【數據機房設計規范】科學(xué)地認識數據機房UPS電源的“零地電壓”問(wèn)題

一、引言

長(cháng)期以來(lái)，在國內機房數據中心電源的設計、建設與應用過(guò)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(lái)這種趨勢愈演愈烈，令人難以置信的是這一反科學(xué)的的“零地電壓”居然被寫(xiě)進(jìn)了某些級標準，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(chǎng)商與用戶(hù)都習慣于將數據系統中出現的各種問(wèn)題歸給于零地電壓引起的。目前，國內業(yè)界忽悠的根據“統計數據”“零地電壓”過(guò)高對IT設備，如主機、小型機、服務(wù)器、磁盤(pán)存儲設備、網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；

4、   可能導致存儲設備損壞、數據出錯等。

5、   某些**IT廠(chǎng)商規定零地電壓大于1V不給開(kāi)機等。

但是綜觀(guān)**的IEC和UL電源標準，卻根本沒(méi)有“零地電壓”這一名詞，遍尋IEEE的文章也沒(méi)有檢索到任何“零地電壓對IT負載影響的相關(guān)文獻”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源*訪(fǎng)問(wèn)一些中國數據機房用戶(hù)，有些用戶(hù)提出了零地電壓的問(wèn)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*們根本就聽(tīng)不懂，經(jīng)過(guò)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(wèn)：“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(méi)有任何確鑿的科學(xué)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(wèn)題，國內許多用戶(hù)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(gè)樓層機房的輸入端來(lái)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(lái)就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)是雪上加霜，而且也降低了機房供電系統的**性。

為此，筆者認為系統地討論機房供電系統的“零地電壓”產(chǎn)生機理，特別是對IT負載的影響問(wèn)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(wèn)題有一科學(xué)的認識是非常必要的。

二、零地電壓的產(chǎn)生機理

在380V交流供電系統里，由于線(xiàn)路保護的需要，通常將三相四線(xiàn)制的中心點(diǎn)通過(guò)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(diǎn)通過(guò)接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點(diǎn)。

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(xiàn)路分成三級配電母線(xiàn)，即UPS輸入配電母線(xiàn)或稱(chēng)市電輸入母線(xiàn)L1（含柴油發(fā)電機切換后輸入），UPS輸出配電母線(xiàn)L2，樓層配電母線(xiàn)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(jìn)行供電。

這樣，從變壓器的二次側接地點(diǎn)G到IT負載的零線(xiàn)輸入點(diǎn)N之間，有很長(cháng)的輸電距離，當負載投入運行后，由于電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱(chēng)性、各級配電母線(xiàn)各相負載的不對稱(chēng)性以及各單相負載的非線(xiàn)性特性等因數的存在，就會(huì )有有大量的三相不平衡電流及3N次諧波電流通過(guò)零線(xiàn)流回到變壓器的接地點(diǎn)G，由于線(xiàn)路阻抗的存在，流過(guò)零線(xiàn)的電流就在零線(xiàn)的各點(diǎn)產(chǎn)生了相對于參考點(diǎn)G的電壓差，這就是所謂的“零地電壓”。零地電壓從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它與其它電壓沒(méi)有任何特別的地方，只是零線(xiàn)上的電壓降。

由于各級配電母線(xiàn)到變壓器接地點(diǎn)G的線(xiàn)路阻抗不同，每一級零線(xiàn)**過(guò)的零線(xiàn)電流也不一樣，這就形成了不同的零地電壓點(diǎn)，如圖1所示。不過(guò)數據機房用戶(hù)通常關(guān)心下列幾個(gè)零地電壓點(diǎn)：

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負載較為“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(diǎn)的零地電壓才是“較可怕”的零地電壓

數據機房用戶(hù)通常非常關(guān)心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關(guān)心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯*從從不關(guān)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(huà)，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(huà)，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(xiàn)壓降、UPS輸出零線(xiàn)壓降及樓層配電零線(xiàn)壓降的疊加，可謂是零地電壓的較前哨“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(chǎn)生的零線(xiàn)電壓增益，即U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

