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:

1、   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;

2、   可能导致IT设备出现死机事故的概率增大;

3、   可能导致网络传输误码率的增大,网速减慢;

4、   可能导致存储设备损坏、数据出错等。

5、   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IECUL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,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,而且也降低了机房供电系统的可靠性。

为此,笔者认为系统地讨论机房供电系统的零地电压产生机理,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、零地电压的产生机理

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。图1所示为当前数据机房配电系统的典型构架图,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PDUIT负载进行供电。

这样,从变压器的二次侧接地点GIT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,由于电网三相电压、相位的不对称性、各级配电母线各相负载的不对称性以及各单相负载的非线性特性等因数的存在,就会有有大量的三相不平衡电流及3N次谐波电流通过零线流回到变压器的接地点G,由于线路阻抗的存在,流过零线的电流就在零线的各点产生了相对于参考点G的电压差,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。

由于各级配电母线到变压器接地点G的线路阻抗不同,每一级零线上流过的零线电流也不一样,这就形成了不同的零地电压点,如图1所示。不过数据机房用户通常关心下列几个零地电压点:

1、   UPS输入零地电压-U N1-G

2、   UPS输出零地电压-U N2-G

3、   楼层配电柜输出零地电压-U N3-G

但是,对于IT负载最为致命IT负载机柜端的零地电压-U N-G往往被忽视。

三、IT负载机柜输入点的零地电压才是最可怕的零地电压

数据机房用户通常非常关心UPS输出端的零地电压高低,也非常关心楼层输出配电柜的零地电压高低,但是唯独从从不关心机柜内部IT负载设备输入端的零地电压高低。如果零地电压真的对IT负载有影响的话,不管你在UPS的输出端、楼层输出配电柜上采取什么样的降低零地电压措施,只要IT负载设备输入端的零地电压UN-G2不小于1V的话,其严重的危害就依然存在。而IT负载机柜输入端的零地电压是所有UPS输入零线压降、UPS输出零线压降及楼层配电零线压降的叠加,可谓是零地电压的最前哨重灾区

1UPS输出零地电压-U N2-G

UPS输出零地电压等于UPS输入零地电压加UPS产生的零线电压增益,即U N2-GUNI-GUN-UPS

对于不同的UPS而言,无论是现代的高频机还是将要淘汰的老式工频机UPS,在其内部零线与地线都是直通的;只要其输出滤波器得到正确的设计,UPS自生产生的零线电压增益UUPS N都可以得到很好的抑制,反之如果设计得不好,则这两种UPS都会产生较高的零地电压增益。如伊顿IGBT整流的9395 UPS,其零地电压增益甚至优于同容量的工频机。

2UPS楼层输出配电柜上的零地电压-U N3-G

楼层配电输出的零地电压等于UPS输出零地电压加UPS输出到楼层配电柜之间的零线电压增益,即U N3-GUN2-GUN3-N2UNI-GUN-UPSUN3-N2

楼层配电柜输出的零地电压高低往往是数据机房用户关心的终结零地电压,当UPS到楼层配电柜之间的输电距离很长的时候,尽管UPS输出端的零地电压已经做到了小于1V,但是楼层配电输出的零地电压却仍然高达3~5V以上。为了消除这一问题,许多迷信零地电压的用户采取在楼层配电柜里加一△/Yo隔离变压器,并将变压器输出的中心点重新接地,即形成新的接地点G2和接近于0V新的零地电压。

3IT负载输入端的零地电压

就目前的数据中心机房而言,楼层输出配电柜到负载机柜之间通常采用单相配电,这样在这一配电区间内的零线电流就等于机柜负载电流I4,此时在楼层配电与IT负载之间产生的零线电压增益为UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4较大,而配电的线路又较细,这一电压依然可能大于1V。例如,对于一个负载为3500W的机柜,从如果楼层配电柜的分路配电到机柜的电缆为2.5 mm²,电缆长度为20m(假设为较远端的机柜),此时的零线电阻为0.15Ω,满载零线电流为16A,则产生的零线压降就达2.4V

对于楼层配电柜里设置了隔离变压器的系统,见图2,此时的IT负载输入端的零地电压就等于IT设备输入端的N点对新的接地点G2的电压差,也等于零线上产生的零线压降2.4V

