《電子技術(shù)應(yīng)用》
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科學(xué)認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問題
摘要: 本文通過分析數(shù)據(jù)機(jī)房電源零地電壓的形成機(jī)理,論述了零地電壓產(chǎn)生的不可避免性和對(duì)IT負(fù)載可能的影響, 建議數(shù)據(jù)機(jī)房用戶應(yīng)該正確地看待零地電壓?jiǎn)栴},走出零地電壓的技術(shù)誤區(qū),避免不必要的資源浪費(fèi)。
Abstract:
Key words :

一、 引言

長(zhǎng)期以來,在國(guó)內(nèi)機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計(jì)、建設(shè)與應(yīng)用過程中,“零地電壓”被忽悠得神乎其神,甚至成為了機(jī)房供電電源品質(zhì)的首要指標(biāo)。近年來這種趨勢(shì)愈演愈烈,令人難以置信的是這一反科學(xué)的的“零地電壓”居然被寫進(jìn)了某些國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn),如某GB級(jí)的機(jī)房設(shè)計(jì)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(xí)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(guó)內(nèi)業(yè)界忽悠的根據(jù)“統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”“零地電壓”過高對(duì)IT設(shè)備,如主機(jī)、小型機(jī)、服務(wù)器、磁盤存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由器、通信設(shè)備等的影響可概括為下列幾種:

n 可能導(dǎo)致IT設(shè)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(dǎo)致IT設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)事故的概率增大;

n 可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率的增大,網(wǎng)速減慢;

n 可能導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等。

n 某些知名IT廠商規(guī)定零地電壓大于1V不給開機(jī)等。

但是綜觀國(guó)際的IEC和UL電源標(biāo)準(zhǔn),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(duì)IT負(fù)載影響的相關(guān)文獻(xiàn)”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國(guó)數(shù)據(jù)機(jī)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(guó)UL電源標(biāo)準(zhǔn)起草的專家們根本就聽不懂,經(jīng)過反復(fù)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(guó),有這一電壓對(duì)IT負(fù)載影響的確鑿證據(jù)嗎?”。

盡管零地電壓對(duì)IT負(fù)載的影響還沒有任何確鑿的科學(xué)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(guó)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(jī)房采購(gòu)了數(shù)十臺(tái)變壓器柜安置在各個(gè)樓層機(jī)房的輸入端來降低零地電壓,這不僅導(dǎo)致了大量的資源浪費(fèi),降低了機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性,而且也大幅度增加了機(jī)房的運(yùn)行成本,使本來就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)更是雪上加霜。

為此,筆者認(rèn)為系統(tǒng)地討論機(jī)房供電系統(tǒng)的“零地電壓”產(chǎn)生、傳遞機(jī)理,特別是對(duì)IT負(fù)載的影響問題,使機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計(jì)、建設(shè)與使用者對(duì) “零地電壓”問題有一科學(xué)的認(rèn)識(shí)是非常必要的。

二、輸配電線路零地電壓的產(chǎn)生機(jī)理

在380V交流供電系統(tǒng)里,由于線路保護(hù)的需要,通常將三相四線制的中心點(diǎn)通過接地裝置直接接地。當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架如圖1所示,系統(tǒng)中通常配置一臺(tái)或數(shù)臺(tái)10KV/380V △/Yo變壓器,Yo側(cè)的中心點(diǎn)通過接地網(wǎng)直接接地,如圖1中的G點(diǎn)。

從變壓器到各IT負(fù)載之間,為了安全運(yùn)行和維護(hù)管理考慮,通常將這一距離中的線路分成三級(jí)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(jī)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(jī)架PDU對(duì)IT負(fù)載進(jìn)行供電。

這樣,從變壓器的二次側(cè)接地點(diǎn)G到IT負(fù)載的零線輸入點(diǎn)N之間,有很長(zhǎng)的輸電距離,當(dāng)負(fù)載投入運(yùn)行后,一定有大量的零線電流從N點(diǎn)流回到各級(jí)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(diǎn)。由于零線阻抗的存在,在各級(jí)母線的零排之間就形成了電壓降。這樣以G為參考點(diǎn),零線上的各個(gè)點(diǎn)就形成了對(duì)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(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖

