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民航一数据中心 UPS输出端零地电压问题的解决方案

2019-11-11   

中国电源产业网

导语:摘要:本文通过理论和实践证实了零点电压不干扰负载的事实,同时也给出了降低零低电压的方法

     孙烁

(民航华北空管局空管工程建设指挥部)

摘要:本文通过理论和实践证实了零点电压不干扰负载的事实,同时也给出了降低零低电压的方法

关键词:零地电压  干扰源  电容器  传递干扰的途径

一、概述

多年来不少人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。并且一传十,十传百地这样流传下来了。所以只要数据中心系统运行不正常就先拿零地电压开刀,搞得人人自危。甚至有的数据中心运维工程师举出了一个”真实的”实际例子。一位运维工程师说: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,这个值是某外国公司给出的IT系统不能正常运行的界限,因此都不敢越雷池一步。这位工程师心中也已埋下了这个恐惧的种子,于是马上想到了减小零地电压的方法:将零地二线短接接,果然有效,系统运行正常了。但他这个实验只作了一半,如果这时再断开刚才短接的零地二线,再看结果就完善了。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。所以这个例子只能算作一次经历而不是经验.笔者也作了相反的试验:一公司IT系统不正常工作了,也是首先检查零地电压,岂不知原来零地二线是连接在一起的,即零地电压为零.为了验证系统不正常是不是这时的零地电压为零所致,就将零地连接的二线断开,结果系统工作恢复正常了.但这个实验制作了一半,另一半就是再将断开的零地电压二线重新短接,结果系统工作仍然正常,这就说明零地电压没有干扰负载设备的正常运行。但为什么不论断开还是短接瞬间都会使系统工作改变呢?这是因为由于某种原因导致系统工作不正常,但这种不正常时处于一种临界状态,零地电压线不论断开还是短接瞬间会使零地电压有一个电压突变,这就给了临界不正常运行的系统一个触发(干扰)信号,从而使系统的工作状态恢复到正常。

在这里说明了一个问题,一般说经验不一定是一次就形成的,要经过反复多次验证才行。只做一个方向的实验而不想反方向去看问题,一般说是得不到真实结论的。一个几百年都证实了的经验结果还是错的:早年的农村知识缺乏,从祖上传下来的说法认为月食是天狗吃月亮,因此每到月食出现时十里八寨敲锣打鼓敲盆子敲碗,反正是一片敲打器具声,据说目的是这种声音可把天狗吓坏,不得不把月亮吐出来。结果还真管用:月亮阵地出来了!于是这个“经验”就一代一代传下来了。那时他们就不知道即使不弄出这么大动静月亮照样也会出来。

零地电压也是这样,就是缺乏从反面去印证。所以也是一传十十传百把零地电压干扰负载说成了铁案。

    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。从图上看到是数据中心在变电站就是

image.png

 

                          图1  电源供电零地电压位置原理方框图

TN-S接地系统,它的特点是在正常情况下地线EE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:

              DU=UN2-UN1=U零地电压n2          (1)

式中:DU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、零地电压的干扰实验结果

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

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。该中心系统工作长期以来一直工作正常.但在一次例行检查中突然发现UPS输出端零地电压高达8V!该单位领导都紧长起来,因为都说零地电压搞过1V时就可能导致系统设备工作不正常.在紧急会议上有的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FLUKE435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。

image.png

 

                          (a) 三相电压和零地电压测量接线图

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                    (b) 测量结果显示的各种电压情况

                        图2  一民航信息中心零地加脉冲干扰电压的实测图

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

    虽然已经了解零地电压不干扰负载,但由于先入为主的负面宣传有的已“深入人心”,一些用户还是坚信零地电压干扰负载,坚持必须将零地电压降下来。实际上降低零地电压是

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                         (a)用隔离变压器降低零地电压

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                               (b)用电容器降低零地电压 

                             图3  降低零地电压的方法

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:

            

image.png

                                  (3)

式中:Xco是电容器CO的容抗

      

image.png

=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。

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。

【作者简介】

     孙烁,民航华北空管局工程建设指挥部电气专业工程师。主要研究方向为机房供配电建设和运维。

编辑:编辑部

来源:《电源工业》杂志

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