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科学地认识数据机房UPS电源的“零地电压”问题

一。介绍
长期以来,在我国机房数据中心电源的设计、建设和应用过程中;零接地电压;被忽悠了,甚至成了衡量机房供电质量的首要指标。近年来,这一趋势愈演愈烈。令人难以置信的是,这种反科学的;零接地电压;实际上已经写入了某些国家标准,例如GB级的机房设计规范要求;UPS电源系统的零接地电压;接地电压有效值控制在2V以下。许多制造商和用户习惯于将数据系统中的各种问题归咎于零接地电压。目前,国内行业对IT设备的闪变效应,如大型机、小型机、服务器、磁盘存储设备、网络路由器、通信设备等都是基于";统计数据;和;零接地电压;,可概括如下:
1它可能导致;无法解释;IT设备中微处理器CPU芯片的致命损坏;
2可能增加It设备崩溃的概率;
三。增加了网络传输的误码率,降低了网络速度;
4它可能导致存储设备损坏、数据错误等。
5一些知名IT厂商规定零对地电压大于1V时不开机。
然而,纵观国际IEC和UL电源标准,没有一个术语";零接地电压;一点也没有,我也没有找到任何";零接地电压对IT负载影响的相关文献;在搜索IEEE文章时。有意思的是,笔者曾经陪同欧美电力专家访问过一些中国数据室用户。一些用户提出了零接地电压的问题。遗憾的是,这些从事电源行业几十年、参与起草美国UL电源标准的专家根本不懂。经过反复的解释,他基本上理解了所谓的;零接地电压;,但他很惊讶地问:;在中国,有没有确凿的证据表明这种电压对IT负载有影响;。
尽管零接地电压对IT负载的影响还没有坚实的科学依据(大多数负载都将零接地电压与地电位混淆),为了解决这一可怕而神秘的问题;零接地电压;问题出在国内很多用户身上,他毫不犹豫地投入了大量资金。例如,某通信数据机房购买了几十个变压器柜,放置在每层机房的输入端,以降低零对地电压。这不仅造成了大量的资源浪费,而且大大增加了机房的运营成本,使其无利可图。IDC业务更是雪上加霜,也降低了机房供电系统的可靠性。
为此,笔者认为;零接地电压;系统地论述了机房供电系统的产生机理,特别是对其负荷的影响,从而使机房数据中心供电系统的设计、施工和用户对这一问题有一个科学的认识;零接地电压;问题。意识是非常必要的。
2零接地电压的产生机理
在380V交流供电系统中,由于线路保护的需要,三相四线制系统的中心点通常通过接地装置直接接地。图1显示了当前数据室配电系统的典型架构图。一个或多个10KV/380V△/Yo变压器通常配置在系统中,Yo侧的中心点通过接地网直接接地,如图1的G所示。点。
从变压器到各IT负荷,出于安全运行和维护管理的考虑,这段距离内的线路通常分为三级配电母线,即UPS输入配电母线或市电输入母线L1(含柴油发电机投切后的输入)、UPS输出配电母线L2,地板配电总线L3,地板配电然后分支到前机柜(地板配电和前机柜也有组合),然后单相接入机架PDU向IT负载供电。
这样,从变压器的二次侧接地点G到IT负载的中性点输入点N之间的传输距离很长。负荷投入运行时,由于电网三相电压和相位的不对称性,各级配电母线各相负荷的不对称性和各单相负荷的非线性特性等因素的存在,会有大量三相不平衡电流和3N谐波电流通过中性线流回变压器。在点G处,由于线路阻抗的存在,流过中性线的电流在中性线的每个点产生相对于参考点G的电压差,这就是所谓的;零接地电压;。从本质上讲,零接地电压与其他电压无关,而是零线上的电压降。
由于各级配电母线到变压器接地点G的线路阻抗不同,流经各级中性线的中性电流不同,形成不同的零接地电压点,如图1所示。然而,数据室用户通常关心以下零接地电压点:
1UPS输入零接地电压-U N1-G
2UPS输出零接地电压-U N2-G
三。地板配电柜-U N3-G输出零地电压
然而,IT负载的机柜端的零接地电压是最大的;致命的;对于它的负载,往往被忽视。
三。IT负载柜输入点的零接地电压为;最可怕的;零接地电压
数据室用户通常关心UPS输出端的零地电压水平,也关心楼层输出配电柜的零地电压水平,但从不关心柜内IT负载设备输入端的零地电压水平。如果零接地电压确实对IT负载有影响,无论您采取什么措施降低UPS或楼层输出配电柜输出端的零接地电压,只要IT负载设备输入端的零接地电压UN-G2不小于1V时,其";严重危害;仍然存在。IT负载柜输入端的零接地电压是所有UPS输入零线电压降、UPS输出零线电压降和楼层配电零线电压降的叠加。它可以说是最前哨的零接地电压;受灾最严重的地区;。
1UPS输出零接地电压-U N2-G
UPS输出零接地电压等于UPS输入零接地电压加上UPS产生的中性点电压增益,即U N2-G=UNI-G+UN-UPS
