零地电压一直是数据机房中一个颇有争议的问题。一方是服务器设备商和机房维护人员，认为零地电压对机房设备正常运行影响重大，需要将机房零地电压控制在2V甚至1V以下，该观点基于“案例”说，认为机房设备在零地电压高时服务器容易死机、通讯设备运行缓慢、通讯速度下降，而把零地电压降到合理水平以后，上述现象恢复正常。另外一方是电源设备商及电源专家，认为零地电压对机房设备无直接影响，只需要保证零地电压在10V以下即可，该观点基于“推理”说，即从电路逻辑上推理，零地电压对负载不存在影响路径。本文试图在前人的研究基础上，系统性的找出零地电压与机房设备之间的关系，并给出建议。

　　1、零地电压产生的原因

　　在解释零地电压的原因之前，先澄清一个问题：线路阻抗对高频电流和低频电流的影响。

 

　　图一：线路电阻与感抗

　　以一台200K、开关频率为6kHz的UPS为例，相电流300A，输入用AWG 3/0线缆，典型长度为50m，N线和PE线线径加倍，则N线线缆电阻为0.0021Ω，线路感抗约10uH。为简化运算，把工频电流、工频电压、工频阻抗和高频电流、高频电压、高频阻抗解耦。从表一可以看出，如果是工频电流，需要476A的电流才能在N线上产生1V的工频压降，如果N线工频电流是相电流的1/3，100A，则只产生约0.2V的压降，而如果N线上是24k的高频电流，则只需要660mA电流就可以产生1V的高频压降。

表一：线路阻抗对高频电流和低频电流的影响

　　在接线规范的情况下，从上面的计算可以看出，对于小于1/3相电流的N线工频电流，或小于1/10相电流的N线三次谐波电流，对线路压降影响很小，可以忽略;而对于开关频率级别的高频电流，或者是开关频率倍频的高频电流，即使是很小的电流也会对线路压降产生较大的影响。

　　下面分析TN-S系统中的UPS零地电压。

 

　　图二：TN-S系统中，UPS零地电压图

　　RAO、RBA、RCB分别为AO、BA、CB段N线(零线)阻抗

　　ROX、RXY、RYZ分别为OX、XY、YZ段PE线(地线)阻抗

　　VAO=i1*RAO VBA=i2*RBA VCB=i3*RCB

　　VOX=i4*ROX VXY=i5*RXY VYZ=i6*RYZ

　　负载侧的零地电压VCZ= VAO +VBA +VCB +VOX +VXY +VYZ

　　= i1*RAO +i2*RBA +i3*RCB +i4*ROX +i5*RXY +i6*RYZ

　　可以看出，负载侧的零地电压与零地线阻抗以及零地线电流相关。下面详细介绍各部分线路的影响

1)、OA段。

　　i1为隔离变压器到UPS之间的N线电流，包括输入三相不平衡在N线上形成的工频电流，以及三相高频纹波电流在N线上形成的高频电流。当前的三相UPS，输入三相电流一般都是平衡的，N线工频电流极小，小于相电流的5%，根据前面的分析，该数量级的工频电流对N线压降影响极小，可以忽略，而高频电流则不能忽略。对于UPS输入来说，高频N线电流为N线压降的主要影响因素。

　　图三是某高频UPS的输入电流图，波形上呈正弦，但包含开关频率的高频纹波，三相高频纹波无法抵消，在N线上形成高频电流。

 

　　图三：某UPS输入电流图

　　2)、AB段

　　i2同样包括UPS输出的工频N线电流、三次谐波电流和高频N线电流，高频N线电流对N线压降的影响不能忽略，而对于工频电流和三次谐波电流，还是以上述200K的UPS为例说明。在三相负载不平衡的情况下，工频N线电流最大可达相电流，300A，带非线性负载时，N线三次谐波电流可能达到相电流的两倍，约600A，可见UPS输出N线电流中的工频成分和三次谐波成分均对N线压降有影响。即，对于AB段线路来说，N线工频电流(包括三次谐波电流)和高频电流均对N线压降有较大影响。