下面,以UPS輸入母排點(diǎn),即UPS輸入零地電壓為例來闡述零地電壓的形成機(jī)理:

UPS輸入零地電壓-U N1-G可以表示如下,

U N1-G=I1*ZN1-G

這里I1為零線上流過的電流,ZN1-G為N1零排到接地點(diǎn)的零線阻抗??梢姡憔€壓降完全取決與零線電流I1和零線阻抗的ZN1-G大小,當(dāng)I1或ZN1-G為零時(shí),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(zhǎng)度與線徑,對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房而言是個(gè)不變量;而零線電流的大小則取決于下列運(yùn)行條件:

n 電網(wǎng)三相電壓、相位的對(duì)稱度;

n 三相負(fù)載電流大小的對(duì)稱度;

n 三相負(fù)載相位的對(duì)稱度;

n 三相負(fù)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(duì)稱對(duì)數(shù)據(jù)機(jī)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(fù)載電流大小不平衡時(shí)產(chǎn)生的零線電流I1-1

當(dāng)L1母線三相配電系統(tǒng)中各相負(fù)載大小不相同時(shí),就會(huì)出現(xiàn)三相不平衡電流,這一不平衡電流匯流到N1零排時(shí),就合成為零線電流I1-1,如圖2(a)所示。

最極端的情況,當(dāng)A、C兩相的負(fù)載全部跳開時(shí),此時(shí)的零線電流I1-1就等于B相的電流IB,達(dá)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(fù)載電流相位不對(duì)稱時(shí)產(chǎn)生的零線電流I1-2

當(dāng)I段母線三相配電系統(tǒng)中各相負(fù)載的輸入功率因素不相同時(shí),三相電流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位關(guān)系,此時(shí)也會(huì)導(dǎo)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(fù)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(fù)載的存在,導(dǎo)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=IAmsin100πt

iB=IBmsin(100πt-120°)

iC=ICmsin(100πt+120°)

相應(yīng)的各相三次諧波電流為

iA3=IA3msin300πt

Ib3=IB3msin(300πt-360°)

iC3=IC3msin(300πt+360°)

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(jì)算為

UNI-G=(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3

如果線路較長(zhǎng)、負(fù)載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線性負(fù)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(jié)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(jī)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(jī)理,但是UPS產(chǎn)生的零線電壓增益的機(jī)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(jī))和新一代的無需升壓變壓器UPS(所謂的高頻機(jī))的零線電壓增益的產(chǎn)生機(jī)理。

1. 具有有升壓變壓器UPS(所謂的工頻機(jī))零地電壓增益的產(chǎn)生

所謂的工頻機(jī)(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(zhuǎn)換后的線電壓只有190V,為了滿足負(fù)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)加一1:2的升壓變壓器將190V的線電壓升高到380V;同時(shí),通過這一變壓器的△/Y0接法生成零線,以實(shí)現(xiàn)UPS三相四線制的輸出要求。所以對(duì)于所謂的工頻機(jī)而言,輸出升壓變壓器是必加的標(biāo)準(zhǔn)件,否則就根本無法正常工作。

對(duì)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(guān)機(jī)時(shí),我們很容易量測(cè)到UPS輸入零地電壓絕對(duì)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(jī)工作時(shí),由于旁路關(guān)斷,其零線上也不會(huì)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(shè)計(jì)不好或電容故障,就會(huì)導(dǎo)致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會(huì)部分溢出感應(yīng)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??蛇_(dá)3~5V,頻率上明顯含有高頻成份。如果設(shè)計(jì)得到好,這一電壓增益通常應(yīng)為0.5~1V。

