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零地电压的产生

服务器设备商和机房维护人员,认为零地电压对机房设备正常运行影响重大,需要将机房零地电压控制在2V甚至1V以下,该观点基于“案例”说,认为机房设备在零地电压高时,服务器容易死机、通讯设备运行缓慢、通讯速度下降,而把零地电压降到合理水平以后,上述现象恢复正常。另外一方是电源设备商及电源专家,认为零地电压对机房设备无直接影响,只需要保证零地电压在10V以下即可,该观点基于“推理”说,即从电路逻辑上推理,零地电压对负载不存在影响路径。文中试图在前人的研究基础上,系统性地找出零地电压与机房设备之间的关系,并给出建议。
  
  1 零地电压产生的原因
  
  在解释零地电压产生的原因之前,先澄清一个问题:线路阻抗对高频电流和低频电流的影响。图1给出了线路电阻和感抗的示意图。
  
  以一台200kVA、开关频率为6kHz的UPS为例,相电流300A,输入用AWG3/0线缆,典型长度为50m,N线和PE线线径加倍,则N线线缆电阻为0.0021Ω,线路电感约10μH。为简化运算,把工频电流、工频电压、工频阻抗和高频电流、高频电压、高频阻抗解耦。从表1可以看出,如果是工频电流,需要476A的电流才能在N线上产生1V的工频压降,如果N线工频电流是相电流的1/3(100A),则只产生约0.2V的压降,而如果N线上是24kHz的高频电流,则只需要660mA电流就可以产生1V的高频压降。
  
  在接线规范的情况下,从上面的计算可以看出,对于小于1/3相电流的N线工频电流,或小于1/10相电流的N线三次谐波电流,对线路压降影响很小,可以忽略;而对于开关频率级别的高频电流,或者是开关频率倍频的高频电流,即使是很小的电流也会对线路压降产生较大的影响。
  
  下面分析TN-S系统中的UPS零地电压。
  

图2中,设RAO、RBA、RCB分别为AO、BA、CB段N线(零线)阻抗;
  
  ROX、RXY、RYZ分别为OX、XY、YZ段PE线(地线)阻抗。
  
    
  负载侧的零地电压

  
  可以看出,负载侧的零地电压与零地线阻抗以及零地线电流相关。下面详细介绍各部分线路的影响。
  
  (1)AO段
  
  i1为隔离变压器到UPS之间的N线电流,包括输入三相不平衡在N线上形成的工频电流,以及三相高频纹波电流在N线上形成的高频电流。当前的三相UPS,输入三相电流一般都是平衡的,N线工频电流极小,小于相电流的5%。根据前面的分析,该数量级的工频电流对N线压降影响极小,可以忽略。而高频电流则不能忽略。对于UPS输入来说,高频N线电流为N线压降的主要影响因素。
  
  图3是某高频UPS的输入电流图,波形为正弦波,但包含开关频率的高频纹波,三相高频纹波无法抵消,在N线上形成高频电流。
  
  (2)BA段
  
  i2同样包括UPS输出的工频N线电流、三次谐波电流和高频N线电流,高频N线电流对N线压降的影响不能忽略,而对于工频电流和三次谐波电流,还是以上述200kVA的UPS为例说明。在三相负载不平衡的情况下,工频N线电流最大可达相电流300A,带非线性负载时,N线三次谐波电流可能达到相电流的两倍,约600A,可见UPS输出N线电流中的工频成分和三次谐波成分均对N线压降有影响。即,对于BA段线路来说,N线工频电流(包括三次谐波电流)和高频电流均对N线压降有较大影响。
  
  (3)CB段
  
  CB段的N线工频电流等于相电流,因此CB段与BA段相似,N线工频电流和高频电流均对N线压降有较大影响。
  
  (4)OX、XY、YZ段
  
  i4、i5、i6主要是UPS、ICT设备内对PE的Y电容电流及其它漏电流,安规一般要求电源漏电流小于3.5mA,但大多数电源均为大漏电流设备,漏电流均大于3.5mA,运行中甚至达到1A以上。这部分电流主要成分为高频电流,OX、XY、YZ段地线压降主要是由高频漏电流引起。
  
  通过上面的分析,图4画出了零地电压的产生原因,i1~i6及对应的线路阻抗是产生零地电压的原因。
  
  2 零地电压对ICT设备的影响
  
  过高的零地电压对负载EMI电路构成一定威胁,可能导致EMI电路烧毁,这出现在零地电压极端恶劣、足够击穿Y电容的情况下。那么20V以下的零地电压是否对ICT负载有影响呢?
  