对于不同的UPS,无论是现代高频机还是将淘汰的老式工频机UPS,内部中性线和地线都是直通的;只要输出滤波器设计正确,UPS是自生的,uupsn的中性点电压增益可以得到很好的抑制。相反,如果设计不好,这两种UPS会产生较高的零地电压增益。例如,伊顿';s的IGBT整流器9395ups,其零对地电压增益甚至优于同容量的工频机。
2UPS楼层输出配电柜-U N3-G上的零接地电压
地板配电输出的零对地电压等于UPS输出的零对地电压加上UPS输出与地板配电柜之间的中性点电压增益,即U N3-G=UN2-G+UN3-N2=UNI-G+UN-UPS+UN3-N2
楼层配电柜输出的零地电压水平往往是数据室用户关心的终端零地电压。当UPS与楼层配电柜之间的传输距离很长时,即使UPS输出的零地电压已小于1V,但楼层配电输出的零地电压仍高达3~5V以上。为了消除这一问题,许多迷信零接地电压的用户在地板配电柜上加装了一台delta/Yo隔离变压器,并对变压器输出的中心点重新接地,即形成一个新的接地点G2和一个接近0V的接地点。零接地电压。
三。IT负载输入端的零接地电压
就目前的数据中心机房而言,楼层输出配电柜与负荷柜之间通常采用单相配电,使该配电间隔内的中性点电流等于柜内负荷电流I4。电力和IT负载之间的中性点电压增益为UN-N3=I4*ZN-N3。因为I4更大,配电线路更薄,所以这个电压可能仍然大于1V。例如,负载为3500W的机柜,从地板上的配电柜到机柜的电缆为2.5mm² 电缆长度为20m(假设远端为机柜)。此时中性点电阻为0.15Ω, 满载中性点电流为16A,由此产生的中性点电压降将达到2.4V。
对于安装在地板配电柜中的隔离变压器系统,如图2所示,IT负载输入端的零接地电压等于IT设备输入端N点与新接地点G2点之间的电压差,也等于零线上产生的电压。中性点电压降为2.4V。
可以看出,即使楼层装有变压器,楼层配电输出端的零对地电压等于0V,It负载输入端的实际零对地电压仍达到2.4V,远大于1V。
对于地板配电柜中没有隔离变压器的系统,IT负载输入端的零对地电压等于IT设备输入端N点和原始接地点G点之间的电位差。根据图1,相应的零对地电压计算如下:
UN-G=UNI-G+UN-UPS+UN3-N2+UN-N3=UNI-G+UN-UPS+UN3-N2+2.4V
此时,实际IT负载输入端的零地电压将明显高于2.4V。
第四,零接地电压对IT负载的影响
前面的分析表明,对于数据室中IT负载的实际输入端,零接地电压类似于;幽灵";。除非在每个It机柜中添加隔离变压器,否则很难消除零点。显然这是非常荒谬的。措施。那么零接地电压真的会影响IT负载吗?
要了解零接地电压对IT负载是否有影响,关键问题是零接地电压能否真正传输到IT内部的CPU、内存芯片等核心部件。事实上,通过分析IT负载的内部结构不难发现,UPS输出的电压只向IT负载内部的电源模块供电,而这个电源模块的输出则向IT负载内部的核心部件供电。这样,将零接地电压对IT负载的影响问题简化为零接地电压对该功率模块输出的影响问题。
目前,IT负载内部的输入电源模块基本采用两种标准,即ATX标准和SSI标准。这两种电源的主电路如图3所示。
通过对该电源工作原理的分析,可以看出,无论是ATX还是SSI电源,UPS输出的220V AC在进入it负载后都必须经过四级转换,最后转换成12V、5V、3.3V的稳定直流电压,提供给;实际负载;使用CPU、内存、存储设备、网络通信芯片等内部IT负载。下图分别显示了这四个级别的转换:
第一级:桥式整流器,将220V AC转换为200~300V DC左右;
第二级:高频逆变器,将直流电转换成几十到几百千赫稳定的高频交流电;
第三级:高频隔离变压器,减少和隔离高频交流电;
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(或5V、3.3V)输出。
1IT电源中零地电压的传播路径
从上图可以看出,当220V交流电(零接地电压为几伏)进入IT负载的电源后,从第一级到第二级,我们可以;跟踪";这种电压的存在,但在第三级以后,由于变压器的隔离作用,这种共模电压在变压器的二次侧被完全消除,而下面的电路没有中性线,只有直流的正负极,因此不再存在所谓的零接地电压和产生的干扰。此外,ATX和SSI电源在其输入端都配备了共轭电抗器和Y电容器。该元件基本上可以阻断IT电源第一级外的共模零接地电压。
可以看出,零地电压进入It负载后,从传播路径上看,经过共轭电抗器抑制后,在内部变压器前端结束,无法到达真正的It内部CPU、RAM、EPROM、硬盘等电源终端,因此,无论零地电压有多高,都不可能对数据系统产生任何影响。