對于不同的UPS而言，無(wú)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(xiàn)與地線(xiàn)都是直通的；只要其輸出濾波器得到正確的設計，UPS自生產(chǎn)生的零線(xiàn)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(huì )產(chǎn)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**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(xiàn)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(hù)關(guān)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(cháng)的時(shí)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3~5V以上。為了消除這一問(wèn)題，許多迷信零地電壓的用戶(hù)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(diǎn)重新接地，即形成新的接地點(diǎn)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(xiàn)電流就等于機柜負載電流I4，此時(shí)在樓層配電與IT負載之間產(chǎn)生的零線(xiàn)電壓增益為UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4較大，而配電的線(xiàn)路又較細，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個(gè)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(cháng)度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時(shí)的零線(xiàn)電阻為0.15Ω，滿(mǎn)載零線(xiàn)電流為16A，則產(chǎn)生的零線(xiàn)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(jiàn)圖2，此時(shí)的IT負載輸入端的零地電壓就等于IT設備輸入端的N點(diǎn)對新的接地點(diǎn)G2的電壓差，也等于零線(xiàn)上產(chǎn)生的零線(xiàn)壓降2.4V。

可見(jiàn)，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(shí)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(méi)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(diǎn)對原接地點(diǎn)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(shí)的實(shí)際IT負載輸入端的零地電壓顯然會(huì )遠**2.4V。

四、零地電壓對IT負載的影響

從前的分析可見(jiàn)，對于數據機房IT負載的實(shí)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(gè)IT機柜上再加一隔離變壓器，顯然這是非?；奶频拇胧?。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(guān)鍵的問(wèn)題是零地電壓是否能真正傳到了IT內部的CPU、存儲芯片等**部件。實(shí)際上，通過(guò)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**部件供電。這樣，零地電壓對IT負載的影響問(wèn)題就簡(jiǎn)單化為零地電壓對這一電源模塊的輸出影響問(wèn)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(wú)論是ATX還是SSI電源，UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負載內部后，都**經(jīng)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(wǎng)絡(luò )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：

級：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；

*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；

*三級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；

*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(jiàn)，具有數伏零地電壓的220V交流電，進(jìn)入IT負載的電源后，從到*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(guò)*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**消除，后面的電路已經(jīng)沒(méi)有了零線(xiàn)，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(wú)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電源的級以外。

可見(jiàn)，零地電壓進(jìn)入IT負載內部后，從傳播途徑看，經(jīng)共軛電抗器抑制后，終結于內部變壓器的**，根本達不到真正的IT內部CPU、RAM、EPROM、硬盤(pán)等的供電端，所以無(wú)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(jīng)*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(diǎn)好笑。但是，如果我們能簡(jiǎn)單地分析一下相線(xiàn)和零線(xiàn)在IT負載內部的傳播途徑，我們就會(huì )得出非常驚奇的結果。由于A(yíng)TX和SSI的變換結構幾乎相同，所以我們以SSI制式電源為例來(lái)說(shuō)明。

具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進(jìn)入IT負載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)*二級的整流后，相線(xiàn)L與*三級高頻逆變器的正母線(xiàn)連通，而零線(xiàn)N則與負母線(xiàn)連通，見(jiàn)圖4(a)；而在輸入電源的負半周，則剛好相反，零線(xiàn)N與正母線(xiàn)連通，而相線(xiàn)L則與負母線(xiàn)連通，見(jiàn)圖4(b)。

由此可見(jiàn)，在IT負載的*二級后，相線(xiàn)與零線(xiàn)具有*相同的功能與流通線(xiàn)路。這樣，如果“零地電壓”高將影響IT負載的正常運行，那無(wú)疑“相地電壓”高也會(huì )對IT負載產(chǎn)生致命的影響。而零地電壓我們可以通過(guò)技術(shù)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(huà)，那么IT負載的輸入就沒(méi)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(gè)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(gè)有趣的結果，由于輸入電路的*對稱(chēng)性，如果我們讓“零地電壓”等于A(yíng)C 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(shuō)，IT負載的安全零地電壓應為AC 220V，問(wèn)題是這時(shí)如果相地電壓也等于220V的話(huà)，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(wù)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(shù)有限公司的技術(shù)*，對服務(wù)器等IT設備、DTU數據通信設備進(jìn)行了零地電壓加擾測試，同時(shí)對中國電信120多個(gè)機房的121臺在網(wǎng)設備進(jìn)行了抽檢調研，得出的結論如下：（詳見(jiàn)參考文獻1）