圖3 工頻機(jī)的零地電壓

2 無需升壓變壓器UPS的(所謂的高頻機(jī))產(chǎn)生的零線電壓增益

所謂的高頻機(jī)(如下圖4所示)則采用先進(jìn)成熟的IGBT升壓整流技術(shù)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(jī)的升壓變壓器。這是21世紀(jì)以來現(xiàn)代電力電子技術(shù)最偉大的技術(shù)進(jìn)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(jī)UPS與工頻機(jī)UPS完全一樣,都是在UPS內(nèi)部從輸入到輸出是直通的,不會(huì)產(chǎn)生零線電流產(chǎn)生的零地增益。但是,對(duì)于早期的高頻機(jī)或某些高頻機(jī)技術(shù)起步較晚的廠商,出于降低成本的設(shè)計(jì)考慮,其濾波器設(shè)計(jì)容量偏小,導(dǎo)致了較高的PWM高頻電壓成份溢出感應(yīng)在零線上,產(chǎn)生一定的零線電壓增益,其值達(dá)3~5V,并伴有明顯的高頻成份?,F(xiàn)在許多廠商已經(jīng)認(rèn)識(shí)到中國(guó)用戶對(duì)零地電壓的關(guān)心,所以改進(jìn)了輸出濾波器設(shè)計(jì),其零線電壓增益通常僅為0.5~1V,而且這一波形中不含高頻成份。實(shí)測(cè)某IDC伊頓9395高頻機(jī)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(jī)的零地電壓

由此可見,可得到如下結(jié)論:

n 高頻機(jī)與工頻機(jī)具有同樣的零線電壓增益產(chǎn)生機(jī)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(shè)計(jì)得好,兩者都可以很好地解決零地電壓?jiǎn)栴},并使零地電壓不含有高頻成份,反之,兩種UPS都會(huì)產(chǎn)生較高的零地電壓。

四、IT負(fù)載機(jī)柜輸入點(diǎn)的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓

數(shù)據(jù)機(jī)房用戶通常非常關(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,但是唯獨(dú)從從不關(guān)心機(jī)柜內(nèi)部IT負(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對(duì)IT負(fù)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(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話,其“嚴(yán)重的危害”就依然存在。而IT負(fù)載機(jī)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(zāi)區(qū)”。

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)生的零線電壓增益,即

U N2-G=UNI-G+UN-UPS

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

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(jī)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(jī)房用戶關(guān)心的核心問題,特別是當(dāng)UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長(zhǎng)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(dá)3~5V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(fù)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(diǎn)重新接地,即形成新的接地點(diǎn)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(shí)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(fù)載輸入端的零地電壓

就目前的數(shù)據(jù)中心機(jī)房而言,樓層輸出配電柜到負(fù)載機(jī)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(jī)柜負(fù)載電流I4,此時(shí)在樓層配電與IT負(fù)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(xì),這一電壓依然可能大于1V。例如,對(duì)于一個(gè)負(fù)載為3500W的機(jī)柜,從如果樓層配電柜的分路配電到機(jī)柜的電纜為2.5 mm?,電纜長(zhǎng)度為20m(假設(shè)為較遠(yuǎn)端的機(jī)柜),此時(shí)的零線電阻為0.15Ω.,滿載零線電流為16A,則產(chǎn)生的零線壓降就達(dá)2.4V。

(1) 樓層配電柜中配置了隔離變壓器的IT機(jī)柜端的零地電壓

對(duì)于樓層配電柜里設(shè)置了隔離變壓器的系統(tǒng),見圖6,此時(shí)的IT負(fù)載輸入端的零地電壓就等于IT設(shè)備輸入端的N點(diǎn)對(duì)UPS后端的隔離變壓器輸出接地點(diǎn)G2的電壓差,就等于零線上產(chǎn)生的零線壓降:

UN-G2= UN-N3+UN3-G2=2.4V+0V=2.4V >1V

可見,即使對(duì)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(shí)際IT負(fù)載輸入端的零地電壓依然達(dá)2.4V,遠(yuǎn)大于1V。

圖6 機(jī)柜端的零地電壓

(2) 樓層配電柜中沒有配置變壓器的IT機(jī)柜端的零地電壓

如果在樓層配電柜里沒有設(shè)置隔離變壓器,那么IT負(fù)載輸入端的零地電壓等于IT設(shè)備輸入端的N點(diǎn)對(duì)UPS前端的高壓10KV/380V變壓器輸出接地點(diǎn)G的電壓差,如圖7所示,其相應(yīng)的零地電壓計(jì)算等效電路如下圖所示。

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(fù)載輸入端的零地電壓顯然會(huì)遠(yuǎn)高于2.4V。