  图5为ICT设备典型图。实际应用中,由于抗*性和EMC考虑,绝大部分ICT电源的12V地是接大地(PE)的,这样PE扰动就会影响ICT设备。如图5,火线和N线的高频电流纹波通过Y电容和寄生阻抗耦合到地平面上,地平面有一定的感抗,各设备的地平面就会感应出高频扰动,该高频扰动会影响DSP及通讯线路,造成DSP容易宕机、通讯误码率上升。另外,设备间的地平面也有一定的感抗,这样各设备间不同的高频电流就会造成两台设备之间的地电压差,这会引起地线环流,同样会影响通讯线路。值得一提的是,地平面的工频波动对ICT设备的影响并不大,大部分ICT机房的地平面都是由高架地板形成,电阻(对应工频阻抗)极小,但寄生电感与线路包围的面积相关,感值在μH级别,对高频电流有较大影响。因此,在图4线路中,仅i5、i6的高频波动对ICT设备会产生一定影响,其余i1~i4产生的零地电压对ICT设备并没有什么影响。
  
  3 高频机与工频机零地电压对ICT设备的影响对比(15210555909QQ1101125754任经理)
  
    在上面分析的系统中,仅有i5、i6的高频波动会对ICT设备产生一定影响。那么工频机与高频机到底在零地电压上有什么区别?
  
  从图6可以看出,工频机带输出隔离变压器,输入N接在隔离变压器中性点处,这样输入N就不含工频及高频成分(实际上,UPS输出N的高频成分还是会耦合到输入N上,但含量极小,可忽略),其它地方的零地电压与高频机相同。即工频机零地电压主要由i2~i6及对应的线路阻抗决定,而高频机零地电压由i5~i6及对应的线路阻抗决定,所以,相同情况下,大部分工频机测量出来的零地电压比高频机低,尤其是在测量点为A、X的时候。
  
  根据前面的结论,零地电压并不直接影响ICT负载,只有图6中的i5、i6会影响ICT负载正常运行。而工频机和高频机的i5、i6及线路阻抗并没有区别,因此工频机和高频机对ICT负载的影响机理是相同的,没有优劣之分。
  
  UPS输出线上(即负载电源输入线)的高频纹波对i5、i6有直接影响,有些高频机厂商为了降低成本,用小滤波电感,输出电压高频纹波滤除不彻底,导致高频机在机房产生*问题,但从原理上看,工频机由输出隔离变压器的漏感充当滤波电感,一样存在高频纹波滤除不彻底的问题。因此工频机与高频机零地电压对机房的影响没有区别。
  
  4 配电系统与零地电压的关系
  
  以上的分析主要是基于TN-S系统,这是国内数据机房最普遍的配电系统,实际上,对于国外或者一些县局单位,还会用到其他配电系统,而其他配电系统中的零地电压与TN-S系统中的零地电压,不管是产生原因还是影响,都不尽相同。
  
  根据IEC及GB定义,一共分为IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五种配电系统,其中TN-C-S是TN-C、TN-S两种的综合体,不单独分析。
  
  (1)IT系统
  
  IT系统(见图7)中,UPS设备外壳直接接地,而电源中性点不接地或高阻接地,不建议设中线,对于有中线的IT系统,由于N和PE之间高阻,因此可能存在几伏或者十几伏的零地电压。
  