需要指出的是,It负载电源输出的12V直流电压是通过第三级高频逆变器的高频变换获得的。变频频率一般高达50KHZ~150KHZ,远高于高频UPS的变频频率。因此,高频转换是IT电源本身的基础,而它的负载也不怕“。高频";。
2. &引用;零接地电压;和;相对地电压;
&引用;零接地电压;已经广为人知,但是;相对地电压;看起来有点滑稽。然而,如果我们能简单地分析IT负载中相线和中性线的传播路径,我们会得到非常令人惊讶的结果。由于ATX和SSI的转换结构基本相同,本文以SSI标准电源为例进行说明。
零地电压UPS输出交流220V电压进入IT负载供电后,在输入电源的正半周期内,经二级整流后,相线L接第三级高频逆变器的正母线,中性线N接负母线,如图4(a)所示;而在输入功率的负半周期中,情况正好相反。中性线N接正极母线,相线L接负极母线,如图4(b)所示。
可以看出,经过第二阶段的It负载后,相线和中性线的功能和循环线完全相同。这样,如果;零接地电压;是高会影响IT负载的正常运行,那么毫无疑问是高";相对地电压;也会对IT负载产生致命影响。通过技术手段可以使零接地电压小于1V甚至等于0V。但是,如果我们将相对地电压控制在1V以下,那么IT负载的输入将断电,数据室将直接瘫痪。因此,从这个反例可以看出,强调零接地电压小于1V是一个荒谬的概念!
对该电路的交流输入部分进行分析,可以得到更有趣的结果。由于输入电路完全对称;零接地电压;等于交流220V;相对地电压;等于0V时,IT电源的输出将正常工作而不受任何影响。因此,理论上IT负载的安全零接地电压应为AC220V。问题是,如果此时相对地电压也等于220V,则输入IT负载的相零电压等于0V或440V,IT负载出现。停电或高压事故!如果我们能设计一个;特殊UPS;零对地电压、相对地电压和;相零电压;等于220V向IT负载供电,IT负载不会受到任何影响。
三。零接地电压对服务器和通信设备等IT设备的影响测试
中国电信电磁防护支撑中心会同华为技术有限公司技术专家,对服务器、DTU数据通信设备等IT设备进行了零地电压加扰试验。同时,在中国电信120多个机房对121台在线设备进行了测试。抽查调查,结论如下:(详见参考文献1)
(1) 从机架式服务器和刀片式服务器的加扰测试结果来看,低于22V的零接地电压对这两台服务器没有影响。
(2) 低于10V的零地电压差对DTU数据通信设备没有影响。然而,当通信系统分散时,零地电位差会对数据通信产生影响。原因是零地电位差将导致数据通信线路的设备端口之间的地电位差(作者注意:根据作者对整个测试报告和报告中给出的电路图的分析,准确地说,当使用RS232和同轴电缆进行通信时,地电位的差异会对数据通信造成影响。这里的地电位与输入电源的零地电压无关。它们是两个完全不同的概念。换句话说,如果两个通信设备的地电位相差很大,即使两个通信设备的输入为零,如果地电压等于0,也会对通信产生影响。另外,如果使用光纤通信,则不会产生影响。)
(3) 通过对122个网络通信机房的调查,在保证设备正常运行的情况下,设备零地电位差在10V以下。建议数据通信设备的零地电位差应低于10V&引用;
6结论
从UPS的类型来看,无论是现代的高频机还是将被彻底淘汰的工频机UPS,中性线和地线从输入端直接连接到输出端,产生和淘汰的机理完全相同,能否使其小于1V,关键是厂家是否愿意投资这么做。
如果用户关心零接地电压问题,那么他们应该关心IT负载侧的零接地电压水平。这是最有可能导致;5个致命问题;在序言中提到。然而,无论采取什么措施来降低UPS输出端或楼层配电输出端的零接地电压,都不可能从根本上使该电压小于1V。任何只保证UPS输出端子或在楼层配电端子上加装隔离变压器,以达到零对地电压小于1V的做法,无非是自欺欺人、自慰。
通过对IT负载的4个主要转换阶段&39的分析;s本身的电源,特别是高频变压器转换级,可以看出零地电压对it负载电源的输出端没有任何影响,自然也就不能构成it负载的数据分量。最轻微的冲击。此外,IT负载电源本身也是一个优秀的;高频机;电源。
通过技术比较;零接地电压;和;相对地电压;,可以看出,从对it负载的损坏和影响来看,零接地电压与相对地电压相同,高达220V对it负载没有影响。然而,根据中国电信的测试数据,20V以下的零地电压对现代it负载不会产生任何影响,这是直截了当的保守说法(但此时的相对地电压是否正常需要注意)。
因此,在本文的结尾,我们直接建议数据室的用户应该对零接地电压及其大小有一个科学的看法,并走出零接地电压的技术误区,避免不必要的浪费和对整个机房电源系统可靠性的极大损害。
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