可见,即使对于楼层配置了变压器,且楼层配电输出端的零地电压等于0V的配电系统,实际IT负载输入端的零地电压依然达2.4V,远大于1V

而对于在楼层配电柜里没有设置隔离变压器的系统,那么IT负载输入端的零地电压等于IT设备输入端的N点对原接地点G的电位差,依据图1,其相应的零地电压计算如下:

UN-G= UNI-GUN-UPSUN3-N2UN-N3UNI-GUN-UPSUN3-N22.4V

此时的实际IT负载输入端的零地电压显然会远高于2.4V

四、零地电压对IT负载的影响

从前的分析可见,对于数据机房IT负载的实际输入端而言,零地电压就象幽灵一样很难消除零,除非在每一个IT机柜上再加一隔离变压器,显然这是非常荒唐的措施。那么零地地电压对IT负载是否真的有影响呢?

要了解零地电压对IT负载是否有影响,关键的问题是零地电压是否能真正传到了IT内部的CPU、存储芯片等核心部件。实际上,通过分析IT负载内部的结构不难得到,UPS输出的电压只是给IT负载内部的电源模块供电,这一电源模块的输出才向IT内部的核心部件供电。这样,零地电压对IT负载的影响问题就简单化为零地电压对这一电源模块的输出影响问题。

当前IT负载内部的输入电源模块基本采用两种制式,即ATX标准和SSI标准。这两种电源的主电路如图3所示。

分析这一电源的工作原理可以看出,无论是ATX还是SSI电源,UPS输出的220V交流电进入IT负载内部后,都必须经四级变换,最后转换成稳定的12V5V3.3V的直流电压,提供给IT负载内部的CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等真正的负载使用。这四级变换如下图所示,分别为:

第一级:桥式整流器,将220V交流电变为约200~300V的直流电;

第二级:高频逆变器,将直流电再转换成几十到几百KHZ稳压的高频交流电;

第三级:高频隔离变压器,将高频交流电降压并隔离;

第四级:高频整流器,将稳定的高频交流电转换成稳定的直流12V(5V3.3V)输出。

1、零地电压在IT电源内的传播途径

从上图可见,具有数伏零地电压的220V交流电,进入IT负载的电源后,从第一到第二级,也许我们还能追寻到这一电压的存在踪迹,但是经过第三级后,由于变压器的隔离作用,这一共模电压在变压器的二次侧被彻底消除,后面的电路已经没有了零线,只有直流的正、负极,所以也就不再存在所谓的零地电压及产生的干扰。此外,无论是ATX还是SSI电源,都在其输入端设有共轭电抗器与Y电容,这一部件基本就可将共模的零地电压阻隔在IT电源的第一级以外。

可见,零地电压进入IT负载内部后,从传播途径看,经共轭电抗器抑制后,终结于内部变压器的前端,根本达不到真正的IT内部CPURAMEPROM、硬盘等的供电端,所以无论是多高的零地电压都根本不可能对数据系统造成任何影响。

有必要指出的是IT负载电源输出的12V直流电压,就是经第三级高频逆变器的高频变换得到的,其变换频率通常高达50KHZ~150KHZ,远高于高频机UPS的变换频率,所以高频变换是IT电源自身的根本,IT负载不惧怕高频

2零地电压相地电压

零地电压已经广为人知,而相地电压的概念却似乎有点好笑。但是,如果我们能简单地分析一下相线和零线在IT负载内部的传播途径,我们就会得出非常惊奇的结果。由于ATXSSI的变换结构几乎相同,所以我们以SSI制式电源为例来说明。

具有零地电压的UPS输出AC 220V电压进入IT负载的电源后,在输入电源的正半周,经第二级的整流后,相线L与第三级高频逆变器的正母线连通,而零线N则与负母线连通,见图4(a);而在输入电源的负半周,则刚好相反,零线N与正母线连通,而相线L则与负母线连通,见图4(b)

由此可见,在IT负载的第二级后,相线与零线具有完全相同的功能与流通线路。这样,如果零地电压高将影响IT负载的正常运行,那无疑相地电压高也会对IT负载产生致命的影响。而零地电压我们可以通过技术手段让它小于1V甚至等于0V,但是,如果我们让相地电压也控制到小于1V以下的话,那么IT负载的输入就没电了,数据机房也就直接瘫痪了。因此,从这一反例也可看出,强调零地电压小于1V是一个荒谬的概念!

