西安電源科技有限公司(ups不間斷電源郭工13572203776，15029900325)科學地認識ups不間斷電源數(shù)據(jù)機房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科學地認識數(shù)據(jù)機房UPS電源的“零地電壓”問題
零地電壓的產(chǎn)生機理
在380V交流供電系統(tǒng)里，由于線路保護的需要，通常將三相四線制的中心點通過接地裝置直接接地。圖1所示為當前數(shù)據(jù)機房配電系統(tǒng)的典型構(gòu)架圖，系統(tǒng)中通常配置一臺或數(shù)臺10KV/380V △/Yo變壓器，Yo側(cè)的中心點通過接地網(wǎng)直接接地，如圖1中的G點。
從變壓器到各IT負載之間，為了安全運行和維護管理考慮，通常將這一距離中的線路分成三級配電母線，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），然后單相接入機架PDU對IT負載進行供電。
這樣，從變壓器的二次側(cè)接地點G到IT負載的零線輸入點N之間，有很長的輸電距離，當負載投入運行后，由于電網(wǎng)三相電壓、相位的不對稱性、各級配電母線各相負載的不對稱性以及各單相負載的非線性特性等因數(shù)的存在，就會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G，由于線路阻抗的存在，流過零線的電流就在零線的各點產(chǎn)生了相對于參考點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。
由于各級配電母線到變壓器接地點G的線路阻抗不同，每一級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，如圖1所示。不過數(shù)據(jù)機房用戶通常關(guān)心下列幾個零地電壓點：
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，對于IT負載最為“致命”的IT負載機柜端的零地電壓－U N-G往往被忽視。
ups不間斷電源零地電壓對IT負載的影響
從前的可見，對于數(shù)據(jù)機房IT負載的實際輸入端而言，零地電壓就象“”一樣很難xc零，除非在每一個IT機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IT負載是否真的有影響呢？
要了解零地電壓對IT負載是否有影響，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、存儲芯片等核心部件。實際上，通過IT負載內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負載內(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IT負載的影響問題就簡單化為零地電壓對這一電源模塊的輸出影響問題。
當前IT負載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式，即ATX標準和SSI標準。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交流電進入IT負載內(nèi)部后，都必須經(jīng)四級變換，{zh1}轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換如下圖所示，分別為：
{dy}級：橋式整流器，將220V交流電變?yōu)榧s200~300V的直流電；
第二級：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：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；
第四級：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，進入IT負載的電源后，從{dy}到第二級，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}級以外。
可見，零地電壓進入IT負載內(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數(shù)據(jù)系統(tǒng)造成任何影響。
有必要指出的是IT負載電源輸出的12V直流電壓，就是經(jīng)第三級高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達50KHZ~150KHZ，遠高于高頻機UPS的變換頻率，所以高頻變換是IT電源自身的根本，IT負載不懼怕“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”的概念卻似乎有點好笑。但是，如果我們能簡單地一下相線和零線在IT負載內(nèi)部的傳播途徑，我們就會得出非常驚奇的結(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電壓進入IT負載的電源后，在輸入電源的正半周，經(jīng)第二級的整流后，相線L與第三級高頻逆變器的正母線連通，而零線N則與負母線連通，見圖4(a)；而在輸入電源的負半周，則剛好相反，零線N與正母線連通，而相線L則與負母線連通，見圖4(b)。
由此可見，在IT負載的第二級后，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負載的正常運行，那無疑“相地電壓”高也會對IT負載產(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負載的輸入就沒電了，數(shù)據(jù)機房也就直接了。因此，從這一反例也可看出，強調(diào)零地電壓小于1V是一個荒謬的概念！
ups不間斷電源這一電路的交流輸入部分，還可以得出一個更有趣的結(jié)果，ups不間斷電源由于輸入電路的wq對稱性，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負載的安全零地電壓應(yīng)為AC 220V，ups不間斷電源問題是這時如果相地電壓也等于220V的話，輸入IT負載的相零電壓就等于0V或440V了， IT負載就出現(xiàn)了斷電或高壓事故！如果我們能設(shè)計一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220V的“特殊UPS”向IT負載供電，則IT負載將不受任何影響。