  (2)TT系统
  
  TT系统(见图8)中,电源中性点接地,设备外壳也接地,两个接地点没有电气连接。国内很多小的通信局使用这种配电系统。而实际中,由于设备外壳接地不规范或者没有可靠接地,设备零地电压达到几十伏到上百伏,但这么高的零地电压除了对EMC电路有直接破坏风险以外,并没有造成设备异常。
  
  (3)TN-C系统
  
  TN-C系统(见图9)中,N和PE共用一根线,因此零地电压为0。北美中大数据机房均为480V的TN-C系统,而机房负载又是120V单相电源输入,因此需要在列头柜加降压隔离变压器。同时,该隔离变压器会把TN-C系统变为TN-S系统,这种架构中的负载由于离隔离变压器近,基本上没有零地电压问题。TN-S系统是国内机房最常见的配电系统,前文已经做了具体分析,这里不再赘述。
  
  5 零地电压的误区与建议
  
  通过前文的分析,可以看到目前对零地电压的一些误区:
  
  误区一:用零地电压作为评判UPS对设备影响的一项标准指标零地电压由UPS输入前和输入后的零地电流和阻抗决定,其中只有UPS输入后的地线电流和阻抗对负载有影响,零地电压可以作为参考,但用零地电压作为评判UPS对设备影响程度的标准指标是不科学的。另外,不同配电系统的零地电压不一样,如IT系统,本身就存在一定的零地电压,但对机房并没有影响。对于因配电系统、UPS输入侧零地线导致的零地电压,影响较小,只要低于10V,可以正常使用。
  
  误区二:认为工频机零地电压小,对机房影响小实际上,对于真正影响负载的地平面高频电流,工频机和高频机是一样的,没有区别。目前大多数高频机的零地电压均在2V以下。
  
  对于数据机房,在“零地电压对数据通信设备的影响分析”[1]一文中,华为与中国电信公司的联合试验结果表明,服务器、通讯设备对地地电压的抗*水平在2.5V以上,对零地电压的抗*水平在15V以上。
  
  综合之前的分析,建议:
  
  ①零地电压低于10V,可以认为无影响;
  
  ②如零地电压高于10V,则检查设备间的地地电压,如果地地电压低于2V,则可以认为影响小;
  
  ③如零地电压高于10V,且设备间地地电压也高于2V,则需要整改机房,将地地电压控制在2V以下。在列头柜加装隔离变压器,可以再造一个接地系统,将零地电压降到0V,隔离变压器的漏感客观上对电压起到了滤波作用,一般电压高频纹波可以被滤除得比较干净,这确实可以减小对机房设备的*。列头柜加隔离变压器是一种方式,加滤波电感也是一种经济的方式。
  
  6 华为UPS抑制零地电压的措施
  
  10V以下的零地电压对机房并无影响,但很多客户一直将信将疑,为了消除客户的疑虑,我们采取了一些措施来降低零地电压。
  
  ①UPS三相输入电流大小一致。即使三相输入电压不平衡,通过软件控制,使三相工频电流大小一致,三相错120°以后,N线工频电流为0,降低i1中的工频电流;
  
  ②输入三相载波错相120°,降低输入N线的高频电流;
  
  ③提高开关频率,增大UPS内部滤波环节,降低输入电流和输出电压的高频纹波,降低N线高频电流;
  
  ④合理控制UPS内部对地电容和对地漏电流,降低UPS输入地线电流;
  
  ⑤在机房建设中,合理分配三相负载电流,降低输出N线的工频电流;合理布置N线和PE线线径,降低N线和PE线阻抗,尽量保证N线和PE线一起走线,降低线路漏感。
  
  说明
  
  ①IBM公司的服务器对机房零地电压有低于2V的要求,后经澄清,该措施是用于检查N线是否接好;
  
  ②2008年版的机房设计规范,《GB50174-2008电子信息系统机房设计规范》,有对零地电压小于2V的要求,经多位专家评估零地电压对机房设备的影响后,认为该要求不科学。下一版GB机房设计规范中,该要求将被删除。
  
  表2是华为高频UPS的零地电压测试数据,在市电模式、电池模式,各种负载条件下,UPS零地电压均小于2V。
  

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