在数据中心供电系统中,零地电压是个非常敏感的问题,因为IT设备厂家在安装设备之前,先要测试供电系统的零线与地之间的电压,并要求零地电压必须小于某个限定的数值,例如IBM公司就规定,在零地电压≤1V的情况下才能安装他们的IT设备。于是,零地电压的大小就成为判定供电系统是否符合要求的标志性参数之一。但是,IT厂商为什么要提出这个要求,零地电压高时是否会影响和如何影响IT设备工作的?这既是个技术问题,也是个概念问题。概念的错误会导致技术应用和工程实施过程中一系列的困惑,用错误的概念去解释系统存在和发生的问题,也必然会得出错误的结论。对于这个严肃的课题,必须要搞清楚以下几个问题:

　　(1)在供电系统中零地电压是如何产生的?

　　(2)为什么零地电压高并不影响IT设备的正常运行?

　　(3)IT厂商为什么要对供电系统零地电压提出限制?

　　(4)当前业界存在着零地电压的似是而非的问题,产生这些问题的真正原因是什么?

　　1供电系统中产生的零地电压

　　数据中心的供电系统典型结构如图1所示。

　　图1中,各部分功能如下:

　　(1)市电输入系统中通常首先配置一台10kV/V的Δ/Y0隔离变压器,Y0侧的中心点通过接地网直接接地,并形成TN-S接地系统。在系统接地极这一点,零线与地线是同电位的,也就是说零地电压绝对为零。

　　(2)V/V以三相五线形式对数据中心各种设备供电,包括UPS、ATS、PDU、空调系统、照明及辅助设备等,在这些设备中以三相供电设备为主(照明等单相供电设备功率很小)。

　　(3)在数据中心中,UPS供电系统一般是三相输入三相输出。

　　(4)IT设备一般是单相V供电。

　　零地电压是产生在零线与地线之间的电压。地线和零线的功能是不同的。在数据中心中,地线有几种功能,包括电源地、保护地、逻辑地、屏蔽地、防雷地。几种地线都在系统接地极(或者由接地极引线到机房总配电柜)接在一起。在常态下地线中是没有工作电流流过的,只有当输入市电中存在干扰电压(例如雷击感应电压、输入市电瞬变电压)时,才可能通过线路中的共模干扰滤波环节形成地线电流。在常态下可认为地线中不存在压降问题,地线电位是稳定不变的参考电位。

　　而零线则不然,零线中是有工作电流的,从变压器的二次侧接地点到IT负载的零线输入点N之间,可能有很长的输电距离,当负载投入运行后,一定有大量的零线电流沿零线流回到各级母线,并在母线的零排处叠加,叠加后未被抵消的部分将流回到接地点。由于零线阻抗的存在,在各级母线的零排之间就形成了电压降。这样以地电位为参考点,零线上的各个点就形成了对地的电压降,这就是所谓的“零地电压”。

　　零线阻抗的大小取决于零线的线路长度与线径,对于已经建好的数据机房而言是个不变量;而零线中工作电流的大小则取决于下列运行条件:

　　(1)电网三相电压幅值或相位的对称度;

　　(2)三相负载电流大小和相位的对称度;

　　(3)三相负载中是否有3n次谐波的存在等。

　　第一种情况,当输入电压的幅值或相位不对称时,必然会造成三相负载电流的幅值或相位不对称;

　　第二种情况,当三相负载电流的大小或阻抗性质不对称时,三相负载电流的幅值或相位也必然会不对称;

　　这两种情况都会使三个相电流在零线中产生电流,即所谓的三相不平衡电流,如图2所示。

　　第三种情况则是非线性负载造成的。在三相电路中,由于非线性负载的存在,导致了零线中不仅有基波电流流过,还可能有3次及3的倍数次谐波流过。如果基波电流表示为:

　　可见尽管基波电流相差°,但是三次谐波电流刚好同相位,在零线中直接相加成为同相的零线电流,如图3所示。

　　由上述三种因素所产生的零线电流,在零线阻抗中就形成了零线电压,相对于稳定的地电位就是零地电压。