- 1 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(一)：UPS架構(gòu)的發(fā)展
- 2 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(二)：如何選用模塊化UPS
- 3 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(三)：如何提升UPS效率
- 4 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(四)：零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)
- 5 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(五)：隔離變壓器在UPS中的作用
- 6 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(六)：數(shù)據(jù)中心常見(jiàn)的供配電接地系統(tǒng)
- 7 數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(七)：如何為數(shù)據(jù)中心精密空調(diào)選擇合適的UPS
數(shù)據(jù)中心能源白皮書(shū)(四)：零地電壓的產(chǎn)生與誤區(qū)
- 2018-06-11 21:59:55
- Amber
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- 最后編輯：Amber 于 2018-06-11 23:00:06
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零地電壓一直是數(shù)據(jù)機(jī)房中一個(gè)頗有爭(zhēng)議的問(wèn)題。一方是服務(wù)器設(shè)備商和機(jī)房維護(hù)人員，認(rèn)為零地電壓對(duì)機(jī)房設(shè)備正常運(yùn)行影響重大，需要將機(jī)房零地電壓控制在2V甚至1V以下，該觀點(diǎn)基于“案例”說(shuō)，認(rèn)為機(jī)房設(shè)備在零地電壓高時(shí)服務(wù)器容易死機(jī)、通訊設(shè)備運(yùn)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(rèn)為零地電壓對(duì)機(jī)房設(shè)備無(wú)直接影響，只需要保證零地電壓在10V以下即可，該觀點(diǎn)基于“推理”說(shuō)，即從電路邏輯上推理，零地電壓對(duì)負(fù)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(jī)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(gè)問(wèn)題：線路阻抗對(duì)高頻電流和低頻電流的影響。
圖一：線路電阻與感抗
以一臺(tái)200K、開(kāi)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(zhǎng)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(jiǎn)化運(yùn)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(duì)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(jì)算可以看出，對(duì)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(duì)線路壓降影響很小，可以忽略;而對(duì)于開(kāi)關(guān)頻率級(jí)別的高頻電流，或者是開(kāi)關(guān)頻率倍頻的高頻電流，即使是很小的電流也會(huì)對(duì)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(fù)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(fù)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(xì)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(dāng)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(jí)的工頻電流對(duì)N線壓降影響極小，可以忽略，而高頻電流則不能忽略。對(duì)于UPS輸入來(lái)說(shuō)，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(kāi)關(guān)頻率的高頻紋波，三相高頻紋波無(wú)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(duì)N線壓降的影響不能忽略，而對(duì)于工頻電流和三次諧波電流，還是以上述200K的UPS為例說(shuō)明。在三相負(fù)載不平衡的情況下，工頻N線電流最大可達(dá)相電流，300A，帶非線性負(fù)載時(shí)，N線三次諧波電流可能達(dá)到相電流的兩倍，約600A，可見(jiàn)UPS輸出N線電流中的工頻成分和三次諧波成分均對(duì)N線壓降有影響。即，對(duì)于AB段線路來(lái)說(shuō)，N線工頻電流(包括三次諧波電流)和高頻電流均對(duì)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(duì)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(duì)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(yùn)行中甚至達(dá)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(guò)上面的分析，上圖畫(huà)出了零地電壓的產(chǎn)生原因，i1~i6及對(duì)應(yīng)的線路阻抗是產(chǎn)生零地電壓的原因。
2、零地電壓對(duì)ICT設(shè)備的影響
過(guò)高的零地電壓對(duì)負(fù)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(duì)ICT負(fù)載有影響呢?
圖五： 電源輸入紋波對(duì)ICT負(fù)載的影響
圖五為ICT設(shè)備典型圖實(shí)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(dòng)就會(huì)影響ICT設(shè)備。如圖五，火線和N線的高頻電流紋波通過(guò)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(huì)感應(yīng)出高頻擾動(dòng)，該高頻擾動(dòng)會(huì)影響DSP及通訊線路，造成DSP容易宕機(jī)、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(huì)造成兩臺(tái)設(shè)備之間的地壓差，這會(huì)引起地線環(huán)流，同樣會(huì)影響通訊線路。
值得一提的是，地平面的工頻波動(dòng)對(duì)ICT設(shè)備的影響并不大，大部分ICT機(jī)房的地平面都是由高架地板形成，電阻(對(duì)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(jí)別，對(duì)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(dòng)對(duì)ICT設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定影響，其余i1~i4產(chǎn)生的零地電壓對(duì)ICT設(shè)備并沒(méi)有什么影響。
3、高頻機(jī)與工頻機(jī)零地電壓對(duì)ICT設(shè)備的影響對(duì)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(dòng)會(huì)對(duì)ICT設(shè)備產(chǎn)生一定影響。那么工頻機(jī)與高頻機(jī)到底在零地電壓上有什么區(qū)別?
