1、科学地认识数据机房 UPS 电源的“零地电压”问题作者：伊顿电源（上海）有限公司 王伟 本文通过分析数据机房电源零地电压的形成机理，论述了零地电压产生的不可避免性和对IT 负载可能的影响， 建议数据机房用户应该正确地看待零地电压问题，走出零地电压的技术误区，避免不必要的资源浪费。一、引言长期以来，在国内机房数据中心电源的设计、建设与应用过程中，“零地电压” 被忽悠得神乎其神，甚至成为了机房供电电源品质的首要指标。近年来这种趋势愈演愈烈，令人难以置信的是这一反科学的的“ 零地电压” 居然被写进了某些国家级标准，如某 GB 级的机房设计规范要求“UPS 供电系统的零地电压的有效值控制在小于 2V
2、的范围内”等，许多厂商与用户都习惯于将数据系统中出现的各种问题归给于零地电压引起的。目前，国内业界忽悠的根据“ 统计数据”“ 零地电压 ”过高对 IT 设备，如主机、小型机、服务器、磁盘存储设备、网络路由器、通信设备等的影响可概括为下列几种：可能导致 IT 设备中的微处理器 CPU 芯片出现“莫名其妙”地致命损坏；可能导致 IT 设备出现死机事故的概率增大；可能导致网络传输误码率的增大，网速减慢；可能导致存储设备存储设备损坏、数据出错等。某些知名 IT 厂商规定零地电压大于 1V 不给开机等。但是综观国际的 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
3、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，可怜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，国内许多用户却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来降低零地电压，这
4、不仅导致了大量的资源浪费，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。二、输配电线路零地电压的产生机理在 380V 交流供电系统里，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/380V /Yo 变压器， Yo 侧的中心点通过接地网直接接地，如图
5、1 中的 G 点。从变压器到各 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，楼层配电母线 L3，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），然后单相接入机架 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 N 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
6、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。图 1 数据机房配电系统的典型构架图下面，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U N1-G 可以表示如下，U N1-GI 1*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，零线压降完全取决与零线电流 I1 和零线阻抗的 ZN1-G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
7、为零，但这通常不可能做到。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：电网三相电压、相位的对称度； 三相负载电流大小的对称度； 三相负载相位的对称度；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机房用户来说，属于不可控、不可管的“正常现象 ”，在此不作讨论。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
8、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。图 2 零线电流的合成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素不相同时，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。3. 三相负载中的 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本电流流过，还可能有三次及三的倍数次谐波流过。其基波电流可表示为iA=I
9、Amsin100tiB=IBmsin(100 t-120)iC=ICmsin(100 t120)相应的各相三次谐波电流为iA3=IA3msin300tIb3=IB3msin(300t-360)iC3=IC3msin(300t360)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，出现了我们通常所说的 UPS 输入零地电压，这一零地电压可计算为UNI-G(I1-1+I1-2)*Z n1-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
