的正、負極，所以也就不再存在所謂的零地電壓及產(chǎn)生的干擾。此外，無論是ATX還是SSI電源，都在其輸入端設有共軛電抗器與Y電容，這一部件基本就可將共模的零地電壓阻隔在IT電源的第一級以外?？梢?，零地電壓進入IT負載內(nèi)部后，從傳播途徑看，經(jīng)共軛電抗器抑制后，終結于內(nèi)部變壓器的前端，根本達不到真正的IT內(nèi)部CPU、RAM、EPROM、硬盤等的供電端，所以無論是多高的零地電壓都根本不可能對數(shù)據(jù)系統(tǒng)造成任何影響。有必要指出的是IT負載電源輸出的12V直流電壓，就是經(jīng)第三級高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達50KHZ150KHZ，遠高于高頻機UPS的變換頻率，所以高頻變換是IT電源自身的根本，IT負載不懼怕“高頻”。2. “零地電壓”與“相地電壓”“零地電壓”已經(jīng)廣為人知，而“相地電壓”的概念卻似乎有點好笑。但是，如果我們能簡單地分析一下相線和零線在IT負載內(nèi)部的傳播途徑，我們就會得出非常驚奇的結果。由于ATX和SSI的變換結構幾乎相同，所以我們以SSI制式電源為例來說明。具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進入IT負載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)第二級的整流后，相線L與第三級高頻逆變器的正母線連通，而零線N則與負母線連通，見圖9(a)；而在輸入電源的負半周，則剛好相反，零線N與正母線連通，而相線L則與負母線連通，見圖9(b)。由此可見，在IT負載的第二級后，相線與零線具有完全相同的功能與流通線路。這樣，如果“零地電壓”高將影響IT負載的正常運行，那無疑“相地電壓”高也會對IT負載產(chǎn)生致命的影響。而零地電壓我們可以通過技術手段讓它小于1V甚至等于0V，但是，如果我們讓相地電壓也控制到小于1V以下的話，那么IT負載的輸入就沒電了，數(shù)據(jù)機房也就直接癱瘓了。因此，從這一反例也可看出，強調(diào)零地電壓小于1V是一個荒謬的概念！分析這一電路的交流輸入部分，還可以得出一個更有趣的結果，由于輸入電路的完全對稱性，如果我們讓“零地電壓”等于AC 220V，而讓“相地電壓”等于0V，這一IT電源的輸出將不受任何影響地正常工作。所以，從理論上說，IT負載的安全零地電壓應為AC 220V，問題是這時如果相地電壓也等于220V的話，輸入IT負載的相零電壓就等于0V或440V了， IT負載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故！如果我們能設計一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220V的“特殊UPS”向IT負載供電，則IT負載將不受任何影響。(a)正半周時，相、零線在IT電源的位置(b)負半周時，相、零線在IT電源的位置圖9 零地電壓與相地電壓概念3.零地電壓對服務器等IT設備及通信設備的影響測試中國電信電磁防護支撐中心聯(lián)合華為技術有限公司的技術專家，對服務器等IT設備、DTU數(shù)據(jù)通信設備進行了零地電壓加擾測試，同時對中國電信120多個機房的121臺在網(wǎng)設備進行了抽檢調(diào)研，得出的結論如下：（詳見參考文獻1）“（1）從對機架式服務器和刀片式服務器的加擾測試結果來看，22V以下的零地電壓對這兩種服務器無影響。（2）10V以下的零地電壓差對DTU數(shù)據(jù)通信設備無影響。但在通信系統(tǒng)分散的情況下，零地電位差會對數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響，其原因是零地電位差會在數(shù)據(jù)通信線路的設備端口之間造成地電位差。（筆者注：根據(jù)筆者對整個測試報告和報告中所給出的線路圖的分析，準確地說，應該是