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摘要：零地電壓一直是數(shù)據(jù)機房中一個頗有爭議的問題。一方是服務(wù)器設(shè)備商和機房維護人員，認為零地電壓對機房設(shè)備正常運行影響重大，需要將機房零地電壓控制在2V甚至1V以下，該觀點基于“案例”說，認為機房設(shè)備在零地電壓高時服務(wù)器容易死機、通訊設(shè)備運行緩慢、通訊速度下降，而把零地電壓降到合理水平以后，上述現(xiàn)象恢復(fù)正常。

零地電壓一直是數(shù)據(jù)機房中一個頗有爭議的問題。一方是服務(wù)器設(shè)備商和機房維護人員，認為零地電壓對機房設(shè)備正常運行影響重大，需要將機房零地電壓控制在2V甚至1V以下，該觀點基于“案例”說，認為機房設(shè)備在零地電壓高時服務(wù)器容易死機、通訊設(shè)備運行緩慢、通訊速度下降，而把零地電壓降到合理水平以后，上述現(xiàn)象恢復(fù)正常。另外一方是電源設(shè)備商及電源專家，認為零地電壓對機房設(shè)備無直接影響，只需要保證零地電壓在10V以下即可，該觀點基于“推理”說，即從電路邏輯上推理，零地電壓對負載不存在影響路徑。本文試圖在前人的研究基礎(chǔ)上，系統(tǒng)性的找出零地電壓與機房設(shè)備之間的關(guān)系，并給出建議。

　　1、零地電壓產(chǎn)生的原因

　　在解釋零地電壓的原因之前，先澄清一個問題：線路阻抗對高頻電流和低頻電流的影響。

　　圖一：線路電阻與感抗

　　以一臺200K、開關(guān)頻率為6kHz的UPS為例，相電流300A，輸入用AWG 3/0線纜，典型長度為50m，N線和PE線線徑加倍，則N線線纜電阻為0.0021Ω，線路感抗約10uH。為簡化運算，把工頻電流、工頻電壓、工頻阻抗和高頻電流、高頻電壓、高頻阻抗解耦。從表一可以看出，如果是工頻電流，需要476A的電流才能在N線上產(chǎn)生1V的工頻壓降，如果N線工頻電流是相電流的1/3，100A，則只產(chǎn)生約0.2V的壓降，而如果N線上是24k的高頻電流，則只需要660mA電流就可以產(chǎn)生1V的高頻壓降。

表一：線路阻抗對高頻電流和低頻電流的影響

　　在接線規(guī)范的情況下，從上面的計算可以看出，對于小于1/3相電流的N線工頻電流，或小于1/10相電流的N線三次諧波電流，對線路壓降影響很小，可以忽略;而對于開關(guān)頻率級別的高頻電流，或者是開關(guān)頻率倍頻的高頻電流，即使是很小的電流也會對線路壓降產(chǎn)生較大的影響。

　　下面分析TN-S系統(tǒng)中的UPS零地電壓。

　　圖二：TN-S系統(tǒng)中，UPS零地電壓圖

　　RAO、RBA、RCB分別為AO、BA、CB段N線(零線)阻抗

　　ROX、RXY、RYZ分別為OX、XY、YZ段PE線(地線)阻抗

　　VAO=i1*RAO VBA=i2*RBA VCB=i3*RCB

　　VOX=i4*ROX VXY=i5*RXY VYZ=i6*RYZ

　　負載側(cè)的零地電壓VCZ= VAO +VBA +VCB +VOX +VXY +VYZ

　　= i1*RAO +i2*RBA +i3*RCB +i4*ROX +i5*RXY +i6*RYZ

　　可以看出，負載側(cè)的零地電壓與零地線阻抗以及零地線電流相關(guān)。下面詳細介紹各部分線路的影響

1)、OA段。

　　i1為隔離變壓器到UPS之間的N線電流，包括輸入三相不平衡在N線上形成的工頻電流，以及三相高頻紋波電流在N線上形成的高頻電流。當前的三相UPS，輸入三相電流一般都是平衡的，N線工頻電流極小，小于相電流的5%，根據(jù)前面的分析，該數(shù)量級的工頻電流對N線壓降影響極小，可以忽略，而高頻電流則不能忽略。對于UPS輸入來說，高頻N線電流為N線壓降的主要影響因素。

　　圖三是某高頻UPS的輸入電流圖，波形上呈正弦，但包含開關(guān)頻率的高頻紋波，三相高頻紋波無法抵消，在N線上形成高頻電流。

　　圖三：某UPS輸入電流圖

　　2)、AB段

　　i2同樣包括UPS輸出的工頻N線電流、三次諧波電流和高頻N線電流，高頻N線電流對N線壓降的影響不能忽略，而對于工頻電流和三次諧波電流，還是以上述200K的UPS為例說明。在三相負載不平衡的情況下，工頻N線電流最大可達相電流，300A，帶非線性負載時，N線三次諧波電流可能達到相電流的兩倍，約600A，可見UPS輸出N線電流中的工頻成分和三次諧波成分均對N線壓降有影響。即，對于AB段線路來說，N線工頻電流(包括三次諧波電流)和高頻電流均對N線壓降有較大影響。