10、谐波的非线性负载较多，就可能使UPS 的输入零地电压很高。由此可见，可以总结如下：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；越是在供电链路的末端，其零地电压越高。三、UPS 产生零线电压增益的机理前面我们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。接下来我们就来分析一下老式的具有升压变压器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。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（如图 3 所示）采用可控硅相控整流将交
11、流变成 432V 直流电，再通过IGBT 高频逆变器将这一直流电还原成成交流，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）加一:2 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，我们从图 3 不难看到，即使有了这一隔离变压器，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
12、，我们很容易量测到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 内部基本是不存在的。但是如果 UPS 输出的滤波器设计不好或电容故障，就会导致逆变器输出的 PWM 高频电压成份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 35V，频率上明显含有高频成份。如果设计得到好，这一电压增益通常应为 0.51V。图 3 工频机的零地电压2.无需升压变压器 UPS 的（所谓的高频机）产生的零线电压增益
13、所谓的高频机（如下图 4 所示）则采用先进成熟的 IGBT 升压整流技术将交流变成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 21 世纪以来现代电力电子技术最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 可以看到，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，不会产生零线电流产生的零地增益。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
14、虑，其滤波器设计容量偏小，导致了较高的 PWM 高频电压成份溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其值达 35V,并伴有明显的高频成份。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设计，其零线电压增益通常仅为 0.51V,而且这一波形中不含高频成份。实测某 IDC 伊顿 9395 高频机 UPS 的零地电压，显示为电压 0.6V,频率 50HZ,不含任何的高频电压成份。图 4 高频机的零地电压由此可见，可得到如下结论：高频机与工频机具有同样的零线电压增益产生机理，零线与地线在两种 UPS 内部都是直通的；只要滤波器设计得好，两者都可以很好地解决零地电压问题，并使零地
15、电压不含有高频成份，反之，两种 UPS 都会产生较高的零地电压。四、IT 负载机柜输入点的零地电压才是“ 最可怕”的零地电压数据机房用户通常非常关心 UPS 输出端的零地电压高低，也非常关心楼层输出配电柜的零地电压高低，但是唯独从从不关心机柜内部 IT 负载设备输入端的零地电压高低。如果零地电压真的对 IT 负载有影响的话，不管你在 UPS 的输出端、楼层输出配电柜上采取什么样的降低零地电压措施，只要 IT 负载设备输入端的零地电压 UN-G2 不小于 1V 的话，其“严重的危害”就依然存在。而 IT 负载机柜输入端的零地电压是所有 UPS 输入零线压降、UPS 输出零线压降及楼层配电零线压降
16、的叠加，可谓是零地电压的最前哨“重灾区”。1、UPS 输出零地电压U N2-GUPS 输出零地电压等于 UPS 输入零地电压加 UPS 产生的零线电压增益，即U N2-GU NI-GUN-UPS2、UPS 楼层输出配电柜上的零地电压U N3-G楼层配电输出的零地电压等于 UPS 输出零地电压加 UPS 输出到楼层配电柜之间的零线电压增益，即U N3-GU N2-GUN3-N2U NI-GUN-UPSUN3-N2这里，UPS 输出到楼层配电柜之间的零线电压增益 UN3-N2 的形成机理与 UPS 输入零地电压完全相同，在此不再鳌述。但往往楼层配电柜输出的零地电压高低通常也是数据机房用户关心的核心
17、问题，特别是当 UPS 到楼层配电柜之间的输电距离很长的时候，尽管 UPS 输出端的零地电压已经做到了小于 1V，但是楼层配电输出的零地电压却仍然高达 35V 以上。为了消除这一问题，许多迷信零地电压将影响或损坏 IT 负载的用户就不得不在楼层配电柜里加一/Yo 隔离变压器，并将变压器输出的中心点重新接地，即形成新的接地点G2，如图 5 所示，这样就在楼层配电柜的输出零排上生成了新的零地电压，而且此时的零、地线是“ 紧密” 地连接在一起的，所以其新的零地电压一定小于 1V，符合了用户所能接受的零地电压要求。有些厂家为了迎合用户的需求，专门将这一配电柜美其名为“精密配电柜” 。图 5 楼层配电柜