從圖六(下一頁(yè))可以看出，工頻機(jī)帶輸出隔離變壓器，輸入N接在隔離變壓器中性點(diǎn)處，這樣輸入N就不含工頻及高頻成分(實(shí)際上，UPS輸出N的高頻成分還是會(huì)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(jī)相同。即工頻機(jī)零地電壓主要由i2~i6及對(duì)應(yīng)的線路阻抗決定，而高頻機(jī)零地電壓由i1~i6及對(duì)應(yīng)的線路阻抗決定，所以，相同情況下，大部分工頻機(jī)測(cè)量出來(lái)的零地電壓比高頻機(jī)低，尤其是在測(cè)量點(diǎn)為A、X的時(shí)候。
根據(jù)前面的結(jié)論，零地電壓并不直接影響ICT負(fù)載，只有圖六中的i5、i6會(huì)影響ICT負(fù)載正常運(yùn)行。而工頻機(jī)和高頻機(jī)的i5、i6及線路阻抗并沒(méi)有區(qū)別，因此工頻機(jī)和高頻機(jī)對(duì)ICT負(fù)載的影響機(jī)理是相同的，沒(méi)有優(yōu)劣之分。
圖六 高頻機(jī)與工頻機(jī)l零地電壓區(qū)別
UPS輸出線上(即負(fù)載電源輸入線)的高頻紋波對(duì)i5、i6有直接影響，有些高頻機(jī)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(jī)在機(jī)房產(chǎn)生干擾問(wèn)題，但從原理上看，工頻機(jī)由輸出隔離變壓器的漏感充當(dāng)濾波電感，一樣存在高頻紋波濾除不徹底的問(wèn)題。因此工頻機(jī)與高頻機(jī)零地電壓對(duì)機(jī)房的影響沒(méi)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(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)機(jī)房最普遍的配電系統(tǒng)，實(shí)際上，對(duì)于國(guó)外或者一些縣局單位，還會(huì)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(dú)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(diǎn)不接地或高阻接地，不建議設(shè)中線，對(duì)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(diǎn)接地，設(shè) 備外殼也接地，兩個(gè)接地點(diǎn)沒(méi)有電氣連接。國(guó)內(nèi)很多小的通信局使用這種配電系統(tǒng)，而實(shí)際中，由于設(shè)備外殼接地不規(guī)范或者沒(méi)有可靠接地，設(shè)備零地電壓達(dá)到幾十上百V，但這么高的零地電壓除了對(duì)EMC電路有直接破壞風(fēng)險(xiǎn)以外，并沒(méi)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(jī)房均為480V的TN-C系統(tǒng)，而機(jī)房負(fù)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(shí)，該隔離變壓器會(huì)把TN-C系統(tǒng)變?yōu)門(mén)N-S系統(tǒng)，這種架構(gòu)中的負(fù)載由于離隔離變壓器近，基本上沒(méi)有零地電壓?jiǎn)栴}。
TN-S系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)機(jī)房最常見(jiàn)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(guò)前文的分析，可以看到目前對(duì)零地電壓的一些誤區(qū)：
誤區(qū)一：用零地電壓作為評(píng)判UPS對(duì)設(shè)備影響的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)。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(duì)負(fù)載有影響，零地電壓可以作為參考，但用零地電壓作為評(píng)判UPS對(duì)設(shè)備影響程度的標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)是不科學(xué)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(duì)機(jī)房并沒(méi)有影響。對(duì)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(rèn)為工頻機(jī)零地電壓小，對(duì)機(jī)房影響小。實(shí)際上，對(duì)于真正影響負(fù)載的地平面高頻電流，工頻機(jī)和高頻機(jī)是一樣的，沒(méi)有區(qū)別。目前大多數(shù)高頻機(jī)的零地電壓均在2V以下。
對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房，在<<零地電壓對(duì)數(shù)據(jù)通信設(shè)備的影響分析>>一文中，華為與中國(guó)電信公司的聯(lián)合試驗(yàn)結(jié)果表明，服務(wù)器、通訊設(shè)備對(duì)地地電壓的抗干擾水平在2.5V以上，對(duì)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(rèn)為無(wú)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(rèn)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(jī)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(gè)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(duì)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(shí)可以減小對(duì)機(jī)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(jì)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(duì)機(jī)房并無(wú)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(lái)降低零地電壓。
圖十 華為UPS
a).UPS三相輸入電流大小一致，即使三相輸入電壓不平衡，通過(guò)軟件控制，三相工頻電流大小也一致，三相錯(cuò)120°以后，N線工頻電流為0，降低i1中的工頻電流;
b).輸入三相載波錯(cuò)相120°，降低輸入N線的高頻電流;
c).提高開(kāi)關(guān)頻率，增大UPS內(nèi)部濾波環(huán)節(jié)，降低輸入電流和輸出電壓的高頻紋波，降低N線高頻電流;
d).合理控制UPS內(nèi)部對(duì)地電容和對(duì)地漏電流，降低UPS輸入地線電流;
e).在機(jī)房建設(shè)中，合理分配三相負(fù)載電流，降低輸出N線的工頻電流;合理布置N線和PE線線徑，降低N線和PE線阻抗，盡量保證N線和PE線一起走線，降低線路漏感。
說(shuō)明
1、IBM公司的服務(wù)器對(duì)機(jī)房零地電壓有低于2V的要求，后經(jīng)澄清，該措施是用于檢查N線是否接好。
2、2008年版的機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范，<
附1：華為UPS零地電壓測(cè)試數(shù)據(jù)
下表是華為高頻UPS的零地電壓測(cè)試數(shù)據(jù)，在市電模式、電池模式，各種負(fù)載條件下，UPS零地電壓均小于2V。
