1、“零地电压”现象

　　在数据中心和计算机房建设的过程中,“零地电压”问题越来越多地受到关注。尽管国家标准:《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008已经颁布,对机房供电系统的“零地电压”要求“小于2V”,美国《数据中心通信基础设施标准ANSI/TIA-942-2005》对IT系统“零地电压”未做任何要求,但仍然有人在工程实施中,孜孜不倦地追求“零地电压”“小于1V”,将某些计算机生产厂家的技术要求当成工程建设和验收的标准或规范,甚至于在市场竞争中,把它当作克“敌”制胜的信条,这是一种极其严重的误导。从UPS的电源系统单线图来看,在整个供电链路中UPS是唯一一个具有“自动调节”功能的有源环节,而其它的电气设备例如变压器、断路器、电缆等都不具备调节功能,因此自然就会联想到UPS是造成“零地电压”上升的主要原因,但事实并非如此。假如线路中没有UPS,“零地电压”就一定能保证吗?请看以下的分析。

　　2 、“零地电压”上升的真正原因

　　“零地电压”上升的真正原因是什么?

　　从理论上讲,“零地电压”上升的主要原因是电源阻抗和线路阻抗引起的。电流流过导体会产生电压降，这是由于电源和导体都具有电阻和电抗，中性线N和保护地线PE也存在线路阻抗，并且随着电缆线的延伸，电缆的阻抗在不断地累积增大。

　　在线性电路中线缆的阻抗形式如式(1)所示

　　式中:R为电缆的电阻;ωL为电缆的感抗。

　　当电缆中存在着谐波电流时,由于感抗部分变为nω 的非线性函数,其数值是随着谐波频率的增大而变化的,可表示为

　　式中:Z n(nω)为第n次谐波电流产生的阻抗,它是谐波角频率nω 的函数,是各次谐波对阻抗的平方和的平方根。

　　从实际电路和工程施工中,可以找到以下的三种引起零地电压上升的主要原因。

　　(1)UPS配电距离过长

　　由于UPS输入端电流含有一定量的谐波成分,特别是6脉冲整流或12脉冲整流时,即使是IGBTPFC整流,也不可能将输入电流谐波失真度(THDI)降低到“零”;在UPS负载率较低(例如小于30%)的情况下,THDI的数值会有所增大,谐波电流的频率在电缆上形成的感抗也会增大。

　　谐波电流的负作用是随着电缆阻抗的累计而增大的,假设忽略电源阻抗的影响,则电压的谐波失真度(THDU)主要取决于电感分量和电缆的长度,最简单的解决方法就是限制线路总阻抗以降低由谐波电流引起的电压失真度(THDU)和电缆的温升。例如,当负载电流增大一倍时,电缆的截面积也需要增大一倍。但是,是增加一根同等截面的电缆并联使用好呢?还是将电缆的有效截面积增大一倍好呢?采用不同的方式所得到的电缆阻抗也不相同,如图1所示。

　　①增大一倍电缆截面积(2S )的方案对限制电压失真度并不是非常有效,因为它仅仅限制了电缆的温升(电阻分量不变、电感分量增大),而不能降低电压失真度;

　　②并联一根同等截面的电缆(2XS )时,电压失真度将不会增大(电感分量不变),电缆的损耗将增大,当然温升也会上升。

　　将上述的公式(2)改写成公式(3)的形式

　　式中:(nωL /R )是感抗与电阻的比值,与谐波次数n有关。对于电源系统中幅值较大的低次谐波分量(例如,H 3到H 7),其感抗与电阻的比值特性如图2所示。

　　从图2可见:当电缆的截面积为25mm2时,各次谐波的(ωL /R )比值小于或等于1,说明电缆的阻抗以电阻产生的损耗为主;当电缆的截面积大于36mm2时,各次谐波的(ωL /R )比值大于1,且电缆截面积越大则比值越高,谐波次数越高则比值增大的也越快,说明含谐波的大电流供电时,电缆的阻抗以电抗为主,其结果是造成线路传输阻抗的增大。