18、的零地电压3、IT 负载输入端的零地电压就目前的数据中心机房而言，楼层输出配电柜到负载机柜之间通常采用单相配电，这样在这一配电区间内的零线电流就等于机柜负载电流 I4，此时在楼层配电与 IT 负载之间产生的零线电压增益为 UN-N3=I4*ZN-N3,由于 I4 较大，而配电的线路又较细，这一电压依然可能大于 1V。例如，对于一个负载为 3500W 的机柜，从如果楼层配电柜的分路配电到机柜的电缆为 2.5 mm，电缆长度为 20m(假设为较远端的机柜)，此时的零线电阻为0.15.，满载零线电流为 16A，则产生的零线压降就达 2.4V。(1)楼层配电柜中配置了隔离变压器的 IT 机柜端的零地电
19、压对于楼层配电柜里设置了隔离变压器的系统，见图 6，此时的 IT 负载输入端的零地电压就等于 IT 设备输入端的 N 点对 UPS 后端的隔离变压器输出接地点 G2 的电压差，就等于零线上产生的零线压降：UN-G2= UN-N3+UN3-G22.4V+0V=2.4V 1V可见，即使对于楼层配置了变压器，且楼层配电输出端的零地电压等于 0V 的配电系统，实际 IT 负载输入端的零地电压依然达 2.4V,远大于 1V。图 6 机柜端的零地电压(2)楼层配电柜中没有配置变压器的 IT 机柜端的零地电压如果在楼层配电柜里没有设置隔离变压器，那么 IT 负载输入端的零地电压等于 IT 设备输入端的 N
20、点对 UPS 前端的高压 10KV/380V 变压器输出接地点 G 的电压差，如图 7所示，其相应的零地电压计算等效电路如下图所示。UN-G= UNI-GUN-UPSUN3-N2UN-N3U NI-GUN-UPSUN3-N22.4V此时的实际 IT 负载输入端的零地电压显然会远高于 2.4V。图 7 没有配置楼层变压器的机柜端零地电压从上面的分析可见，可以得到如下两点结论：IT 负载输入端的零地电压才是真正可能对 IT 负载产生“可怕影响”的关键零地电压；即使在 UPS 输出，甚至楼层配电输出的零地电压做到小于 1V，实际 IT 负载输入端仍可能有大于 1V 的零地电压。因此，要保证每个机柜
21、IT 负载的零地电压小于 1V 是不可能的，除非在每一个机柜上再安装一台隔离变压器。所以，仅保证 UPS 输出端或在楼层配电端加隔离变压器来实现零地电压小于 1V 的做法，不过是自欺欺人的自我安慰而已。五、零地电压对 IT 负载的影响零地电压对 IT 负载是否真的有影响，关键的问题是零地电压是否真正传到了 IT 内部的 CPU、存储芯片等核心部件。实际上，通过分析 IT 负载内部的结构不难得到，UPS 输出的电压只是给 IT 负载内部的电源模块供电，这一电源模块的输出才向 IT 内部的核心部件供电。所以，要了解零地电压是否对 IT 负载有影响或影响的大小，关键是零地电压对这一电源模块的输出电压
22、是否有影响或产生多大的影响。关于这一点，我们只需要分析一下 IT负载内部电源模块的电路工作原理，就会得出理性的结论。当前 IT 负载内部的输入电源模块采用两种制式，即 ATX 标准和 SSI 标准。ATX 标准是 Intel 公司在 1997 年推出的一个电源规范，输出功率一般在 125 瓦350 瓦之间；SSI（Server System Infrastructure）规范是 Intel 联合一些主要的 IA 架构服务器生产商在ATX 标准上推出的新型服务器电源规范。这两种电源的主电路如图 8 所示。分析这一电源的工作原理可以看出，无论是 ATX 还是 SSI 电源，UPS 输出的 220V
23、交流电进入 IT 负载内部后，都必须经四级变换，最后转换成稳定的 12V、5V、3.3V 的直流电压，提供给 IT 负载内部的 CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等“真正的负载” 使用。这四级变换如下图所示，分别为：第一级：桥式整流器，将 220V 交流电变为约 200300V 的直流电；第二级：高频逆变器，将直流电再转换成几十到几百 KHZ 稳压的高频交流电；第三级：高频隔离变压器，将高频交流电降压并隔离；第四级：高频整流器，将稳定的高频交流电转换成稳定的直流 12V(或 5V、3.3V)输出。（a）ATX 标准（b）SSI 标准图 8 IT 负载的输入电源1.零地电压在 IT 电源内的传
24、播途径从上图可见，具有数伏零地电压的 220V 交流电，进入 IT 负载的电源后，从第一到第二级，也许我们还能“追寻”到这一电压的存在踪迹，但是经过第三级后，由于变压器的隔离作用，这一共模电压在变压器的隔离输出端被彻底消除，后面的电路已经没有了零线，只有直流的正、负极，所以也就不再存在所谓的零地电压及产生的*。此外，无论是 ATX还是 SSI 电源，都在其输入端设有共轭电抗器与 Y 电容，这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在 IT 电源的第一级以外。可见，零地电压进入 IT 负载内部后，从传播途径看，经共轭电抗器抑制后，终结于内部变压器的前端，根本达不到真正的 IT 内部 CPU、RAM、E