（1）從對機架式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器的加擾測試結果來(lái)看，22V以下的零地電壓對這兩種服務(wù)器無(wú)影響。

（2）10V以下的零地電壓差對DTU數據通信設備無(wú)影響。但在通信系統分散的情況下，零地電位差會(huì )對數據通信產(chǎn)生影響，其原因是零地電位差會(huì )在數據通信線(xiàn)路的設備端口之間造成地電位差。（筆者注：根據筆者對整個(gè)測試報告和報告中所給出的線(xiàn)路圖的分析，準確地說(shuō)，應該是當采用RS232和同軸電纜通信時(shí)，由于地電位的差異導致了對數據通信的影響。這里的地電位實(shí)際上與輸入電源的零地電壓無(wú)關(guān)，它們是*不同的兩個(gè)概念，換句話(huà)說(shuō)，如果兩臺通信設備的地電位差異較大，即使兩臺通信設備的輸入零、地電壓等于0，也會(huì )對通信有影響。另外，如果采用光纖通信，就不會(huì )有影響了。）

（3）通過(guò)對122個(gè)在網(wǎng)通信機房的調查，在**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?！?/p>

六、結論

從UPS的類(lèi)型看，無(wú)論是現代高頻機還是將要*淘汰的工頻機UPS，零線(xiàn)與地線(xiàn)在其內部都是從輸入端到輸出端直接貫通的，其產(chǎn)生與消除的機理*一樣，都可以使其小于1V以下，關(guān)鍵是廠(chǎng)商是否愿意投入這樣做。

如果用戶(hù)關(guān)心零地電壓?jiǎn)?wèn)題，那就應該關(guān)心IT負載端的零地電壓高低，那才是較可能引發(fā)前言中提到的“5大致命問(wèn)題”的根源。但是，不管在UPS輸出端還是在樓層配電輸出端采取什么樣的降低零地電壓的措施，都無(wú)法從根本上使這一電壓小于1V。任何僅**UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來(lái)實(shí)現零地電壓小于1V的做法都不過(guò)是自欺欺人的自我安慰而已。

通過(guò)對IT負載自身電源4大變換級，尤其是高頻變壓器變換級的分析可見(jiàn)，零地電壓對IT負載電源的輸出端根本不可能構成任何影響，自然它也無(wú)法對IT負載的數據部件構成絲毫的影響。此外，IT負載電源本身就是一個(gè)優(yōu)異的“高頻機”電源。

通過(guò)對“零地電壓”與“相地電壓”的技術(shù)比較可知，就對IT負載的損壞與影響而言，零地電壓與相地電壓一樣，可達220V對IT負載無(wú)影響。但是綜合中國電信的測試數據，筆直非常保守地認為20V以下的零地電壓對現代IT負載不會(huì )有任何影響（但需要關(guān)注此時(shí)的相地電壓是否正常）。

因此，本文的最后筆直建議數據機房用戶(hù)應科學(xué)地看待零地電壓及其大小問(wèn)題，走出零地電壓的技術(shù)誤區，以避免無(wú)謂的浪費和對整個(gè)機房電源系統**性的較大損害。

參考文獻：

1.《零地電壓對數據通信設備影響的分析》，謝琦 余平放 鄭嘯

Scientifically understand the neutral-ground voltage of power system of data center

Eaton Power Quality (Shanghai) Co.  Ltd.   Wang Wei

摘要：本文通過(guò)分析數據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， 建議數據機房用戶(hù)應該正確地看待零地電壓?jiǎn)?wèn)題，走出零地電壓的技術(shù)誤區，避免不必要的資源浪費。

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