分析这一电路的交流输入部分,还可以得出一个更有趣的结果,由于输入电路的完全对称性,如果我们让零地电压等于AC 220V,而让相地电压等于0V,这一IT电源的输出将不受任何影响地正常工作。所以,从理论上说,IT负载的安全零地电压应为AC 220V,问题是这时如果相地电压也等于220V的话,输入IT负载的相零电压就等于0V440V了, IT负载就出现了断电或高压事故!如果我们能设计一具有零地电压、相地电压和相零电压都等于220V特殊UPSIT负载供电,则IT负载将不受任何影响。

3、零地电压对服务器等IT设备及通信设备的影响测试

中国电信电磁防护支撑中心联合华为技术有限公司的技术专家,对服务器等IT设备、DTU数据通信设备进行了零地电压加扰测试,同时对中国电信120多个机房的121台在网设备进行了抽检调研,得出的结论如下:(详见参考文献1

1)从对机架式服务器和刀片式服务器的加扰测试结果来看,22V以下的零地电压对这两种服务器无影响。

210V以下的零地电压差对DTU数据通信设备无影响。但在通信系统分散的情况下,零地电位差会对数据通信产生影响,其原因是零地电位差会在数据通信线路的设备端口之间造成地电位差。(笔者注:根据笔者对整个测试报告和报告中所给出的线路图的分析,准确地说,应该是当采用RS232和同轴电缆通信时,由于地电位的差异导致了对数据通信的影响。这里的地电位实际上与输入电源的零地电压无关,它们是完全不同的两个概念,换句话说,如果两台通信设备的地电位差异较大,即使两台通信设备的输入零、地电压等于0,也会对通信有影响。另外,如果采用光纤通信,就不会有影响了。)

3)通过对122个在网通信机房的调查,在保证设备正常运行的情况下,设备的零地电位差分布在10V以下,建议:数据通信设备的零地电位差应在10V以下。

六、结论

UPS的类型看,无论是现代高频机还是将要完全淘汰的工频机UPS,零线与地线在其内部都是从输入端到输出端直接贯通的,其产生与消除的机理完全一样,都可以使其小于1V以下,关键是厂商是否愿意投入这样做。

如果用户关心零地电压问题,那就应该关心IT负载端的零地电压高低,那才是最可能引发前言中提到的“5大致命问题的根源。但是,不管在UPS输出端还是在楼层配电输出端采取什么样的降低零地电压的措施,都无法从根本上使这一电压小于1V。任何仅保证UPS输出端或在楼层配电端加隔离变压器来实现零地电压小于1V的做法都不过是自欺欺人的自我安慰而已。

通过对IT负载自身电源4大变换级,尤其是高频变压器变换级的分析可见,零地电压对IT负载电源的输出端根本不可能构成任何影响,自然它也无法对IT负载的数据部件构成丝毫的影响。此外,IT负载电源本身就是一个优异的高频机电源。

通过对零地电压相地电压的技术比较可知,就对IT负载的损坏与影响而言,零地电压与相地电压一样,可达220VIT负载无影响。但是综合中国电信的测试数据,笔直非常保守地认为20V以下的零地电压对现代IT负载不会有任何影响(但需要关注此时的相地电压是否正常)。

因此,本文的最后笔直建议数据机房用户应科学地看待零地电压及其大小问题,走出零地电压的技术误区,以避免无谓的浪费和对整个机房电源系统可靠性的极大损害。

参考文献:

1.《零地电压对数据通信设备影响的分析》,谢琦 余平放 郑啸

Scientifically understand the neutral-ground voltage of power system of data center

Eaton Power Quality (Shanghai) Co.  Ltd.   Wang Wei

摘要:本文通过分析数据机房电源零地电压的形成机理,论述了零地电压产生的不可避免性和对IT负载可能的影响, 建议数据机房用户应该正确地看待零地电压问题,走出零地电压的技术误区,避免不必要的资源浪费。


 

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