科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题

到该条件下零线电流的最大值，如图2(b)所示。

图2 零线电流的合成

2. 三相负载电流相位不对称时产生的零线电流I1-2

当I段母线三相配电系统中各相负载的输入功率因素不相同时，三相电流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位关系，此时也会导致不平衡电流的出现，同样在N1零排处，汇合成零线电流I1-2，如图2(C)所示。

3. 三相负载中的3n次谐波电流的存在产生的零线电流I1-3

由于非线性负载的存在，导致了零线中不仅有基本电流流过，还可能有三次及三的倍数次谐波流过。其基波电流可表示为

iA=IAmsin100πt

iB=IBmsin(100πt-120°)

iC=ICmsin(100πt＋120°)

相应的各相三次谐波电流为

iA3=IA3msin300πt

Ib3=IB3msin(300πt-360°)

iC3=IC3msin(300πt＋360°)

可见尽管基波电流相差120°，但是其三次谐波电流刚好同相位，在N1零排处直接相加成为同相的零线电流。

由上述三种因素所产生的零线电流，流过N1零排到变压器之间的零线，就形成了零线压降，出现了我们通常所说的UPS输入零地电压，这一零地电压可计算为

UNI-G＝(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3

如果线路较长、负载的不平衡度很高或含有三次谐波的非线性负载较多，就可能使UPS的输入零地电压很高。

由此可见，可以总结如下：

? 零地电压与通常的电压完全相同，只是不平衡电流和三次谐波电流流过零线产生的压降；

? 越是在供电链路的末端，其零地电压越高。

三、 UPS产生零线电压增益的机理

前面我们分析了由配电线路产生的UPS输入零地电压的形成机理，但是UPS产生的零线电压增益的机理与此有所不同。接下来我们就来分析一下老式的具有升压变压器UPS（所谓的工频机）和新一代的无需升压变压器UPS（所谓的高频机）的零线电压增益的产生机理。

1. 具有有升压变压器UPS（所谓的工频机）零地电压增益的产生

所谓的工频机（如图3所示）采用可控硅相控整流将交流变成432V直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电还原成成交流，但这一双转换后的线电压只有190V，为了满足负载输出380V/220V的需要，不得不在逆变器的输出端（注意：不是在UPS输出，不含旁路输出端）加一１:2的升压变压器将190V的线电压升高到380V；同时，通过这一变压器的△/Y0接法生成零线，以实现UPS三相四线制的输出要求。所以对于所谓的工频机而言，输出升压变压器是必加的标准件，否则就根本无法正常工作。

对于本文讨论的主题零地电压而言，我们从图3不难看到，即使有了这一隔离变压器，但是零线与地线在UPS内部从输入到输出是直通的，UPS关机时，我们很容易量测到UPS输入零地电压绝对等于输出零地电压，所以这一隔离变压器在UPS内部没有起到任何的隔离作用。在UPS正常开机工作时，由于旁路关断，其零线上也不会有电流流过，所以由零线电流产生的零地增益在UPS内部基本是不存在的。

但是如果UPS输出的滤波器设计不好或电容故障，就会导致逆变器输出的PWM高频电压成份会部分溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其大小完全取决于滤波器参数的优劣，通常可达3~5V，频率上明显含有高频成份。如果设计得到好，这一电压增益通常应为0.5~1V。

图3 工频机的零地电压

2. 无需升压变压器UPS的（所谓的高频机）产生的零线电压增益

所谓的高频机（如下图4所示）则采用先进成熟的IGBT升压整流技术将交流变成600V左右的直流电，再通过IGBT高频逆变器将这一直流电直接还原成380V/220V三相四线制的交流电，所以无需所谓工频机的升压变压器。这是21世纪以来现代电力电子技术最伟大的技术进步之一，它使UPS的变换效率大幅度提高，内部损耗发热大幅度减少，器件的可靠性得以明显提高。

从图4可以看到，就零、地线而言，高频机UPS与工频机UPS完全一样，都是在UPS内部从输入到输出是直通的，不会产生零线电流产生的零地增益。但是，对于早期的高频机或某些高频机技术起步较晚的厂商，出于降低成本的设计考虑，其滤波器设计容量偏小，导致了较高的PWM高频电压成份溢出感应在零线上，产生一定的零线电压增益，其值达3~5V,并伴有明显的高频成份。现在许多厂商已经认识到中国用户对零地电压的关心，所以改进了输出滤波器设计，其零线电压增益通常仅为0.5~1V,而且这一波形中不含高频成份。实测某IDC伊顿9395高频机UPS的零地电压，显示为电压0.6V,频率50HZ,不含任何的高频电压成份。

图4 高频机的零地电压

由此可见，可得到如下结论：

? 高频机与工频机具有同样的零线电压增益产生机理，零线与地线在两种UPS内部都是直通的；

? 只