圖7 沒有配置樓層變壓器的機(jī)柜端零地電壓

從上面的分析可見,可以得到如下兩點(diǎn)結(jié)論:

n IT負(fù)載輸入端的零地電壓才是真正可能對(duì)IT負(fù)載產(chǎn)生“可怕影響”的關(guān)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(shí)際IT負(fù)載輸入端仍可能有大于1V的零地電壓。因此,要保證每個(gè)機(jī)柜IT負(fù)載的零地電壓小于1V是不可能的,除非在每一個(gè)機(jī)柜上再安裝一臺(tái)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(shí)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(duì)IT負(fù)載的影響

零地電壓對(duì)IT負(fù)載是否真的有影響,關(guān)鍵的問題是零地電壓是否真正傳到了IT內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)芯片等核心部件。實(shí)際上,通過分析IT負(fù)載內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不難得到,UPS輸出的電壓只是給IT負(fù)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(duì)IT負(fù)載有影響或影響的大小,關(guān)鍵是零地電壓對(duì)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(guān)于這一點(diǎn),我們只需要分析一下IT負(fù)載內(nèi)部電源模塊的電路工作原理,就會(huì)得出理性的結(jié)論。

當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊采用兩種制式,即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。ATX標(biāo)準(zhǔn)是Intel公司在1997年推出的一個(gè)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(gòu)服務(wù)器生產(chǎn)商在ATX標(biāo)準(zhǔn)上推出的新型服務(wù)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(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后,都必須經(jīng)四級(jí)變換,最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級(jí)變換如下圖所示,分別為:

n 第一級(jí):橋式整流器,將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電;

n 第二級(jí):高頻逆變器,將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百KHZ穩(wěn)壓的高頻交流電;

n 第三級(jí):高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離;

n 第四級(jí):高頻整流器,將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

(b)SSI標(biāo)準(zhǔn)

圖8  IT負(fù)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(jìn)入IT負(fù)載的電源后,從第一到第二級(jí),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(jí)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(fù)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(shè)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(jí)以外。

可見,零地電壓進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后,從傳播途徑看,經(jīng)共軛電抗器抑制后,終結(jié)于內(nèi)部變壓器的前端,根本達(dá)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(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)造成任何影響。

有必要指出的是IT負(fù)載電源輸出的12V直流電壓,就是經(jīng)第三級(jí)高頻逆變器的高頻變換得到的,其變換頻率通常高達(dá)50KHZ~150KHZ,遠(yuǎn)高于高頻機(jī)UPS的變換頻率,所以高頻變換是IT電源自身的根本,IT負(fù)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)單地分析一下相線和零線在IT負(fù)載內(nèi)部的傳播途徑,我們就會(huì)得出非常驚奇的結(jié)果。由于ATX和SSI的變換結(jié)構(gòu)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(jìn)入IT負(fù)載的電源后,在輸入電源的正半周,經(jīng)第二級(jí)的整流后,相線L與第三級(jí)高頻逆變器的正母線連通,而零線N則與負(fù)母線連通,見圖9(a);而在輸入電源的負(fù)半周,則剛好相反,零線N與正母線連通,而相線L則與負(fù)母線連通,見圖9(b)。

由此可見,在IT負(fù)載的第二級(jí)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(fù)載的正常運(yùn)行,那無疑“相地電壓”高也會(huì)對(duì)IT負(fù)載產(chǎn)生致命的影響。而零地電壓我們可以通過技術(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,那么IT負(fù)載的輸入就沒電了,數(shù)據(jù)機(jī)房也就直接癱瘓了。因此,從這一反例也可看出,強(qiáng)調(diào)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)更有趣的結(jié)果,由于輸入電路的完全對(duì)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(fù)載的安全零地電壓應(yīng)為AC 220V,問題是這時(shí)如果相地電壓也等于220V的話,輸入IT負(fù)載的相零電壓就等于0V或440V了, IT負(fù)載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故!如果我們能設(shè)計(jì)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(fù)載供電,則IT負(fù)載將不受任何影響。

(a)正半周時(shí),相、零線在IT電源的位置

(b)負(fù)半周時(shí),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(duì)服務(wù)器等IT設(shè)備及通信設(shè)備的影響測(cè)試