　　3)、BC段

　　BC段的N線工頻電流等于相電流，因此BC段與AB段相似，N線工頻電流和高頻電流均對N線壓降有較大影響。

　　4)、OX、 XY、YZ段

　　i4、i5、i6主要是UPS、ICT設(shè)備內(nèi)對PE的Y電容電流及其它漏電流，安規(guī)一般要求電源漏電流小于3.5mA，但大多數(shù)電源均為大漏電流設(shè)備，漏電流均大于3.5mA，運行中甚至達到1A以上。這部分電流主要成分為高頻電流，OX、XY、YZ段地線壓降主要是由高頻漏電流引起。

　　圖四零地電壓產(chǎn)生原因

　　通過上面的分析，上圖畫出了零地電壓的產(chǎn)生原因，i1~i6及對應(yīng)的線路阻抗是產(chǎn)生零地電壓的原因。

　　2、零地電壓對ICT設(shè)備的影響

　　過高的零地電壓對負載EMI電路構(gòu)成一定威脅，可能導(dǎo)致EMI電路燒毀，這出現(xiàn)在零地電壓極端惡劣、足夠擊穿Y電容的情況下。那么20V以下的零地電壓是否對ICT負載有影響呢?

　　圖五：電源輸入紋波對ICT負載的影響

　　圖五為ICT設(shè)備典型圖實際中，由于抗干擾性和EMC考慮，絕大部分ICT電源的12V地是接大地(PE)的，這樣PE擾動就會影響ICT設(shè)備。如圖五，火線和N線的高頻電流紋波通過Y電容和寄生阻抗耦合到地平面上，地平面有一定的感抗，各設(shè)備的地平面就會感應(yīng)出高頻擾動，該高頻擾動會影響DSP及通訊線路，造成DSP容易宕機、通訊誤碼率上升。另外，設(shè)備間的地平面也有一定的感抗，這樣各設(shè)備間不同的高頻電流就會造成兩臺設(shè)備之間的地壓差，這會引起地線環(huán)流，同樣會影響通訊線路。

　　值得一提的是，地平面的工頻波動對ICT設(shè)備的影響并不大，大部分ICT機房的地平面都是由高架地板形成，電阻(對應(yīng)工頻阻抗)極小，但寄生電感與線路包圍的面積相關(guān)，感值在uH級別，對高頻電流有較大影響。因此，在圖四線路中，僅i5、i6的高頻波動對ICT設(shè)備會產(chǎn)生一定影響，其余i1~i4產(chǎn)生的零地電壓對ICT設(shè)備并沒有什么影響。

3、高頻機與工頻機零地電壓對ICT設(shè)備的影響對比

　　上文已經(jīng)分析了，在上圖的系統(tǒng)中，僅有i5、i6的高頻波動會對ICT設(shè)備產(chǎn)生一定影響。那么工頻機與高頻機到底在零地電壓上有什么區(qū)別?

　　從圖六(下一頁)可以看出，工頻機帶輸出隔離變壓器，輸入N接在隔離變壓器中性點處，這樣輸入N就不含工頻及高頻成分(實際上，UPS輸出N的高頻成分還是會耦合到輸入N上，但含量極小，忽略之)，其他地方的零地電壓與高頻機相同。即工頻機零地電壓主要由i2~i6及對應(yīng)的線路阻抗決定，而高頻機零地電壓由i1~i6及對應(yīng)的線路阻抗決定，所以，相同情況下，大部分工頻機測量出來的零地電壓比高頻機低，尤其是在測量點為A、X的時候。

　　根據(jù)前面的結(jié)論，零地電壓并不直接影響ICT負載，只有圖六中的i5、i6會影響ICT負載正常運行。而工頻機和高頻機的i5、i6及線路阻抗并沒有區(qū)別，因此工頻機和高頻機對ICT負載的影響機理是相同的，沒有優(yōu)劣之分。

　　圖六高頻機與工頻機l零地電壓區(qū)別

　　UPS輸出線上(即負載電源輸入線)的高頻紋波對i5、i6有直接影響，有些高頻機廠商為了降低成本，濾波電感小，輸出電壓高頻紋波濾除不徹底，導(dǎo)致高頻機在機房產(chǎn)生干擾問題，但從原理上看，工頻機由輸出隔離變壓器的漏感充當濾波電感，一樣存在高頻紋波濾除不徹底的問題。因此工頻機與高頻機零地電壓對機房的影響沒有區(qū)別。