　　由此不难得出结论,对于中大型数据中心来说,UPS所供电的负载是含有H 3、H 5和H 7的计算机、服务器设备,因此在选择大电流供电电缆时,应以多根并联电缆来降低线路阻抗,从而降低远端处的零线和地线阻抗。

　　(2)配电线路布线混乱

　　无论是由于何种原因,在电缆施工中可能会存在着布线混乱的情况,有时电缆铺设在一个较宽的封闭电缆槽架之内,变成隐蔽工程,往往不易被发现,特别是电源系统增容改造的工程中,需要二次布线、三次布线等,出现N线、PE线混接、错接等现象,在机房验收中往往不易被发觉,但IT设备投入正常运行后,却屡屡发生问题。

　　由于电力电缆通过的是较大的交流电流,混乱的布线往往使得电缆之间产生电磁感应的骚扰,造成零地电压明显升高而又无法查明原因的情况。

　　图3是在某机房项目中发生的一个典型案例:UPS和空调的配电采用两路电缆分别供电,每路电源采用三相单芯电缆+独立的零线+独立的地线,从主变压器低压出口经强电井到楼层配电柜的距离约40m,从楼层配电柜经天花吊顶内的桥架进入机房,也约40m。设备投入运行后,发现电缆桥架下方有明显的类似变压器运行时的低频“嗡…嗡…”声音(噪音约52dBA)、UPS输入配电柜P1的零地电压大于10V。

　　在测量中又发现,在楼层配电柜到UPS输入配电柜P1为两根并联的PE线和两根并联的N线,并且分别测得地线电流I PE1≈40A,I PE2≈70A,测量两根线的合并电流I PE1+PE2≈40A,而P1柜到UPS的地线电流为:I UPS PE≈25A。空调照明配电柜P0为单根独立的PE和单根独立的N线,这时I PE0≈45A。
 

　　PE线作为保护线在正常运行时是没有电流的,即使在计算机房中由于IT设备采用的共模式滤波器,通常也只有几安培的泄放电流,如此大而且波形混乱的地线电流当然首先怀疑的可能就是接线错误。但经检查确认,排除了零线和地线之间的错误连接、混接、交叉连接及电缆槽两端未接地等的情况。

　　根据测试数据分析,I PE1+PE2≈40A,非常接近P1柜中I PE1与I PE2的电流差值,并且与P1柜输出到UPS的地线电流I UPS PE≈25A也接近,因此判断有可能约有15～30A的电流是在P1柜的PE1和PE2两条电缆之间甚至于在P0柜的PE0中形成的环流。那么此环流是如何形成的呢?

　　在强电井和UPS设备房内的相邻配电柜都是安装在金属基座上的，经测量相邻两柜的地线电压差只有0.2V，电阻基本为0，也就是说地线两端的“地”是连通的或接近等电位。另外铺设的PE1、PE2和PE0三根地线均是带有绝缘层的单芯电线，那么这三根地线PE1、PE2和PE0之间便可能在电缆槽中构成了事实上的三个地线环，如图4所示。

　　由于从强电井到UPS设备房铺设的电缆在电缆槽中排列较乱,很可能造成电力相线多次穿过三个地线环的情况,那么这三个地线环就将产生感应环流,从而造成地线电流增大,零地电压升高,并伴有电磁振动的噪音。

　　经重新铺设两个配电柜P1和P0之间的临时地线电缆并断开原有的PE1、PE2和PE0的一端后,P1和P0柜输出的零地电压立即降低到0.8V,两条临时地线上的电流均小于5A。

　　(3)配电线路完全平行布线

　　有时,由于UPS的容量较大,输入输出电缆常采用多根单芯电缆并排铺设,特别是一些专业的施工队伍,电缆排布整齐,绑扎紧密,横平竖直,直角转弯,结果反而造成相线电缆之间、相线对零线之间的差模式分布电容以及对地线的共模式分布电容,如图5所示。

　　由于I T设备一般或多或少地存在着谐波电流、脉动电流,只要发生电流的变化(di/dt),在电缆中就会产生感应电势。

　　在某用户现场测量发现,地线PE中的电流波形居然与相线中的6脉冲整流的电流波形相类似，地线电流数值达到几十安培，这就不难说明平行电缆相互之间存在着电磁感应的作用，并因此产生零地电压上升的现象。

