西安電源科技有限公司(ups不間斷電源郭工13572203776，15029900325)科學(xué)地認(rèn)識(shí)ups不間斷電源數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問題APC UPS電源SUA3000UXICH工程師：
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APC UPS電源SUA3000UXICH科學(xué)地認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)機(jī)房UPS電源的“零地電壓”問題
零地電壓的產(chǎn)生機(jī)理
在380V交流供電系統(tǒng)里，由于線路保護(hù)的需要，通常將三相四線制的中心點(diǎn)通過接地裝置直接接地。圖1所示為當(dāng)前數(shù)據(jù)機(jī)房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖，系統(tǒng)中通常配置一臺(tái)或數(shù)臺(tái)10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側(cè)的中心點(diǎn)通過接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點(diǎn)。
從變壓器到各IT負(fù)載之間，為了安全運(yùn)行和維護(hù)管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級(jí)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(fā)電機(jī)切換后輸入），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柜（也有將樓層配電與列頭柜合而為一的），然后單相接入機(jī)架PDU對(duì)IT負(fù)載進(jìn)行供電。
這樣，從變壓器的二次側(cè)接地點(diǎn)G到IT負(fù)載的零線輸入點(diǎn)N之間，有很長(zhǎng)的輸電距離，當(dāng)負(fù)載投入運(yùn)行后，由于電網(wǎng)三相電壓、相位的不對(duì)稱性、各級(jí)配電母線各相負(fù)載的不對(duì)稱性以及各單相負(fù)載的非線性特性等因數(shù)的存在，就會(huì)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(diǎn)G，由于線路阻抗的存在，流過零線的電流就在零線的各點(diǎn)產(chǎn)生了相對(duì)于參考點(diǎn)G的電壓差，這就是所謂的“零地電壓”。零地電壓從本質(zhì)上來說，它與其它電壓沒有任何特別的地方，只是零線上的電壓降。
由于各級(jí)配電母線到變壓器接地點(diǎn)G的線路阻抗不同，每一級(jí)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(diǎn)，如圖1所示。不過數(shù)據(jù)機(jī)房用戶通常關(guān)心下列幾個(gè)零地電壓點(diǎn)：
1、   UPS輸入零地電壓－U N1-G
2、   UPS輸出零地電壓－U N2-G
3、   樓層配電柜輸出零地電壓－U N3-G
但是，對(duì)于IT負(fù)載最為“致命”的IT負(fù)載機(jī)柜端的零地電壓－U N-G往往被忽視。
ups不間斷電源零地電壓對(duì)IT負(fù)載的影響
從前的可見，對(duì)于數(shù)據(jù)機(jī)房IT負(fù)載的實(shí)際輸入端而言，零地電壓就象“”一樣很難xc零，除非在每一個(gè)IT機(jī)柜上再加一隔離變壓器，顯然這是非常荒唐的措施。那么零地地電壓對(duì)IT負(fù)載是否真的有影響呢？
要了解零地電壓對(duì)IT負(fù)載是否有影響，關(guān)鍵的問題是零地電壓是否能真正傳到了IT內(nèi)部的CPU、存儲(chǔ)芯片等核心部件。實(shí)際上，通過IT負(fù)載內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負(fù)載內(nèi)部的電源模塊供電，這一電源模塊的輸出才向IT內(nèi)部的核心部件供電。這樣，零地電壓對(duì)IT負(fù)載的影響問題就簡(jiǎn)單化為零地電壓對(duì)這一電源模塊的輸出影響問題。
當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式，即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。這兩種電源的主電路如圖3所示。
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(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級(jí)變換，{zh1}轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級(jí)變換如下圖所示，分別為：
{dy}級(jí)：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；
第二級(jí)：高頻逆變器，將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百KHZ穩(wěn)壓的高頻交流電；
第三級(jí)：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；
第四級(jí)：高頻整流器，將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。
ups不間斷電源零地電壓在IT電源內(nèi)的傳播途徑
從上圖可見，具有數(shù)伏零地電壓的220V交流電，進(jìn)入IT負(fù)載的電源后，從{dy}到第二級(jí)，也許我們還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡，但是經(jīng)過第三級(jí)后，由于變壓器的隔離作用，這一共模電壓在變壓器的二次側(cè)被cdxc，后面的電路已經(jīng)沒有了零線，只有直流的正、負(fù)極，所以也就不再存在所謂的零地電壓及產(chǎn)生的干擾。此外，無論是ATX還是SSI電源，都在其輸入端設(shè)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{dy}級(jí)以外。
可見，零地電壓進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后，從傳播途徑看，經(jīng)共軛電抗器抑制后，終結(jié)于內(nèi)部變壓器的前端，根本達(dá)不到真正的IT內(nèi)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(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)造成任何影響。
有必要指出的是IT負(fù)載電源輸出的12V直流電壓，就是經(jīng)第三級(jí)高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達(dá)50KHZ~150KHZ，遠(yuǎn)高于高頻機(jī)UPS的變換頻率，所以高頻變換是IT電源自身的根本，IT負(fù)載不懼怕“高頻”。
ups不間斷電源“零地電壓”與“相地電壓”
“零地電壓”已經(jīng)廣為人知，而“相地電壓”的概念卻似乎有點(diǎn)好笑。但是，如果我們能簡(jiǎn)單地一下相線和零線在IT負(fù)載內(nèi)部的傳播途徑，我們就會(huì)得出非常驚奇的結(jié)果。由于ATX和SSI的變換結(jié)構(gòu)幾乎相同，所以我們以SSI制式電源為例來說明。
具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進(jìn)入IT負(fù)載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)第二級(jí)的整流后，相線L與第三級(jí)高頻逆變器的正母線連通，而零線N則與負(fù)母線連通，見圖4(a)；而在輸入電源的負(fù)半周，則剛好相反，零線N與正母線連通，而相線L則與負(fù)母線連通，見圖4(b)。
由此可見，在IT負(fù)載的第二級(jí)后，相線與零線具有wq相同的功能與流通線路。這樣，如果“零地電壓”高將影響IT負(fù)載的正常運(yùn)行，那無疑“相地電壓”高也會(huì)對(duì)IT負(fù)載產(chǎn)生致命的影響。而零地電壓我們可以通過技術(shù)手段讓它小于1V甚至等于0V，但是，如果我們讓相地電壓也控制到小于1V以下的話，那么IT負(fù)載的輸入就沒電了，數(shù)據(jù)機(jī)房也就直接了。因此，從這一反例也可看出，強(qiáng)調(diào)零地電壓小于1V是一個(gè)荒謬的概念！
ups不間斷電源這一電路的交流輸入部分，還可以得出一個(gè)更有趣的結(jié)果，ups不間斷電源由于輸入電路的wq對(duì)稱性，如果我們讓“零地電壓”等于AC 220V，而讓“相地電壓”等于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(fù)載的安全零地電壓應(yīng)為AC 220V，ups不間斷電源問題是這時(shí)如果相地電壓也等于220V的話，輸入IT負(fù)載的相零電壓就等于0V或440V了， IT負(fù)載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故！如果我們能設(shè)計(jì)一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220V的“特殊UPS”向IT負(fù)載供電，則IT負(fù)載將不受任何影響。