一、概述

　　长期以来不少用户都知道零地电压干扰负载设备,并坚信这是一个实实在在的真理。所以只要数据中心系统运行不正常就先拿零地电压开刀,甚至有的数据中心运维工程师还举出了一个实际例子。比如有一次IT系统工作不正常了,查找了一些其他设备和地方后均无异常,最后查到零地电压大于1V,这个数值是某外国公司给出的IT系统不能正常运行的界限,于是马上想到了减小零地电压的方法:将零地二线短接,系统运行正常了。但这位工程师只把这个实验作了一半,即如果这时再断开刚才短接的零地二线来看结果就完善了。如果此二线断开后系统仍正常工作就说明前面的运行不正常不是零地电压的罪过;如果此二线断开后系统又不正常工作了,就说明前面的运行不正常就是零地电压闯的祸。
　　
　　二、对数据中心设备形成干扰的必要条件
　　
　　那么,正常工作的系统会不会在零地电压突变时也改变成不正常了呢?要想知道和证明这一点就应当了解形成干扰的必要条件,这就是:
　　
　　1）必须有干扰源。在这里就认为零地电压是干扰源;
　　
　　2）必须有传递干扰的途径,在这里的途径就是通过导线的传导和空间的辐射;
　　
　　3）必须有不抗干扰的设备:
　　
　　4）干扰信号和被干扰同时出现。
　　
　　只要上述四个条件其中之一不成立,干扰就无法形成。比如零地电压是零就无法形成干扰;如果连接受干扰设备的传输线被断开或被屏蔽也形不成干扰;如果设备具具有良好的抗干扰能力,任何干扰信号都无法进入,照样形不成干扰;或者接受干扰的设备的信号和干扰信号不是同时出现,当然干扰也无从说起。
　　
　　三、零地电压是什么
　　
　　既然认为零地电压干扰负载那就是认定零地电压就是干扰源。那就首先看一下零地电压到底是什么。图1示出了电源供电零地电压位置。图1是数据中心TN-S接地系统,它的特点是在正常情况下地线E2至E1上是没有电流的,即不论有多远地线上的电位永远是0V,这就是基点。零线NN是负载电流的回程路径,如图中虚线所示。

      零线电缆是有电阻的,所以零线上的电压就等于:
　　
　　 (1)
　　
　　式中:ΔU是IT设备零线端N2到接地点N1的领先压降;
　　
　　UN2是IT设备零线端N2的电位;
　　
　　UN1是变电站接地点的电位;
　　
　　U零地电压n2是IT设备零线端N2到接地点E2(0V)的零地电压。
　　
　　从这里可以看出零地电压就是电流在设备上作完功后在回去的路径上和零线电阻形成的零线电压降。换言之零线上某一点的零地电压就是零线上这一点到接地点的零线电压。即
　　
　　零地电压n2>零地电压m>零地电压2>零地电压1>E1(0V)(2)
　　
　　这就解释了以下几个问题:
　　
　　1）既然零地电压就是设备的零线电压,难道它会干扰自己吗?
　　
　　2）既然零地电压就是设备的零线电压,而且零地电压是流入设备的电流做功以后形成的,在时间上一先一后碰不到一起,即不是同时出现,如何干扰?
　　
　　3）流入设备的电流做功以后就返回到终点了,难道还会返回来影响设备?
　　
　　4）目前IT设备输入电压是火线和零线,地线并未加入,一根零线不能传递电压,零地电压又是如何加上去的呢?
　　
　　因此零地电压既不是干扰源也无传递干扰的通路,如前所述形成干扰的三个必需条件其中有一个条件不满足就不能形成干扰,而这里几个个条件都不满足,所以不能形成干扰。
　　
　　四、零地电压干扰的实验结果
　　
　　以上是从电路结构上分析零地电压不会干扰负载。但任何理论少不了实践的支持,那么实践中又是如何呢?在这里作了脉冲实验,因为脉冲中包含了多种交流正弦波,所以脉冲波的干扰是交流干扰的典型代表。零地加脉冲干扰电压实验如下:
　　
　　突变电压干扰最典型的就是大幅度脉冲。只要这两个干扰不影响,那么其它的也就无所谓了。图2(a)所示为某民航信息中心一个实例。该中心系统一直工作正常.但在一次例行检查中突然发现UPS输出端零地电压高达8V!有专家提出给零线再加一根同规格的电缆与该零线并联,结果效果很好:零地电压由8V降到了3.8V.既然效果很显著于是又增加了一根并联电缆,结果就不管用了,仍然是3.8V。这说明零线电缆的截面积已经达到了要求.其零地电压不能在降低的原因是由于零线上不大的高次谐波电流与零线分布电感的作用使得零线电压再不能降低.该单位害怕这样高的零地电压仍然会使系统运行受到不良影响.笔者就做了一个这样的极端实验:由于该UPS三相负载非常不平衡,零线上的电流比较大,可以用零线反电势作干扰源。于是就按照图2(a)接接入电能质量分析仪.利用断开输入开关S后在零线上就激起一个反电势的原理产生一个高幅度的干扰脉冲的方法来看效果.如图2(b)所示断开输入开关S后在零线上激起的反电势高达229V!机房系统设备运行一切正常。为了验证确切的效果,该动作连续做了八次,机房系统没有任何异常现象发生。
　　
　　到此就可以证明零地电压不干扰负载,起码对数据中心的IT设备没有干扰作用。也有的说以前所定的零地电压限值(比如1V)是为了检验接地线接地是否牢靠,这种说法值得商榷,因为如果在地线接地点附近测量可以这么说,但如果在100m或更长的距离时,那里的零地电压由于零线各种电流的原因可能是10V以上,难道就可以断言接地点连接不好吗?
　　
　　五、减小零地电压的措施
　　
　　实际上降低零地电压是一件很容易的事情。图3示出了两种降低零地电压的方法。图3(a)是用1:1的隔离变压器来降低零地电压。因为TN-S接地系统不允许重复接地,这样就避开了重复接地的限制。不过这种方法的投资大和增加功耗,也多了一个故障点的隐患,而且还需要一定的承重地板和占空条件的要求,牵涉面比较大,这种方法只有在非这样做不可的情况下使用,比如要求必须将接地隔离,至于专门为了降低电压的目的就不必这样费事了;图3(b)是用电容器来降低零地电压,用这种方法既简单又有效,但无隔离地的作用。

     这个电容器CO容量如何来选呢?可利用下面的计算式:
　　
　　 (3)
　　
　　式中:Xco是电容器CO的容抗
　　
　　π=3.1416,圆周率常数
　　
　　f是零线上高次谐波的频率,一般用UPS逆变器的工作频率即可
　　
　　RN是零线电阻,这个值应该是已知数
　　
　　n是自然数,n=1,2,3,…
　　
　　用式(3)算出的电容容抗要远远小于零线线电阻值,比如十分之一。我们用式(3)算出十分之一RN的容抗为0.003欧姆,根据此值选择电容接入后将零低电压降低到0.47V。达到了预期目的。
　　
　　六、结论
　　
　　通过上面的分析和实践证明零低电压不干扰负载,如果降低这个电压也不困难,只需采用图3所示的两种方法,即可实现降低零地电压的目的。
　　
　　作者简介
　　
　　孙烁,1994年参加工作,一直从事机房的运维和建设的相关工作,副高级工程师。自2015年先后完成了北京大兴国际机场东塔台、西塔台和北京终端管制中心及相关雷达站、气象站和导航台项目,主要负责上述项目的数图3降低零地电压的方法据机房的供配电的建设工作。
　　
　　编辑：Harris