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重慶UPS電源的“零地電壓”問題
發布時間: 2017/11/15 閱讀:576次  

 重慶UPS電源的“零地電壓”問題

一、引言
長期以來,在國內機房數據中心電源的設計、建設與應用過程中,“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的首要指標。近年來這種趨勢愈演愈烈,令人難以置信的是這一反科學的的“零地電壓”居然被寫進了某些國家級標準,如某GB級的機房設計規範要求“UPS供電係統的零地電壓的有效值控製在小於2V的範圍內”等,許多廠商與用戶都習慣於將數據係統中出現的各種問題歸給於零地電壓引起的。目前,國內業界忽悠的根據“統計數據”“零地電壓”過高對IT設備,如主機、小型機、服務器、磁盤存儲設備、網絡路由器、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; 重慶UPS電源
3、   可能導致網絡傳輸誤碼率的增大,網速減慢;
4、   可能導致存儲設備損壞、數據出錯等。
5、   某些知名IT廠商規定零地電壓大於1V不給開機等。 重慶UPS電源
但是綜觀國際的IEC和UL電源標準,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IT負載影響的相關文獻”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國數據機房用戶,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並參與美國UL電源標準起草的專家們根本就聽不懂,經過反複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,有這一電壓對IT負載影響的確鑿證據嗎?”。 重慶UPS電源
盡管零地電壓對IT負載的影響還沒有任何確鑿的科學依據(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”問題,國內許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數據機房采購了數十台變壓器櫃安置在各個樓層機房的輸入端來降低零地電壓,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,使本來就不太盈利的IDC業務更是雪上加霜,而且也降低了機房供電係統的可靠性。
為此,筆者認為係統地討論機房供電係統的“零地電壓”產生機理,特別是對IT負載的影響問題,使機房數據中心電源的設計、建設與使用者對 “零地電壓”問題有一科學的認識是非常必要的。
二、零地電壓的產生機理
在380V交流供電係統裏,由於線路保護的需要,通常將三相四線製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係統的典型構架圖,係統中通常配置一台或數台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(含柴油發電機切換後輸入),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櫃(也有將樓層配電與列頭櫃合而為一的),然後單相接入機架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,當負載投入運行後,由於電網三相電壓、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,由於線路阻抗的存在,流過零線的電流就在零線的各點產生了相對於參考點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,隻是零線上的電壓降。
由於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、   樓層配電櫃輸出零地電壓-U N3-G
但是,對於IT負載最為“致命”的IT負載機櫃端的零地電壓-U N-G往往被忽視。 重慶UPS電源
 
三、IT負載機櫃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櫃的零地電壓高低,但是唯獨從從不關心機櫃內部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、樓層輸出配電櫃上采取什麽樣的降低零地電壓措施,隻要IT負載設備輸入端的零地電壓UN-G2不小於1V的話,其“嚴重的危害”就依然存在。而IT負載機櫃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 重慶UPS電源
UPS輸出零地電壓等於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
對於不同的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;隻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製,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於同容量的工頻機。
2、UPS樓層輸出配電櫃上的零地電壓-U N3-G
樓層配電輸出的零地電壓等於UPS輸出零地電壓加UPS輸出到樓層配電櫃之間的零線電壓增益,即U N3-G=UN2-G+UN3-N2=UNI-G+UN-UPS+UN3-N2
樓層配電櫃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到樓層配電櫃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於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櫃裏加一△/Yo隔離變壓器,並將變壓器輸出的中心點重新接地,即形成新的接地點G2和接近於0V新的零地電壓。
3、IT負載輸入端的零地電壓 重慶UPS電源
就目前的數據中心機房而言,樓層輸出配電櫃到負載機櫃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於機櫃負載電流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,由於I4較大,而配電的線路又較細,這一電壓依然可能大於1V。例如,對於一個負載為3500W的機櫃,從如果樓層配電櫃的分路配電到機櫃的電纜為2.5 mm²,電纜長度為20m(假設為較遠端的機櫃),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。
對於樓層配電櫃裏設置了隔離變壓器的係統,見圖2,此時的IT負載輸入端的零地電壓就等於IT設備輸入端的N點對新的接地點G2的電壓差,也等於零線上產生的零線壓降2.4V。
可見,即使對於樓層配置了變壓器,且樓層配電輸出端的零地電壓等於0V的配電係統,實際IT負載輸入端的零地電壓依然達2.4V,遠大於1V。
 
