數(shù)據(jù)中心零地電壓問題研究

大多數(shù)IT設(shè)備開關(guān)電源用于將輸入電源轉(zhuǎn)換為中央處理機和支持硬件所需電壓，而該開關(guān)電源輸出的“直流地”或端通常與IT設(shè)備的金屬底座相連接。為了確保供電安全，該底座同時連接到輸入電源線地線。正是通過該潛在路徑，共模噪聲干擾電壓才經(jīng)常從電源地線藕合進入計算機的設(shè)備。部分共模噪聲除了通過電源進入系統(tǒng)邏輯來干擾數(shù)據(jù)外,還會造成開關(guān)電源本身誤導(dǎo)通和誤觸發(fā)。如果噪聲干擾電壓過大，開關(guān)電源本身會被共模噪聲干擾電壓破壞，甚至IT設(shè)備中的半導(dǎo)體裝置很可能會發(fā)生混亂或被共模噪聲干擾電壓損壞。

3、零地電壓共模噪聲的控制

3.1. 如何控制零地電壓共模噪聲：

因為零地電壓是影響機器運行可靠性的重要因素，零地電壓高會造成機器故障或損害，所以必須對它加以控制。因為零地電壓的形成原因很復(fù)雜，所以控制要有針對性。主要考慮的問題和解決的途徑如下：

3.1.1保障三相負載平衡。如果三相負載不平衡，零線N上的電流就會加大，零線N兩端的電壓差就會直接造成零地電壓增大。因此，在可能的條件下要盡量配平三相負載，定期根據(jù)負載的使用變化監(jiān)測三相負載不平衡度,并進行必要的調(diào)整。此外，還可以通過增加零線截面積，減少零線的阻抗，從而在一定程度上降低零地電壓共模噪聲干擾。

3.1.2建立良好的接地系統(tǒng)，盡量降低接地電阻。接地電阻與零地電壓呈正向關(guān)系,接地電阻一高，很小的電流都會產(chǎn)生零地電壓，所以一定要降低接地電阻。在計算地線線徑問題時，在考慮了系統(tǒng)可能的最大用電量和安全的基本需求后，需要特別計算電纜長度，對數(shù)據(jù)中心不同高度樓層使用的不同線徑的地線，盡量減小接地電阻。

3.1.3盡量選用綠色的、諧波干擾小的用電設(shè)備。必要時還可安裝相應(yīng)抑制高次諧波的有源或無源濾波設(shè)備，因為降低高次諧波,就降低了零線電流，這樣就大大降低零地電壓共模噪聲。

3.1.4.在靠近IT設(shè)備端加裝隔離變壓器

3.1.4.1隔離變壓器方案描述

根據(jù)下列IEEE 1100-2005 8.5.3.2中8-18圖示以及IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3 標準描述，在靠近IT設(shè)備端的PDU或精密配電柜中加裝隔離變壓器是降低零地電壓共模噪聲的有效措施。特別在零地電壓過高，上面一般方法無法控制零地電壓的情況下，為保證IT設(shè)備負載可以正常運行，如8-18圖示可以采用在靠近IT設(shè)備端的PDU或精密配電柜中加裝隔離變壓器，產(chǎn)生一個獨立的電源系統(tǒng)(Separately derived source)，獨立的電源系統(tǒng)就可以將變壓器次級的零地接在一起,并就近接地,這樣就可以大大降低IT設(shè)備端零地電壓。

3.1.4.2. K factor隔離變壓器

在下列IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3標準中也提到可以選用K因數(shù)變壓器（K factor）隔離變壓器來降低零地電壓。Ｋ型變壓器是一種專為計算機負載布設(shè)計的、能消除諧波污染的特殊隔離變壓器。衡量這種變壓器質(zhì)量高低的指標為Ｋ值。

式中的ｎ為諧波的次數(shù)，Ｉn為ｎ次諧波的電流分量的含量。Ｋ值越大，變壓器消除諧波干擾的能力就越強。目前，常見的Ｋ型變壓器，按它們Ｋ值變壓器可分為K1、K４、K９、K１３、K２０等幾個額定級別（雖然還有K30、K40、K50型號變壓器，但從實際來看，K因數(shù)超過20的負載并不常見，大型計算機測得的K因數(shù)通常為4到9，高集中單相計算機和終端區(qū)測得的K因數(shù)通常為13到17）。

