長期以來，在國內(nèi)機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計(jì)、建設(shè)與應(yīng)用過程中，“零地電壓”被忽悠得神乎其神，甚至成為了機(jī)房供電電源品質(zhì)的首要指標(biāo)。近年來這種趨勢愈演愈烈，令人難以置信的是這一反科學(xué)的的“零地電壓”居然被寫進(jìn)了某些國家級標(biāo)準(zhǔn)，如某GB級的機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范要求“UPS供電系統(tǒng)的零地電壓的有效值控制在小于2V的范圍內(nèi)”等，許多廠商與用戶都習(xí)慣于將數(shù)據(jù)系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種問題歸給于零地電壓引起的。目前，國內(nèi)業(yè)界忽悠的根據(jù)“統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”“零地電壓”過高對IT設(shè)備，如主機(jī)、小型機(jī)、服務(wù)器、磁盤存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)路由器、通信設(shè)備等的影響可概括為下列幾種：

    1、   可能導(dǎo)致IT設(shè)備中的微處理器CPU芯片出現(xiàn)“莫名其妙”地致命損壞；

    2、   可能導(dǎo)致IT設(shè)備出現(xiàn)死機(jī)事故的概率增大；

    3、   可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)傳輸誤碼率的增大，網(wǎng)速減慢；

    4、   可能導(dǎo)致存儲(chǔ)設(shè)備損壞、數(shù)據(jù)出錯(cuò)等。

    5、   某些知名IT廠商規(guī)定零地電壓大于1V不給開機(jī)等。

    但是綜觀國際的IEC和UL電源標(biāo)準(zhǔn)，卻根本沒有“零地電壓”這一名詞，遍尋IEEE的文章也沒有檢索到任何“零地電壓對IT負(fù)載影響的相關(guān)文獻(xiàn)”。有趣的是筆者曾陪同歐美的電源專家訪問一些中國數(shù)據(jù)機(jī)房用戶，有些用戶提出了零地電壓的問題，可憐這些搞了幾十年電源并參與美國UL電源標(biāo)準(zhǔn)起草的專家們根本就聽不懂，經(jīng)過反復(fù)解釋才基本明白了所謂的“零地電壓”的含義，但他很驚訝地反問：“在中國，有這一電壓對IT負(fù)載影響的確鑿證據(jù)嗎？”。

    盡管零地電壓對IT負(fù)載的影響還沒有任何確鑿的科學(xué)依據(jù)（絕大部分是把地電位與零地電壓混為一談），但是為了解決這一可怕而神秘的“零地電壓”問題，國內(nèi)許多用戶卻不惜投入大量的資金。如某通信數(shù)據(jù)機(jī)房采購了數(shù)十臺(tái)變壓器柜安置在各個(gè)樓層機(jī)房的輸入端來降低零地電壓，這不僅導(dǎo)致了大量的資源浪費(fèi)，大幅度增加了機(jī)房的運(yùn)行成本，使本來就不太盈利的IDC業(yè)務(wù)更是雪上加霜，而且也降低了機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性。

    為此，筆者認(rèn)為系統(tǒng)地討論機(jī)房供電系統(tǒng)的“零地電壓”產(chǎn)生機(jī)理，特別是對IT負(fù)載的影響問題，使機(jī)房數(shù)據(jù)中心電源的設(shè)計(jì)、建設(shè)與使用者對 “零地電壓”問題有一科學(xué)的認(rèn)識是非常必要的。

    二、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、相位的不對稱性、各級配電母線各相負(fù)載的不對稱性以及各單相負(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。

    由于各級配電母線到變壓器接地點(diǎn)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(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。

    三、IT負(fù)載機(jī)柜輸入點(diǎn)的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓

    數(shù)據(jù)機(jī)房用戶通常非常關(guān)心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關(guān)心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯獨(dú)從從不關(guān)心機(jī)柜內(nèi)部IT負(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對IT負(fù)載有影響的話，不管你在UPS的輸出端、樓層輸出配電柜上采取什么樣的降低零地電壓措施，只要IT負(fù)載設(shè)備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話，其“嚴(yán)重的危害”就依然存在。而IT負(fù)載機(jī)柜輸入端的零地電壓是所有UPS輸入零線壓降、UPS輸出零線壓降及樓層配電零線壓降的疊加，可謂是零地電壓的最前哨“重災(zāi)區(qū)”。

    1、UPS輸出零地電壓－U N2-G

    UPS輸出零地電壓等于UPS輸入零地電壓加UPS產(chǎn)生的零線電壓增益，即U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS

    對于不同的UPS而言，無論是現(xiàn)代的高頻機(jī)還是將要淘汰的老式工頻機(jī)UPS，在其內(nèi)部零線與地線都是直通的；只要其輸出濾波器得到正確的設(shè)計(jì)，UPS自生產(chǎn)生的零線電壓增益UUPS N都可以得到很好的抑制，反之如果設(shè)計(jì)得不好，則這兩種UPS都會(huì)產(chǎn)生較高的零地電壓增益。如伊頓IGBT整流的9395 UPS，其零地電壓增益甚至優(yōu)于同容量的工頻機(jī)。

    2、UPS樓層輸出配電柜上的零地電壓－U N3-G

    樓層配電輸出的零地電壓等于UPS輸出零地電壓加UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益，即U N3-G＝UN2-G＋UN3-N2＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2

    樓層配電柜輸出的零地電壓高低往往是數(shù)據(jù)機(jī)房用戶關(guān)心的終結(jié)零地電壓，當(dāng)UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長的時(shí)候，盡管UPS輸出端的零地電壓已經(jīng)做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達(dá)3~5V以上。為了消除這一問題，許多迷信零地電壓的用戶采取在樓層配電柜里加一△/Yo隔離變壓器，并將變壓器輸出的中心點(diǎn)重新接地，即形成新的接地點(diǎn)G2和接近于0V新的零地電壓。

    3、IT負(fù)載輸入端的零地電壓

    就目前的數(shù)據(jù)中心機(jī)房而言，樓層輸出配電柜到負(fù)載機(jī)柜之間通常采用單相配電，這樣在這一配電區(qū)間內(nèi)的零線電流就等于機(jī)柜負(fù)載電流I4，此時(shí)在樓層配電與IT負(fù)載之間產(chǎn)生的零線電壓增益為UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4較大，而配電的線路又較細(xì)，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個(gè)負(fù)載為3500W的機(jī)柜，從如果樓層配電柜的分路配電到機(jī)柜的電纜為2.5 mm²，電纜長度為20m(假設(shè)為較遠(yuǎn)端的機(jī)柜)，此時(shí)的零線電阻為0.15Ω，滿載零線電流為16A，則產(chǎn)生的零線壓降就達(dá)2.4V。

    對于樓層配電柜里設(shè)置了隔離變壓器的系統(tǒng)，見圖2，此時(shí)的IT負(fù)載輸入端的零地電壓就等于IT設(shè)備輸入端的N點(diǎn)對新的接地點(diǎn)G2的電壓差，也等于零線上產(chǎn)生的零線壓降2.4V。

    可見，即使對于樓層配置了變壓器，且樓層配電輸出端的零地電壓等于0V的配電系統(tǒng)，實(shí)際IT負(fù)載輸入端的零地電壓依然達(dá)2.4V,遠(yuǎn)大于1V。

    要了解零地電壓對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，通過分析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IT負(fù)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(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。

    分析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)四級變換，最后轉(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。這四級變換如下圖所示，分別為：

    第一級：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。