　　最简单的解决办法就是采用多芯的交联电缆,因为相线、中性线和地线电缆之间是加捻(绞合)的,这种共模和差模的感应作用是可以相互抵消的。图6是推荐的一些电缆在电缆槽中的排布方式,其出发点就是以电磁兼容性(EMC)较好为原则。

　　从图6可见,扁平形的电缆槽其电磁兼容性通常较差,以选用深型的电缆槽为宜。但在某些实际应用场合,由于受到安装高度的限制,不能采用深型的电缆槽时,可在扁平型电缆槽中加装金属分隔板并加装顶盖,如图6右侧图形所示。

　　3、 降低“零地电压”的一些措施

　　从以上分析可见,造成零地电压上升的主要原因是电源系统的内因,因此应该从电源系统的设计、电缆选择、施工中的规范布线等方面着手解决。

　　(1)设计方面

　　尽可能使UPS的输入配电接近主变压器、使UPS的输出配电柜尽可能接近负载,线路越短,零地电压的上升也越小。例如在某用户现场,UPS的输入柜到总低压配电室的电缆长度约120m,测量发现,无论负载的轻重如何、无论是否起动UPS,变压器主低压配电柜一侧的零地电压始终很小,电压失真度小于2%;而在机房内,尽管负载很轻,UPS输入端的零地电压都有上升的趋势,即使UPS完全停止采用手动维修旁路供电,负载端的零地电压仍然有升高的趋势,特别是当负载中含有非线性成分较大时尤为明显,这种现象称之为负载的“自污染”,如图7所示。

　　电压失真度逐级上升的原因正是由于谐波电流流过线路阻抗而产生的,参见公式(4)。

　　式中:Z sn(nω )为第n次谐波的线路阻抗,它是谐波角频率nω的函数;

　　Z s1(ω)为基波的线路阻抗,它是基波角频率ω的函数;

　　I hn为第n次谐波(角频率为nω)电流的有效值;I h1为角频率ω (50或60Hz)基波电流的有效值。

　　(2)电缆的选择

　　如前所述，采用多根电缆合并使用时，比选择一根大截面的电缆为好，因为线路阻抗较小，趋肤效应也较小，特别是谐波电流较大时这种作用较明显。

　　过去,人们对谐波不甚重视时,电力电缆往往采用较小等级的中性线N,当人们发现中性线电流有时会大于相线电流时,才开始采用与相线等径的甚至是加粗的中性线,而地线PE则仍然是小1～2个等级的电缆。

　　由于地线较细,造成零地电压上升时,人们才逐渐接受了采用等径的三相五芯电缆,即比较特殊的电缆,而非一般标准的电力电缆。

　　(3)电缆施工中应注意的问题保证地线PE与地网系统的可靠连接。

　　避免电缆的任意穿插,防止分布电容和电磁感应引起的骚扰;多余的电缆一定要剪掉,因为盘绕的电缆会产生涡流,增大线路损耗,当然也会升高零地电压。

　　(4)必要时加装隔离变压器

　　在数据中心或计算机房内,供电系统的接地方式通常为TN-S系统,按照《低压配电设计规范》GB 50054和国际标准(IEC 60364)对接地系统的定义,TN-S系统在变压器二次侧做一次中性点接地,之后不允许中性线二次接地。为避免零地电压上升的问题,可在靠近负载配电柜(或列头柜)的输入端加装隔离变压器,以便形成新的、独立于原来电源系统的接地系统,这样可保证负载以新的接地方式运行时,获得较低的零地电压。

　　当然这种处理方式引起的投资成本也是不可忽视的,同时应注意,在选择单台变压器容量时不要过大,以免引起变压器励磁浪涌对UPS的电流冲击问题以及断路器选择性方面的问题。

　　作者简介

　　韩林，施耐德电气信息技术(中国)有限公司，技术总监。

　　娄玮，施耐德电气信息技术(中国)有限公司(APC)售前技术支持经理，主要从事UPS电源技术理论与实践，配电系统的设计与规划，机房整体规划，暖通空调系统。