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科學地認識數據機房UPS電源的“零地電壓”問題

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  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。
  二、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 mm?,電纜長度為20m(假設為較遠端的機柜),此時的零線電阻為0.15Ω,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。
  而對于在樓層配電柜里沒有設置隔離變壓器的系統,那么IT負載輸入端的零地電壓等于IT設備輸入端的N點對原接地點G的電位差,依據圖1,其相應的零地電壓計算如下:
  UN-G= UNI-G+UN-UPS+UN3-N2+UN-N3=UNI-G+UN-UPS+UN3-N2+2.4V
  此時的實際IT負載輸入端的零地電壓顯然會遠高于2.4V。
  四、零地電壓對IT負載的影響
  從前的分析可見,對于數據機房IT負載的實際輸入端而言,零地電壓就象"幽靈"一樣很難消除零,除非在每一個IT機柜上再加一隔離變壓器,顯然這是非常荒唐的措施。那么零地地電壓對IT負載是否真的有影響呢?
  要了解零地電壓對IT負載是否有影響,關鍵的問題是零地電壓是否能真正傳到了IT內部的CPU、存儲芯片等核心部件。實際上,通過分析IT負載內部的結構不難得到,UPS輸出的電壓只是給IT負載內部的電源模塊供電,這一電源模塊的輸出才向IT內部的核心部件供電。這樣,零地電壓對IT負載的影響問題就簡單化為零地電壓對這一電源模塊的輸出影響問題。
  當前IT負載內部的輸入電源模塊基本采用兩種制式,即ATX標準和SSI標準。這兩種電源的主電路如圖3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負載內部后,都必須經四級變換,最后轉換成穩定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負載內部的CPU、內存、存儲設備、網絡通信芯片等"真正的負載"使用。這四級變換如下圖所示,分別為:
  第一級:橋式整流器,將220V交流電變為約200~300V的直流電;
  第二級:高頻逆變器,將直流電再轉換成幾十到幾百KHZ穩壓的高頻交流電;
  第三級:高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離;
  第四級:高頻整流器,將穩定的高頻交流電轉換成穩定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。
  1、零地電壓在IT電源內的傳播途徑
  從上圖可見,具有數伏零地電壓的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二次側被徹底消除,后面的電路已經沒有了零線,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。
  可見,零地電壓進入IT負載內部后,從傳播途徑看,經共軛電抗器抑制后,終結于內部變壓器的前端,根本達不到真正的IT內部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據系統造成任何影響。
  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50KHZ~150KHZ,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4(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4(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,數據機房也就直接癱瘓了。因此,從這一反例也可看出,強調零地電壓小于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。
  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合華為技術有限公司的技術專家,對服務器等IT設備、DTU數據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臺在網設備進行了抽檢調研,得出的結論如下:
  (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數據通信設備無影響。但在通信系統分散的情況下,零地電位差會對數據通信產生影響,其原因是零地電位差會在數據通信線路的設備端口之間造成地電位差。
  (3)通過對122個在網通信機房的調查,在保證設備正常運行的情況下,設備的零地電位差分布在10V以下,建議:數據通信設備的零地電位差應在10V以下。
上一條:UPS方案總述
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