中國(guó)電信電磁防護(hù)支撐中心聯(lián)合華為技術(shù)有限公司的技術(shù)專家,對(duì)服務(wù)器等IT設(shè)備、DTU數(shù)據(jù)通信設(shè)備進(jìn)行了零地電壓加擾測(cè)試,同時(shí)對(duì)中國(guó)電信120多個(gè)機(jī)房的121臺(tái)在網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行了抽檢調(diào)研,得出的結(jié)論如下:(詳見參考文獻(xiàn)1)

“(1)從對(duì)機(jī)架式服務(wù)器和刀片式服務(wù)器的加擾測(cè)試結(jié)果來看,22V以下的零地電壓對(duì)這兩種服務(wù)器無影響。

(2)10V以下的零地電壓差對(duì)DTU數(shù)據(jù)通信設(shè)備無影響。但在通信系統(tǒng)分散的情況下,零地電位差會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)通信產(chǎn)生影響,其原因是零地電位差會(huì)在數(shù)據(jù)通信線路的設(shè)備端口之間造成地電位差。(筆者注:根據(jù)筆者對(duì)整個(gè)測(cè)試報(bào)告和報(bào)告中所給出的線路圖的分析,準(zhǔn)確地說,應(yīng)該是當(dāng)采用RS232和同軸電纜通信時(shí),由于地電位的差異導(dǎo)致了對(duì)數(shù)據(jù)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關(guān),它們是完全不同的兩個(gè)概念,換句話說,如果兩臺(tái)通信設(shè)備的地電位差異較大,即使兩臺(tái)通信設(shè)備的輸入零、地電壓等于0,也會(huì)對(duì)通信有影響。另外,如果采用光纖通信,就不會(huì)有影響了。)

(3)通過對(duì)122個(gè)在網(wǎng)通信機(jī)房的調(diào)查,在保證設(shè)備正常運(yùn)行的情況下,設(shè)備的零地電位差分布在10V以下,建議:數(shù)據(jù)通信設(shè)備的零地電位差應(yīng)在10V以下。”

從本節(jié)的分析可見,可小結(jié)如下:

n 由于IT電源內(nèi)部的共軛電抗器和Y電容的抑制,特別是高頻變壓器的隔離,零地電壓止于變壓器的輸入端,根本無法到達(dá)12V的直流輸出端,所以無法對(duì)對(duì)IT負(fù)載構(gòu)成影響。

n 對(duì)IT負(fù)載而言,“零地電壓”與“相地電壓”對(duì)于IT負(fù)載具有同等的“干擾”地位,因此消除零地電壓,也就應(yīng)該同時(shí)消除相地電壓,這是非?;闹嚨慕Y(jié)論。

n 從IT負(fù)載電源的對(duì)稱性分析,理論上看,零地電壓與相地電壓一樣可達(dá)220V對(duì)IT負(fù)載無影響。

六.結(jié)論

零線與地線在在所謂的工頻機(jī)與高頻機(jī)內(nèi)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(jī)理完全一樣,都可以使其小于1V以下,關(guān)鍵是廠商是否愿意投入這樣做。

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,都無法保證機(jī)柜IT負(fù)載輸入端的零地電壓滿足小于1V的要求,而IT負(fù)載端的零地電壓高低才是最可能引發(fā)前言中提到的“5大被忽悠的致命問題”的根源。

任何僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實(shí)現(xiàn)零地電壓小于1V的做法都不過是自欺欺人的自我安慰而已。

通過對(duì)IT負(fù)載電源4大變換級(jí)中的高頻變壓器變換級(jí)的分析,及“零地電壓”與“相地電壓”的技術(shù)比較,盡管對(duì)IT負(fù)載的正常工作而言,零地電壓可達(dá)220V對(duì)IT負(fù)載無影響,但是綜合中國(guó)電信的測(cè)試數(shù)據(jù),筆直認(rèn)為20V以下的零地電壓對(duì)現(xiàn)代IT負(fù)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(shù)據(jù)機(jī)房用戶應(yīng)科學(xué)地看待零地電壓及其大小問題,走出零地電壓的技術(shù)誤區(qū),以避免無謂的浪費(fèi)和對(duì)整個(gè)機(jī)房電源系統(tǒng)可靠性的損害。

 

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