1 零地电压的现象

　　在数据中心和计算机房建设的过程中,“零地电压”问题得到越来越多的关注。在UPS行业,某些生产厂家出于市场竞争的目的,甚至于把UPS中是否具有输出变压器归结为“零地电压”是否会上升的主要原因,认为在逆变电路中含有输出变压器的UPS就不会造成“零地电压的上升”,这是一种误导。

　　《电子信息系统机房设计规范GB 50174-2008》标准第8.1.6节指出“电子信息系统机房内的低压配电系统不应采用TN-C系统”,其主要出发点是从电磁兼容性和人身安全角度考虑的。这是因为在TN-C接地系统中,保护地线PE与中性线N合为同一导体(PEN),在外露导体(设备外壳)上会有高频电磁场辐射产生的骚扰电流流动,即电磁兼容性较差。而TN-S接地系统则正好相反,它不仅具有对人身较好的防止间接触电的作用,而且具有较好的泄放漏电流的能力,电磁兼容性较好,因此大多数情况下,对IT负载的供电都要求采用TN-S的接地方式,即从主低压变压器引出后,经过一级或两级的配电,进入UPS,再从UPS的输出端经过一级或数级配电,到达IT负载输入端,都是采用TN-S的接地形式。

　　从电源系统的单线图来看,UPS在整个供电系统的链路上是唯一一个具有“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、电缆等都不具备自动调节功能，因此人们自然就会联想到负载是由UPS供电的，那UPS就是造成“零地电压上升”的主要原因。但事实并非如此。

　　以下分析一下双变换式UPS(包括具有逆变变压器的UPS和无变压器UPS)的这两种拓扑结构,以及它们各自的中性线在UPS内部和外部是如何连接的。

　　1.1 双变换式UPS(工频机)的中性线连接方式

　　从图1中可以看出,在UPS上下线都是TN-S接地方式时,由晶闸管整流器组成的UPS或称之为工频机(无论这个称呼是否准确),其中性线N是由UPS的旁路输入端引入的,并且与逆变变压器(而不是起“隔离”作用的变压器)的中性点直接连接,作为UPS输出的中性线。这种连接方式的目的是:由于UPS的静态旁路时时刻刻处于“待切换”的锁相同步状态,当负载需要从逆变器供电切换到由静态旁路供电(或相反切换)时,为了避免两路交流电源切换时由于基准电位不一致而产生较大的环流,导致切换失败,因此这两路电源的基准电位必须是一致的,在电路上是采用同一条中性线的连接作为基准电位来保证。

因此UPS输出端的零线N就是电源系统的零线N,UPS输出端的地线PE就是电源系统的地线PE,也就是说UPS输出端的零地电压事实上就是UPS旁路输入端的零地电压,也就是供电系统的零地电压。在实际安装的UPS设备上用5V交流电压档测量时,UPS输入端和UPS输出端的零地电压差一般不超过0.2～0.3V,即经过UPS的连接后,零地电压不会有明显的增大。

　　1.2 IGBT-PFC整流(高频机)的中性线连接方式

　　同样,从图2可见,高频机输出端的中性线N同样也是由旁路电源输入端引入的,也是供电系统的中性线,同时保护地线PE也是来自供电系统的,因此零地电压同样反映的是电源系统的零地之间的电压特性。

　2 零地电压上升的主要原因

　　零地电压上升的主要原因不能归咎于UPS,也不能归咎于高频机。那么,什么才是零地电压上升的主要原因呢?从理论上讲,零地电压的上升主要是由电源阻抗和线路阻抗引起的。

　　众所周知,电流流过导体时会产生电压降,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之间也存在着阻抗,并且会随着电缆线的延伸,电缆的阻抗在不断地累积增大。

　　3 UPS设备对零地电压的影响

　　UPS难道对零地电压没有任何影响吗?答案显然是否定的。

　　这是因为,即使是最先进的IGBT-PFC整流器也不是100%线性的,它既然是有源的频率较高的开关部件,就存在着谐波和电磁兼容性的问题,特别是UPS在低负载率时,表现出输入电流失真度THDI增大的倾向。例如高频机在100%负载率时的THDI为4%～5%;而在50%负载率时THDI为7%～8%。那么,IGBT整流UPS是否是造成零地电压上升的主要原因呢?可以从高频机内部的电路结构来分析。

　　3.1 EMC滤波器对中性线、地线电流的影响

　　电磁兼容性滤波器(EMC Filter)是近年来在高频功率转换电路中被推广应用的一种新型组合电路,它既能有效地抑制电网噪声对电子设备的骚扰,又能降低电子设备在高频开关过程中产生的骚扰注入到电网中,从而通过供电母线影响到其它的用电负载(传导骚扰)。这对于提高电子设备的可靠性和系统的稳定性起到了重要作用,因此被广泛应用于智能化仪器仪表、计算机机房设备、开关电源电路、UPS电源系统等。

　　图3是一个在实际的UPS中广泛应用的单相EMC滤波器的典型电路。

　　从图中可见,由于电路中存在着差模式滤波电容X和共模式滤波电容Y,因此无论是电网中出现的高次谐波或是在整流-逆变过程中产生的高次谐波,都必然会通过EMC滤波器泄放到地线G或PE线上,使得地线上的电流增大。

　　从图3还可见,由于差模电容X的容量远大于共模电容Y的容量,由差模电容泄放的电流也要大于共模电容的泄放电流,成为线缆中的传导骚扰,只不过由于负载不平衡电流或是3次谐波电流的存在,而往往忽略了差模电流的存在,而没有注意到这部分电流流过中性线电缆时同样会引起N线电位的上升。

那么,由电容Y泄放到地线的泄放电流数量有多大呢?

　　以如下的经验公式推算:

　　ileak=2πf CUc (1)

　　式中:ileak为泄放电流;

　　f 为电网频率, f =50Hz;

　　C为并联的共模电容容量,包括滤波器输入端和输出端的共模电容,C=4×4.7nF+2×47nF=112.8nF;

　　Uc是共模电容Y上的压降,亦即输入端或输出端对地线的电压,取Uc≈220V/2=110V。

　　代入上述式(1)不难算出,此时的泄放电流ileak=3.89A。

　　显然,在一台100kVA的UPS中,额定相电流约为160A,假设PE保护地线上有3.9A的泄放电流,其仅相当于额定电流的2.5%,这样小的电流流过地线阻抗,对地线的相对电位升高不会产生过大的影响,因为中性线上也存在着泄放电流,往往还要大于地线上的泄放电流。当三个这种EMC滤波器应用于三相电源电路时,对于3n次谐波电流具有叠加增大的作用,但对于总的电流有效值来说,并没有乘以3倍的关系,因为其中部分谐波会由于电流相位的原因而相互抵消。

　　因此,UPS的EMC滤波器不是造成零地电压上升的主要原因。

　　3.2 IGBT-PFC整流器对中性线电流的影响

　　IGBT-PFC整流器具有如图4所示的典型输入电路。