　　3)、BC段

　　BC段的N线工频电流等于相电流，因此BC段与AB段相似，N线工频电流和高频电流均对N线压降有较大影响。

　　4)、OX、 XY、YZ段

　　i4、i5、i6主要是UPS、ICT设备内对PE的Y电容电流及其它漏电流，安规一般要求电源漏电流小于3.5mA，但大多数电源均为大漏电流设备，漏电流均大于3.5mA，运行中甚至达到1A以上。这部分电流主要成分为高频电流，OX、XY、YZ段地线压降主要是由高频漏电流引起。

 

　　图四 零地电压产生原因

　　通过上面的分析，上图画出了零地电压的产生原因，i1~i6及对应的线路阻抗是产生零地电压的原因。

　　2、零地电压对ICT设备的影响

　　过高的零地电压对负载EMI电路构成一定威胁，可能导致EMI电路烧毁，这出现在零地电压极端恶劣、足够击穿Y电容的情况下。那么20V以下的零地电压是否对ICT负载有影响呢?

 

　　图五： 电源输入纹波对ICT负载的影响

　　图五为ICT设备典型图实际中，由于抗干扰性和EMC考虑，绝大部分ICT电源的12V地是接大地(PE)的，这样PE扰动就会影响ICT设备。如图五，火线和N线的高频电流纹波通过Y电容和寄生阻抗耦合到地平面上，地平面有一定的感抗，各设备的地平面就会感应出高频扰动，该高频扰动会影响DSP及通讯线路，造成DSP容易宕机、通讯误码率上升。另外，设备间的地平面也有一定的感抗，这样各设备间不同的高频电流就会造成两台设备之间的地压差，这会引起地线环流，同样会影响通讯线路。

　　值得一提的是，地平面的工频波动对ICT设备的影响并不大，大部分ICT机房的地平面都是由高架地板形成，电阻(对应工频阻抗)极小，但寄生电感与线路包围的面积相关，感值在uH级别，对高频电流有较大影响。因此，在图四线路中，仅i5、i6的高频波动对ICT设备会产生一定影响，其余i1~i4产生的零地电压对ICT设备并没有什么影响。

3、高频机与工频机零地电压对ICT设备的影响对比

　　上文已经分析了，在上图的系统中，仅有i5、i6的高频波动会对ICT设备产生一定影响。那么工频机与高频机到底在零地电压上有什么区别?

　　从图六(下一页)可以看出，工频机带输出隔离变压器，输入N接在隔离变压器中性点处，这样输入N就不含工频及高频成分(实际上，UPS输出N的高频成分还是会耦合到输入N上，但含量极小，忽略之)，其他地方的零地电压与高频机相同。即工频机零地电压主要由i2~i6及对应的线路阻抗决定，而高频机零地电压由i1~i6及对应的线路阻抗决定，所以，相同情况下，大部分工频机测量出来的零地电压比高频机低，尤其是在测量点为A、X的时候。

　　根据前面的结论，零地电压并不直接影响ICT负载，只有图六中的i5、i6会影响ICT负载正常运行。而工频机和高频机的i5、i6及线路阻抗并没有区别，因此工频机和高频机对ICT负载的影响机理是相同的，没有优劣之分。

 

　　图六 高频机与工频机l零地电压区别

　　UPS输出线上(即负载电源输入线)的高频纹波对i5、i6有直接影响，有些高频机厂商为了降低成本，滤波电感小，输出电压高频纹波滤除不彻底，导致高频机在机房产生干扰问题，但从原理上看，工频机由输出隔离变压器的漏感充当滤波电感，一样存在高频纹波滤除不彻底的问题。因此工频机与高频机零地电压对机房的影响没有区别。

　　4、配电系统与零地电压的关系

　　以上的分析主要是基于TN-S系统，这是国内数据机房最普遍的配电系统，实际上，对于国外或者一些县局单位，还会用到其他配电系统，而其他配电系统中的零地电压与TN-S系统中的零地电压，不管是产生原因还是影响，都不尽相同。

　　根据IEC及GB定义，一共分为IT、TT、TN-C、TN-S、TN-C-S五种配电系统，其中TN-C-S是TN-C、TN-S两种的综合体，不单独分析。

　　a).IT系统

　　IT系统中，UPS设备外壳直接接地，而电源中性点不接地或高阻接地，不建议设中线，对于有中线的IT系统由于N和PE之间高阻，因此可能存在几V或者十几V的零地电压。

 

