科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题

    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：

    1、   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；

    2、   可能导致IT设备出现死机事故的概率增大；

    3、   可能导致网络传输误码率的增大，网速减慢；

    4、   可能导致存储设备损坏、数据出错等。

    5、   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，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，而且也降低了机房供电系统的可靠性。

    为此，笔者认为系统地讨论机房供电系统的“零地电压”产生机理，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、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。图1所示为当前数据机房配电系统的典型构架图，系统中通常配置一台或数台10KV/380V △/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，由于电网三相电压、相位的不对称性、各级配电母线各相负载的不对称性以及各单相负载的非线性特性等因数的存在，就会有有大量的三相不平衡电流及3N次谐波电流通过零线流回到变压器的接地点G，由于线路阻抗的存在，流过零线的电流就在零线的各点产生了相对于参考点G的电压差，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。

    由于各级配电母线到变压器接地点G的线路阻抗不同，每一级零线上流过的零线电流也不一样，这就形成了不同的零地电压点，如图1所示。不过数据机房用户通常关心下列几个零地电压点：

    1、   UPS输入零地电压－U N1-G

    2、   UPS输出零地电压－U N2-G

    3、   楼层配电柜输出零地电压－U N3-G但是，对于IT负载最为“致命”的IT负载机柜端的零地电压－U N-G往往被忽视。

    三、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－U N2-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 N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

    对于不同的UPS而言，无论是现代的高频机还是将要淘汰的老式工频机UPS，在其内部零线与地线都是直通的；只要其输出滤波器得到正确的设计，UPS自生产生的零线电压增益UUPS N都可以得到很好的抑制，反之如果设计得不好，则这两种UPS都会产生较高的零地电压增益。如伊顿IGBT整流的9395 UPS，其零地电压增益甚至优于同容量的工频机。

    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 N3-G＝UN2-G＋UN3-N2＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2

    楼层配电柜输出的零地电压高低往往是数据机房用户关心的终结零地电压，当UPS到楼层配电柜之间的输电距离很长的时候，尽管UPS输出端的零地电压已经做到了小于1V，但是楼层配电输出的零地电压却仍然高达3~5V以上。为了消除这一问题，许多迷信零地电压的用户采取在楼层配电柜里加一△/Yo隔离变压器，并将变压器输出的中心点重新接地，即形成新的接地点G2和接近于0V新的零地电压。

    3、IT负载输入端的零地电压

    就目前的数据中心机房而言，楼层输出配电柜到负载机柜之间通常采用单相配电，这样在这一配电区间内的零线电流就等于机柜负载电流I4，此时在楼层配电与IT负载之间产生的零线电压增益为UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4较大，而配电的线路又较细，这一电压依然可能大于1V。例如，对于一个负载为3500W的机柜，从如果楼层配电柜的分路配电到机柜的电缆为2.5 mm²，电缆长度为20m(假设为较远端的机柜)，此时的零线电阻为0.15Ω，满载零线电流为16A，则产生的零线压降就达2.4V。

    对于楼层配电柜里设置了隔离变压器的系统，见图2，此时的IT负载输入端的零地电压就等于IT设备输入端的N点对新的接地点G2的电压差，也等于零线上产生的零线压降2.4V。

    可见，即使对于楼层配置了变压器，且楼层配电输出端的零地电压等于0V的配电系统，实际IT负载输入端的零地电压依然达2.4V,远大于1V。

    要了解零地电压对IT负载是否有影响，关键的问题是零地电压是否能真正传到了IT内部的CPU、存储芯片等核心部件。实际上，通过分析IT负载内部的结构不难得到，UPS输出的电压只是给IT负载内部的电源模块供电，这一电源模块的输出才向IT内部的核心部件供电。这样，零地电压对IT负载的影响问题就简单化为零地电压对这一电源模块的输出影响问题。

    当前IT负载内部的输入电源模块基本采用两种制式，即ATX标准和SSI标准。这两种电源的主电路如图3所示。

    分析这一电源的工作原理可以看出，无论是ATX还是SSI电源，UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的12V、5V、3.3V的直流电压，提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载”使用。这四级变换如下图所示，分别为：

    第一级：桥式整流器，将220V交流电变为约200~300V的直流电；

    第二级：高频逆变器，将直流电再转换成几十到几百KHZ稳压的高频交流电；

    第三级：高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离；

    第四级：高频整流器，将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(或5V、3.3V)输出。