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。文中试图在前人的研究基础上,系统性地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
在解释零地电压产生的原因之前,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1给出了线路电阻和感抗的示意图。
以一台200kVA、开关频率为6kHz的UPS为例,相电流300A,输入用AWG3/0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,线路电感约10μH。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1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24kHz的高频电流,则只需要660mA电流就可以产生1V的高频压降。
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。
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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200kVA的UPS为例说明。在三相负载不平衡的情况下,工频N线电流*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BA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)CB段
CB段的N线工频电流等于相电流,因此CB段与BA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。