　　图七 IT系统

　　b).TT系统

　　TT系统中，电源中性点接地，设 备外壳也接地，两个接地点没有电气连接。国内很多小的通信局使用这种配电系统，而实际中，由于设备外壳接地不规范或者没有可靠接地，设备零地电压达到几十上百V，但这么高的零地电压除了对EMC电路有直接破坏风险以外，并没有造成设备异常。

 

　　图八 TT系统

　　TN-C系统中，N和PE共用一根线，因此零地电压为0。

　　北美中大数据机房均为480V的TN-C系统，而机房负载又是120V单相电源输入，因此需要在列头柜加降压隔离变压器，同时，该隔离变压器会把TN-C系统变为TN-S系统，这种架构中的负载由于离隔离变压器近，基本上没有零地电压问题。

　　TN-S系统是国内机房最常见的配电系统，前文已经做了具体分析，这里不再赘述。

 

　　图九 TN-C系统

5、零地电压的误区与建议

　　通过前文的分析，可以看到目前对零地电压的一些误区：

　　误区一：用零地电压作为评判UPS对设备影响的一项标准指标。零地电压由UPS输入前和输入后的零地电流和阻抗决定，其中只有UPS输入后的地线电流和阻抗对负载有影响，零地电压可以作为参考，但用零地电压作为评判UPS对设备影响程度的标准指标是不科学的。另外，不同配电系统的零地电压不一样，如IT系统，本身就存在一定的零地电压，但对机房并没有影响。对于因配电系统、UPS输入侧零地线导致的零地电压，影响较小，只要低于10V，可以正常使用。

　　误区二：认为工频机零地电压小，对机房影响小。实际上，对于真正影响负载的地平面高频电流，工频机和高频机是一样的，没有区别。目前大多数高频机的零地电压均在2V以下。

　　对于数据机房，在<<零地电压对数据通信设备的影响分析>>一文中，华为与中国电信公司的联合试验结果表明，服务器、通讯设备对地地电压的抗干扰水平在2.5V以上，对零地电压的抗干扰水平在15V以上。

　　综合之前的分析，建议：

　　1、零地电压低于10V，可以认为无影响;

　　2、如零地电压高于10V，则检查设备间的地地电压，如果地地电压低于2V，则可以认为影响小。

　　3、如零地电压高于10V，且设备间地地电压也高于2V，则需要整改机房，将地地电压控制在2V以下。在列头柜加装隔离变压器，可以再造一个接地系统，将零地电压降到0V，隔离变压器的漏感客观上对电压起到了滤波作用，一般电压高频纹波可以被滤除得比较干净了，这确实可以减小对机房设备的干扰。列头柜加隔离变压器是一种方式，加滤波电感也是一种经济的方式。

　　6、华为UPS抑制零地电压的措施

　　10V以下的零地电压对机房并无影响，但很多客户一直将信将疑，为了消除客户的疑虑，我们做了一些措施来降低零地电压。

 

　　图十 华为UPS

　　a).UPS三相输入电流大小一致，即使三相输入电压不平衡，通过软件控制，三相工频电流大小也一致，三相错120°以后，N线工频电流为0，降低i1中的工频电流;

　　b).输入三相载波错相120°，降低输入N线的高频电流;

　　c).提高开关频率，增大UPS内部滤波环节，降低输入电流和输出电压的高频纹波，降低N线高频电流;

　　d).合理控制UPS内部对地电容和对地漏电流，降低UPS输入地线电流;

　　e).在机房建设中，合理分配三相负载电流，降低输出N线的工频电流;合理布置N线和PE线线径，降低N线和PE线阻抗，尽量保证N线和PE线一起走线，降低线路漏感。

　　说明

　　1、IBM公司的服务器对机房零地电压有低于2V的要求，后经澄清，该措施是用于检查N线是否接好。

　　2、2008年版的机房设计规范，<

　　附1：华为UPS零地电压测试数据

　　下表是华为高频UPS的零地电压测试数据，在市电模式、电池模式，各种负载条件下，UPS零地电压均小于2V。