(1)可能导致IT设备中的微处理器CPU芯片出现“莫名其妙”的损坏;

　　(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。

　　但是纵观国际的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,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以降低零地电压,这不仅造成了大量的资源浪费,降低了机房供电系统的可靠性,而且也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。

　　为此,笔者认为系统地讨论机房供电系统的“零地电压”产生、传递机理,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。

　　1 输配电线路零地电压的产生机理

　　在380V交流供电系统中,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。当前数据机房配电系统的典型构架如图1所示,系统中通常配置一台或数台10kV/380VΔ/Y0变压器,Y0侧的中心点通过接地网直接接地,见图1中的G点。

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　　在变压器到各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,至楼层配电母线,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),然后采用单相方式接入机架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(N3)之间,有很长的输电距离,当负载投入运行后,一定有大量的零线电流各从N点流回到各级母线,在母线的零排处叠加,叠加后未被抵消的部分将流回到G点。由于零线阻抗的存在,在各级母线的零排之间就形成了电压降。这样以G为参考点,零线上的各个点就形成了对地的电压降,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。

　　下面以UPS输入母排点,即UPS输入零地电压为例来阐述零地电压的形成机理:

　　UPS输入零地电压UN1-G可以表示如下

　　UN1-G=I1×ZN1-G

　　这里I1为零线上流过的电流,ZN1-G为N1零排到接地点的零线阻抗。可见,零线压降完全取决于零线电流I1和零线阻抗ZN1-G的大小,当I1或ZN1-G为零时,零线上的电压降为零,即UPS的输入零地电压为零,但通常不可能做到这样。

　　零线阻抗的大小取决于零线的线路长度与线径,对于数据机房而言是个不变量;而零线电流的大小则取决于下列运行条件:

　　(1)电网三相电压、相位的对称度;

　　(2)三相负载电流大小的对称度;

　　(3)三相负载相位的对称度;

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　　(4)三相负载中是否有3n次谐波的存在等。

　　其中,电网三相电压、相位的不对称对数据中心用户来说,属于不可控、不可管的“正常现象”,在此不作讨论。

　　1.1 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流I1-1

　　当L1母线三相配电系统中各相负载大小不相同时,就会出现三相不平衡电流,这一不平衡电流汇流到N1零排时,就合成为零线电流I1-1,如图2(a)所示。

　　最极端的情况,当A、C两相的负载全部跳开时,此时的零线电流I1-1就等于B相的电流IB,达到该条件下零线电流的最大值,如图2(b)所示。

　　1.2 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流I1-2

　　当I段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因数不相同时,三相电流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位关系,此时也会导致不平衡电流的出现,同样在N1零排处,汇合成零线电流I1-2,如图2(c)所示。

　　1.3 三相负载中3n次谐波电流的存在产生的零线

　　电流I1-3

　　由于非线性负载的存在,导致了零线中不仅有基波电流流过,还可能有三次及三的倍数次谐波电流流过。其基波电流可表示为

　　iA=IAmsin100πt

　　iB=IBmsin(100πt-120°)

　　iC=ICmsin(100πt+120°)

　　相应的各相三次谐波电流为

　　iA3=IA3msin300πt

　　iB3=IB3msin(300πt-360°)

　　iC3=IC3msin(300πt+360°)

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　　可见尽管基波电流相差120°,但是其三次谐波电流刚好同相位,在N1零排处直接相加成为同相的零线电流。

　　由上述三种因素所产生的零线电流,流过N1零排到变压器之间的零线,就形成了零线压降,出现了通常所说的UPS输入零地电压,这一零地电压可计算为(编者注:这里应取相量)

　　UN1-G=(I1-1+I1-2)×Zn1-G+I1-3×Zn1-G3

　　如果线路较长、负载的不平衡度很高或含有三次谐波的非线性负载较多,就可能使UPS的输入零地电压很高。

　　由此可以总结如下:

　　(1)零地电压与通常的电压完全相同,只是不平衡电流和三次谐波电流流过零线产生的压降;

　　(2)越是在供电线路的末端,其零地电压越高。

　　2 UPS产生零线电压增益的机理

　　以上分析了由配电线路产生的UPS输入零地电压的形成机理,但是UPS产生的零线电压增益的机理与此有所不同。接下来分析一下传统的具有升压变压器UPS(所谓的工频机)和新一代的无需升压变压器UPS(所谓的高频机)的零线电压增益的产生机理。

　　2.1 具有有升压变压器UPS(所谓的工频机)零地电

　　压增益的产生

　　所谓的工频机(见图3)采用晶闸管相控整流,将交流电变成432V直流电,再通过IGBT高频逆变器将这一直流电还原成交流,但这一双转换后的线电压只有190V,为了满足负载输出380V/220V的需要,不得不在逆变器的输出端(注意:不是在UPS输出,不含旁路输出端)增加一个变比为1:2的升压变压器将190V的线电压升高到380V;同时,通过这一变压器的△/Y0接法生成零线,以实现UPS三相四线制的输出要求。所以对于所谓的工频机而言,输出升压变压器是必加的标准部件,否则就根本无法正常工作。

　　对于本文讨论的主题零地电压而言,从图3不难看出,虽然配备了隔离变压器,但是零线与地线在UPS内部从输入到输出是直通的,UPS关机时,很容易量测到UPS输入零地电压绝对等于输出零地电压,所以这一隔离变压器在UPS内部没有起到任何的隔离作用。在UPS正常开机工作时,由于旁路关断,其零线上也不会有电流流过,所以由零线电流产生的零地增益在UPS内部基本上是不存在的。

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　　但是如果UPS输出的滤波器设计不良或电容故障,就会导致逆变器输出的PWM高频电压成分会部分溢出感应在零线上,产生一定的零线电压增益,其大小完全取决于滤波器参数的优劣,通常可达3～5V,频率上明显含有高频成分。如果设计得好,这一电压增益通常应为0.5～1V。

　　2.2 无需升压变压器UPS(所谓的高频

　　机)零地电压增益的产生

　　所谓的高频机(见图4)采用先进成熟的IGBT升压整流技术将交流电变成600V左右的直流电,再通过IGBT高频逆变器将这一直流电直接还原成380V/220V三相四线制的交流电,所以无需所谓工频机的升压变压器。这是现代电力电子技术伟大的技术进步之一,它使UPS的变换效率大幅度提高,内部损耗发热大幅度减少,器件的可靠性得以明显提高。

　　从图4可以看出,就零、地线而言,高频机UPS与工频机UPS完全一样,都是在UPS内部从输入到输出是直通的,不会由于零线电流产生的零地电压增益。但是,对于早期的高频机或某些高频机技术起步较晚的厂商,出于降低成本的设计考虑,其滤波器设计容量偏小,导致了较高的PWM高频电压成分溢出感应在零线上,产生一定的零线电压增益,其值达3～5V,并伴有明显的高频成分。现在许多厂商已经认识到中国用户对零地电压的关心,所以改进了输出滤波器的设计,其零线电压增益通常仅为0.5～1V,而且这一波形中不含高频成分。实测某IDC高频机UPS的零地电压,显示电压为0.6V,频率50Hz,不含任何的高频电压成分。

　　(未完待续)

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