25、PROM、硬盘等的供电端，所以无论是多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。有必要指出的是 IT 负载电源输出的 12V 直流电压，就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的，其变换频率通常高达 50KHZ150KHZ，远高于高频机 UPS 的变换频率，所以高频变换是 IT 电源自身的根本，IT 负载不惧怕“高频” 。2.“零地电压”与“相地电压”“零地电压” 已经广为人知，而“相地电压” 的概念却似乎有点好笑。但是，如果我们能简单地分析一下相线和零线在 IT 负载内部的传播途径，我们就会得出非常惊奇的结果。由于 ATX 和 SSI 的变换结构几乎相同，所以我们以 SSI 制式电源为例来
26、说明。具有零地电压的 UPS 输出 AC 220V 电压进入 IT 负载的电源后，在输入电源的正半周，经第二级的整流后，相线 L 与第三级高频逆变器的正母线连通，而零线 N 则与负母线连通，见图 9(a)；而在输入电源的负半周，则刚好相反，零线 N 与正母线连通，而相线 L则与负母线连通，见图 9(b)。由此可见，在 IT 负载的第二级后，相线与零线具有完全相同的功能与流通线路。这样，如果“ 零地电压”高将影响 IT 负载的正常运行，那无疑 “相地电压”高也会对 IT 负载产生致命的影响。而零地电压我们可以通过技术手段让它小于 1V 甚至等于 0V，但是，如果我们让相地电压也控制到小于 1V
27、以下的话，那么 IT 负载的输入就没电了，数据机房也就直接瘫痪了。因此，从这一反例也可看出，强调零地电压小于 1V 是一个荒谬的概念！分析这一电路的交流输入部分，还可以得出一个更有趣的结果，由于输入电路的完全对称性，如果我们让“零地电压 ”等于 AC 220V，而让“ 相地电压”等于 0V，这一 IT 电源的输出将不受任何影响地正常工作。所以，从理论上说，IT 负载的安全零地电压应为 AC 220V，问题是这时如果相地电压也等于 220V 的话，输入 IT 负载的相零电压就等于 0V 或440V 了， IT 负载就出现了断电或高压事故！如果我们能设计一具有零地电压、相地电压和“相零电压 ”都等
28、于 220V 的 “特殊 UPS”向 IT 负载供电，则 IT 负载将不受任何影响。(a)正半周时，相、零线在 IT 电源的位置(b)负半周时，相、零线在 IT 电源的位置图 9 零地电压与相地电压概念3.零地电压对服务器等 IT 设备及通信设备的影响测试中国电信电磁防护支撑中心联合华为技术有限公司的技术专家，对服务器等 IT 设备、DTU 数据通信设备进行了零地电压加扰测试，同时对中国电信 120 多个机房的 121 台在网设备进行了抽检调研，得出的结论如下：（详见参考文献 1）（1）从对机架式服务器和刀片式服务器的加扰测试结果来看，22V 以下的零地电压对这两种服务器无影响。（2）10V
29、以下的零地电压差对 DTU 数据通信设备无影响。但在通信系统分散的情况下，零地电位差会对数据通信产生影响，其原因是零地电位差会在数据通信线路的设备端口之间造成地电位差。（笔者注：根据笔者对整个测试报告和报告中所给出的线路图的分析，准确地说，应该是当采用 RS232 和同轴电缆通信时，由于地电位的差异导致了对数据通信的影响。这里的地电位实际上与输入电源的零地电压无关，它们是完全不同的两个概念，换句话说，如果两台通信设备的地电位差异较大，即使两台通信设备的输入零、地电压等于 0，也会对通信有影响。另外，如果采用光纤通信，就不会有影响了。）（3）通过对 122 个在网通信机房的调查，在保证设备正常运
30、行的情况下，设备的零地电位差分布在 10V 以下，建议：数据通信设备的零地电位差应在 10V 以下。”从本节的分析可见，可小结如下：由于 IT 电源内部的共轭电抗器和 Y 电容的抑制,特别是高频变压器的隔离，零地电压止于变压器的输入端，根本无法到达 12V 的直流输出端，所以无法对对 IT 负载构成影响。对 IT 负载而言，“零地电压” 与“ 相地电压”对于 IT 负载具有同等的“*”地位，因此消除零地电压，也就应该同时消除相地电压，这是非常荒谬的结论。从 IT 负载电源的对称性分析，理论上看，零地电压与相地电压一样可达 220V 对 IT负载无影响。六结论零线与地线在在所谓的工频机与高频机内
31、部都是从输入端到输出端直接贯通的，其产生与消除的机理完全一样，都可以使其小于 1V 以下，关键是厂商是否愿意投入这样做。不管在 UPS 输出端还是在楼层配电输出端采取什么样的降低零地电压的措施，都无法保证机柜 IT 负载输入端的零地电压满足小于 1V 的要求，而 IT 负载端的零地电压高低才是最可能引发前言中提到的“5 大被忽悠的致命问题”的根源。任何仅保证 UPS 输出端或在楼层配电端加隔离变压器来实现零地电压小于 1V 的做法都不过是自欺欺人的自我安慰而已。通过对 IT 负载电源 4 大变换级中的高频变压器变换级的分析，及“零地电压”与“ 相地电压” 的技术比较，尽管对 IT 负载的正常工作而言，零地电压可达 220V 对 IT 负载无影响，但是综合中国电信的测试数据，笔直认为 20V 以下的零地电压对现代 IT 负载不会有任何影响（但需要关注此时的相地电压是否正常）。因此，本文的最后笔直建议数据机房用户应科学地看待零地电压及其大小问题，走出零地电压的技术误区，以避免无谓的浪费和对整个机房电源系统可靠性的损害。参考文献：1.零地电压对数据通信设备影响的分析，谢琦 余平放 郑啸
