科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题

一、 引言

长期以来，在国内机房数据中心电源的设计、建设与应用过程中，"零地电压"被忽悠得神乎其神，甚至成为了机房供电电源品质的首要指标。近年来这种趋势愈演愈烈，令人难以置信的是这一反科学的的"零地电压"居然被写进了某些国家级标准，如某GB级的机房设计规范要求"UPS供电系统的零地电压的有效值控制在小于2V的范围内"等，许多厂商与用户都习惯于将数据系统中出现的各种问题归给于零地电压引起的。目前，国内业界忽悠的根据"统计数据""零地电压"过高对IT设备，如主机、小型机、服务器、磁盘存储设备、网络路由器、通信设备等的影响可概括为下列几种：

? 可能导致IT设备中的微处理器CPU芯片出现"莫名其妙"地致命损坏；

? 可能导致IT设备出现死机事故的概率增大；

? 可能导致网络传输误码率的增大，网速减慢；

? 可能导致存储设备存储设备损坏、数据出错等。

? 某些知名IT厂商规定零地电压大于1V不给开机等。

但是综观国际的IEC和UL电源标准，却根本没有"零地电压"这一名词，遍寻IEEE的文章也没有检索到任何"零地电压对IT负载影响的相关文献"。有趣的是笔者曾陪同欧美的电源专家访问一些中国数据机房用户，有些用户提出了零地电压的问题，可怜这些搞了几十年电源并参与美国UL电源标准起草的专家们根本就听不懂，经过反复解释才基本明白了所谓的"零地电压"的含义，但他很惊讶地反问："在中国，有这一电压对IT负载影响的确凿证据吗？"

尽管零地电压对IT负载的影响还没有任何确凿的科学依据（绝大部分是把地电位与零地电压混为一谈），但是为了解决这一可怕而神秘的"零地电压"问题，国内许多用户却不惜投入大量的资金。如某通信数据机房采购了数十台变压器柜安置在各个楼层机房的输入端来降低零地电压，这不仅导致了大量的资源浪费，降低了机房供电系统的可靠性，而且也大幅度增加了机房的运行成本，使本来就不太盈利的IDC业务更是雪上加霜。

为此，笔者认为系统地讨论机房供电系统的"零地电压"产生、传递机理，特别是对IT负载的影响问题，使机房数据中心电源的设计、建设与使用者对 "零地电压"问题有一科学的认识是非常必要的。

二、 输配电线路零地电压的产生机理

在380V交流供电系统里，由于线路保护的需要，通常将三相四线制的中心点通过接地装置直接接地。当前数据机房配电系统的典型构架如图1所示，系统中通常配置一台或数台10KV/380V △/Yo变压器，Yo侧的中心点通过接地网直接接地，如图1中的G点。

从变压器到各IT负载之间，为了安全运行和维护管理考虑，通常将这一距离中的线路分成三级配电母线，即UPS输入配电母线或称市电输入母线L1（含柴油发电机切换后输入），UPS输出配电母线L2，楼层配电母线L3，楼层配电再分路到列头柜（也有将楼层配电与列头柜合而为一的），然后单相接入机架PDU对IT负载进行供电。

这样，从变压器的二次侧接地点G到IT负载的零线输入点N之间，有很长的输电距离，当负载投入运行后，一定有大量的零线电流从N点流回到各级母线，在母线的零排处叠加，叠加后未被抵消的部分将流回到G点。由于零线阻抗的存在，在各级母线的零排之间就形成了电压降。这样以G为参考点，零线上的各个点就形成了对地的电压降，这就是所谓的"零地电压"。零地电压从本质上来说，它与其它电压没有任何特别的地方，只是零线上的电压降。

图1 数据机房配电系统的典型构架图

下面，以UPS输入母排点，即UPS输入零地电压为例来阐述零地电压的形成机理： UPS输入零地电压－U N1-G可以表示如下，

U N1-G＝I1*ZN1-G

这里I1为零线上流过的电流，ZN1-G为N1零排到接地点的零线阻抗。可见，零线压降完全取决与零线电流I1和零线阻抗的ZN1-G大小，当I1或ZN1-G为零时，零线上的电压降为零，即UPS的输入零地电压为零，但这通常不可能做到。

零线阻抗的大小取决于零线的线路长度与线径，对于数据机房而言是个不变量；而零线电流的大小则取决于下列运行条件：

? 电网三相电压、相位的对称度；

? 三相负载电流大小的对称度；

? 三相负载相位的对称度；

? 三相负载中是否有3n次谐波的存在等。

其中，电网三相电压、相位的不对称对数据机房用户来说，属于不可控、不可管的"正常现象"，在此不作讨论。

1. 三相负载电流大小不平衡时产生的零线电流I1-1

当L1母线三相配电系统中各相负载大小不相同时，就会出现三相不平衡电流，这一不平衡电流汇流到N1零排时，就合成为零线电流I1-1,如图2(a)所示。

最极端的情况，当A、C两相的负载全部跳开时，此时的零线电流I1-1就等于B相的电流IB，达