3.1.4.3 IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3標準的翻譯

推薦設(shè)計安裝操作 IEEE Std 1100-2005

8.3.2.2.3電子負載設(shè)備分支電路的接口

推薦的做法是通過干式屏蔽隔離變壓器（或其它電源增強設(shè)備），將電子負載設(shè)備的系統(tǒng)配置連接到大樓的配電系統(tǒng)上。當為電子負載設(shè)備供電的兩個或多個獨立的電力系統(tǒng)不能使用與電子負載設(shè)備相同的接地點時，這一做法尤為重要。隔離變壓器提供匹配的系統(tǒng)電壓，并創(chuàng)建獨立的分支電源系統(tǒng)。推薦的做法是，在盡可能接近電子負載設(shè)備的分支電路配電盤的位置安裝隔離變壓器和相關(guān)的電子負載設(shè)備。此外，還應(yīng)正確選擇和安裝隔離變壓器。關(guān)于專為非線性電子負載設(shè)備（K 系數(shù)）供電的隔離變壓器，請參閱 8.4.1 的詳細信息。關(guān)于變壓器正確接地的詳細信息，請參閱 8.5.2。另外，隔離變壓器還內(nèi)置到配電單元 (PDU)中，作為配電單元 (PDU) 的一部分進行配備，配電單元還包含內(nèi)部安裝的分支電路配電盤。因此，也推薦使用 PDU 作為連接電子負載設(shè)備和配電系統(tǒng)接口。

3.2. 控制零地電壓到多少伏：

3.2.1. IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準中對零地電壓要求

根據(jù)下列IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準描述,通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(tǒng)（如，變壓器、PDU），以盡量減少在負載測得的零地電壓。

在靠近計算機類IT負載端的PDU或精密配電中心加裝隔離變壓器，并將隔離后的零線接地。這種解決方案的優(yōu)點在于能夠非常有效的解決負載端零地電壓共模噪聲問題。因為將變壓器次級零線接地，這樣可以使負載端的零地電壓趨近于0V。如果配置K-Factor變壓器，則具備消除100％諧波污染的工作能力，能滿足最惡劣的計算機負載的需要。

根據(jù)以上2.2章節(jié)的分析及IEEE標準要求, 可以得出控制零地電壓到多少幅度的要求

3.2.1.1 通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(tǒng)（如，變壓器、PDU），以盡量減少在負載測得的零地電壓, 使負載端的零地電壓越小越好。

3.2.2.2 零地電壓最大值不超過CPU等半導(dǎo)體芯片最小工作電壓,例如導(dǎo)體芯片最小工作電壓是1.5V時,零地電壓不宜超過1V。

3.2.2.IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標準的翻譯

8.3.2.3.1 專用電路

為了給電子負載設(shè)備供電，最佳做法是安裝電子負載設(shè)備的專用分支電路。專用分支電路是具有獨立零線的電路，連接一個或多個設(shè)備，并有一條設(shè)備接地導(dǎo)線 EGC,這條ECG可能(或不可能)與其他前端或后端設(shè)備共地。應(yīng)使用完整導(dǎo)線，避免或盡可能減少拼接。專用接地電路應(yīng)包括一條絕緣設(shè)備接地導(dǎo)線EGC，并應(yīng)在該電路上鋪設(shè)專用的有效接地金屬線槽或金屬電纜套件，以最大限度減少與其他電路不必要的互相電磁噪聲干擾。當使用線槽運送大量電纜線時，各個支路的相線、零線和地線應(yīng)捆綁在一起。通過在盡可能接近負載的位置安裝獨立的分支電源系統(tǒng)（如，變壓器、PDU），以盡量減少在負載測得的零地電壓。出于經(jīng)濟原因，相似的負載，若設(shè)計可相互兼容，可以共用電路。例如在辦公室工作站區(qū)域，應(yīng)為電子負載設(shè)備設(shè)計提供單獨的專用分支電路接線和插座，而為日用負載或高沖擊負載（如電動卷筆刀、便攜式電器）卻應(yīng)提供另外單獨的接線和插座。

3.2.3.服務(wù)器安裝工程師關(guān)注零地電壓

由于零地電壓共模噪聲電壓過高會干擾計算機等IT負載的數(shù)據(jù)傳輸,甚至使這些IT負載無法正常開機。因此在用戶安裝的某些負載（例如HP小型機、IBM服務(wù)器等）時候, 服務(wù)器安裝工程師非常關(guān)注零地電壓。當有經(jīng)驗的服務(wù)器安裝工程師到現(xiàn)場，如果測試發(fā)現(xiàn)用戶的供電電源的零一地電壓超過1V以上時，常常會要求用戶設(shè)法降低零一地電壓。否則，服務(wù)器工程師有可能拒絕開機啟動服務(wù)器。