　　4、配電系統(tǒng)與零地電壓的關(guān)系

　　以上的分析主要是基于TN-S系統(tǒng)，這是國內(nèi)數(shù)據(jù)機房最普遍的配電系統(tǒng)，實際上，對于國外或者一些縣局單位，還會用到其他配電系統(tǒng)，而其他配電系統(tǒng)中的零地電壓與TN-S系統(tǒng)中的零地電壓，不管是產(chǎn)生原因還是影響，都不盡相同。

　　根據(jù)IEC及GB定義，一共分為IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五種配電系統(tǒng)，其中TN-C-S是TN-C、TN-S兩種的綜合體，不單獨分析。

　　a).IT系統(tǒng)

　　IT系統(tǒng)中，UPS設(shè)備外殼直接接地，而電源中性點不接地或高阻接地，不建議設(shè)中線，對于有中線的IT系統(tǒng)由于N和PE之間高阻，因此可能存在幾V或者十幾V的零地電壓。

　　圖七 IT系統(tǒng)

　　b).TT系統(tǒng)

　　TT系統(tǒng)中，電源中性點接地，設(shè) 備外殼也接地，兩個接地點沒有電氣連接。國內(nèi)很多小的通信局使用這種配電系統(tǒng)，而實際中，由于設(shè)備外殼接地不規(guī)范或者沒有可靠接地，設(shè)備零地電壓達到幾十上百V，但這么高的零地電壓除了對EMC電路有直接破壞風險以外，并沒有造成設(shè)備異常。

　　圖八 TT系統(tǒng)

　　TN-C系統(tǒng)中，N和PE共用一根線，因此零地電壓為0。

　　北美中大數(shù)據(jù)機房均為480V的TN-C系統(tǒng)，而機房負載又是120V單相電源輸入，因此需要在列頭柜加降壓隔離變壓器，同時，該隔離變壓器會把TN-C系統(tǒng)變?yōu)門N-S系統(tǒng)，這種架構(gòu)中的負載由于離隔離變壓器近，基本上沒有零地電壓問題。

　　TN-S系統(tǒng)是國內(nèi)機房最常見的配電系統(tǒng)，前文已經(jīng)做了具體分析，這里不再贅述。

　　圖九 TN-C系統(tǒng)

5、零地電壓的誤區(qū)與建議

　　通過前文的分析，可以看到目前對零地電壓的一些誤區(qū)：

　　誤區(qū)一：用零地電壓作為評判UPS對設(shè)備影響的一項標準指標。零地電壓由UPS輸入前和輸入后的零地電流和阻抗決定，其中只有UPS輸入后的地線電流和阻抗對負載有影響，零地電壓可以作為參考，但用零地電壓作為評判UPS對設(shè)備影響程度的標準指標是不科學的。另外，不同配電系統(tǒng)的零地電壓不一樣，如IT系統(tǒng)，本身就存在一定的零地電壓，但對機房并沒有影響。對于因配電系統(tǒng)、UPS輸入側(cè)零地線導(dǎo)致的零地電壓，影響較小，只要低于10V，可以正常使用。

　　誤區(qū)二：認為工頻機零地電壓小，對機房影響小。實際上，對于真正影響負載的地平面高頻電流，工頻機和高頻機是一樣的，沒有區(qū)別。目前大多數(shù)高頻機的零地電壓均在2V以下。

　　對于數(shù)據(jù)機房，在<<零地電壓對數(shù)據(jù)通信設(shè)備的影響分析>>一文中，華為與中國電信公司的聯(lián)合試驗結(jié)果表明，服務(wù)器、通訊設(shè)備對地地電壓的抗干擾水平在2.5V以上，對零地電壓的抗干擾水平在15V以上。

　　綜合之前的分析，建議：

　　1、零地電壓低于10V，可以認為無影響;

　　2、如零地電壓高于10V，則檢查設(shè)備間的地地電壓，如果地地電壓低于2V，則可以認為影響小。

　　3、如零地電壓高于10V，且設(shè)備間地地電壓也高于2V，則需要整改機房，將地地電壓控制在2V以下。在列頭柜加裝隔離變壓器，可以再造一個接地系統(tǒng)，將零地電壓降到0V，隔離變壓器的漏感客觀上對電壓起到了濾波作用，一般電壓高頻紋波可以被濾除得比較干凈了，這確實可以減小對機房設(shè)備的干擾。列頭柜加隔離變壓器是一種方式，加濾波電感也是一種經(jīng)濟的方式。

　　6、華為UPS抑制零地電壓的措施

　　10V以下的零地電壓對機房并無影響，但很多客戶一直將信將疑，為了消除客戶的疑慮，我們做了一些措施來降低零地電壓。