而對於在樓層配電櫃裏沒有設置隔離變壓器的係統,那麽IT負載輸入端的零地電壓等於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於2.4V。
四、零地電壓對IT負載的影響
從前的分析可見,對於數據機房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機櫃上再加一隔離變壓器,顯然這是非常荒唐的措施。那麽零地地電壓對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輸出的電壓隻是給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製式,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負載內部後,都必須經四級變換,最後轉換成穩定的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,將高頻交流電降壓並隔離;
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負載的電源後,從第一到第二級,也許Agingames還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡,但是經過第三級後,由於變壓器的隔離作用,這一共模電壓在變壓器的二次側被徹底消除,後麵的電路已經沒有了零線,隻有直流的正、負極,所以也就不再存在所謂的零地電壓及產生的幹擾。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負載內部後,從傳播途徑看,經共軛電抗器抑製後,終結於內部變壓器的前端,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係統造成任何影響。
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,遠高於高頻機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Agingames能簡單地分析一下相線和零線在IT負載內部的傳播途徑,Agingames就會得出非常驚奇的結果。由於ATX和SSI的變換結構幾乎相同,所以Agingames以SSI製式電源為例來說明。
具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進入IT負載的電源後,在輸入電源的正半周,經第二級的整流後,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負載的第二級後,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Agingames可以通過技術手段讓它小於1V甚至等於0V,但是,如果Agingames讓相地電壓也控製到小於1V以下的話,那麽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,強調零地電壓小於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,由於輸入電路的完全對稱性,如果Agingames讓“零地電壓”等於AC 220V,而讓“相地電壓”等於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於220V的話,輸入IT負載的相零電壓就等於0V或440V了, IT負載就出現了斷電或高壓事故!如果Agingames能設計一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等於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台在網設備進行了抽檢調研,得出的結論如下:(詳見參考文獻1)
(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。但在通信係統分散的情況下,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。(筆者注:根據筆者對整個測試報告和報告中所給出的線路圖的分析,準確地說,應該是當采用RS232和同軸電纜通信時,由於地電位的差異導致了對數據通信的影響。這裏的地電位實際上與輸入電源的零地電壓無關,它們是完全不同的兩個概念,換句話說,如果兩台通信設備的地電位差異較大,即使兩台通信設備的輸入零、地電壓等於0,也會對通信有影響。另外,如果采用光纖通信,就不會有影響了。)
(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。”
六、結論
從UPS的類型看,無論是現代高頻機還是將要完全淘汰的工頻機UPS,零線與地線在其內部都是從輸入端到輸出端直接貫通的,其產生與消除的機理完全一樣,都可以使其小於1V以下,關鍵是廠商是否願意投入這樣做。
如果用戶關心零地電壓問題,那就應該關心IT負載端的零地電壓高低,那才是最可能引發前言中提到的“5大致命問題”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麽樣的降低零地電壓的措施,都無法從根本上使這一電壓小於1V。任何僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實現零地電壓小於1V的做法都不過是自欺欺人的自我安慰而已。
通過對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,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優異的“高頻機”電源。
通過對“零地電壓”與“相地電壓”的技術比較可知,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負載不會有任何影響(但需要關注此時的相地電壓是否正常)。
因此,本文的最後筆直建議數據機房用戶應科學地看待零地電壓及其大小問題,走出零地電壓的技術誤區,以避免無謂的浪費和對整個機房電源係統可靠性的極大損害。
參考文獻:
1.《零地電壓對數據通信設備影響的分析》,謝琦 餘平放 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, 建議數據機房用戶應該正確地看待零地電壓問題,走出零地電壓的技術誤區,避免不必要的資源浪費。
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