HPC集群机房UPS输出端重复接地的探讨

UPS作为IT设备的电源，其输出端是否可以做重复接地，要根据供电系统的接地形式综合考虑。

6.1.6.1　问题产生的原因

（1）UPS所带负载三相不能平衡，造成中性点漂移。

三相输出UPS的负荷很难平衡，原因是设计或施工时，很难准确判断今后的使用情况，即使设计或施工时做到了三相平衡，设备运行时也不可能达到三相平衡，原因是每台服务器的负荷率不同，并且经常变化，有的服务器负荷率为10%，有的服务器负荷率为30%或90%，永远不可能达到三相平衡。带来的结果是N线中有大量的不平衡电流，导致中性点漂移。

（2）IT设备对“零地”电压有限制。

“零地”电压就是中性线与PE线之间的电位差，服务器等IT设备对“零地”电压的限值是1～2V。“零地”电压产生的原因是N线中存在电流，根据实际测量，N线中的电流往往等于或大于相线中的电流，因此《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）中规定：中性线截面积不应小于相线截面积。N线中的电流除上述所说的三相不平衡电流外，还包含大量的谐波电流。谐波电流的产生有两方面的原因：一是UPS所带IT设备为非线性设备，非线性设备在运行过程中产生大量谐波电流；二是UPS本身属于开关电源设备，在运行过程中也产生谐波电流。

为了解决“中性点漂移”和“零地电压”的问题，有些数据中心在UPS安装完成后，将N线与PE线直接短接，做重复接地，这样做出是有规范依据的。国家标准《建筑电气工程施工质量验收规范》（GB 50303-2002）中规定：“不间断电源输出端的中性线（N极），必须与接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。”但是，是否在任何情况下都可以这样做呢？答案是否定的。下面就这个问题进行分析。

6.1.6.2　原因分析和解决方法

图6-7是UPS原理示意图（没有输出隔离变压器）。从图中可以看到，负载所需的N线和PF线均由UPS旁路提供，同时UPS自身工作需要的N线也由旁路提供。下面就根据TN-S和TN-C-S系统，针对UPS输出端N线做重复接地进行讨论。

图6-7　UPS原理示意图

（1）当UPS供电电源的接地形式为TN-S系统时。

当UPS供电电源的接地形式为TN-S系统（如图6-8所示）时，如按照GB 50303的规定，UPS输出端的N线与PE线连接，使TN-S系统中的N线多次接地，这样做表面上是解决了“中性点漂移”问题，但实际上违反了IEC和国家规范关于TN-S系统在整个系统中N线和PE线分开的原则，这显然是不可行的。

图6-8　UPS输出端错误接地示意图（供电电源的接地形式为TN-S系统）

既然N线来自UPS旁路，对于TN-S系统来讲，N线不允许做重复接地，但如果要按照GB 50303的规定执行，使UPS输出端N线能够做重复接地，则可以采用将UPS旁路加装隔离变压器的方法解决问题。图6-9是在UPS旁路加装隔离变压器的方案。在TN-S系统中，旁路有隔离变压器的UPS，可以按照GB 50303的规定，输出端N线做重复接地。

图6-9　UPS输出端接地示意图（供电电源的接地形式为TN-S系统）(www.xing528.com)

当供电电源的接地形式为TN-S系统时，要降低IT设备输入端的“零地”电压，唯一的方法就是在UPS输入或输出端增加隔离变压器。图6-10是在配电列头柜中装设隔离变压器，变压器次极的中性线与PE线短接后接地，在隔离变压器后形成新的TN-S系统。由于配电列头柜紧邻IT设备机柜，N线长度较短，即使N线中有很大电流，N线与PE线之间也不会产生较大的电位差，很好地解决了“零地”电压问题。

图6-10　利用隔离变压器降低“零地”电压示意图

等电位连接带、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构均与局部等电位连接箱连接后，再接至大楼总等电位连接箱（或带）。机柜采用两根不同长度的6mm2软铜线与等电位连接网格（或等电位连接带）连接，从列头柜至机柜的N、PE线，因单相负荷较多，其截面积应与相线相同。降低“零地”电压的方法除了使UPS设备尽可能地靠近IT机房，缩短供电距离；单相负荷应均匀地分配在三相上，中性线截面积不小于相线截面积外，加装隔离变压器也是一个很好的方法。

（2）当供电电源的接地形式为TN-C系统时。

当供电电源的接地形式为TN-C系统时，由变电所引出PEN线至UPS（如图6-11所示），按照GB 50303的规定，将UPS输出端的PEN线做重复接地，这样有利于遏制中性点漂移，使三相电压均衡度提高。同时，当引向UPS供电侧的中性线意外断开时，可确保UPS输出端不会引起电压升高而损坏由其供电的IT设备。

当机房负荷较小，同一台变压器既要为IT设备供电，又要为照明、空调等设备供电时，在配变电所低压盘内就需要设置PEN、PE、N母排。为IT设备供电采用TN-C-S系统，由变电所引出PEN线；为照明、空调等设备供电采用TN-S系统，由变电所引出PE线和N线。

图6-11　UPS输出端接地示意图（供电电源的接地形式为TN-C系统）

当供电电源的接地形式为TN-C系统时，HPC集群机房接地列头柜之前的供电电源接地形式是TN-C系统，在列头柜内N线与PE线短接后接地，形成TN-C-S系统。列头柜至各个机柜的N线与PE线严格分开，满足IT设备的要求。

6.1.6.3　小结

IT设备如采用单独接地，当其自身发生接地故障或建筑物遭受雷击时，在保证设备和人身安全方面存在问题，最好的解决方法是采用公用接地系统和等电位连接。

IT设备的“信号地”需要一个等电位点或等电位面，在数据中心内，等电位点或等电位面有三种类型，即S型、M型、SM混合型等电位连接。M型等电位连接采用铜网组成等电位连接网格，是IT设备最常用的接地方法，其作用是减少危险电位差和高频干扰信号迅速泄放。

当UPS供电电源的接地形式为TN-S系统时，如UPS旁路未加隔离变压器，UPS输出端的N线与PE线不能连接；如UPS旁路增加隔离变压器，按照GB 50303的规定，UPS输出端的N线与PE线可以连接做重复接地。

当UPS供电电源的接地形式为TN-C系统时，按照GB 50303的规定，可以将UPS输出端的PEN线做重复接地，形成TN-C-S系统。数据中心（HPC集群机房）的接地问题在工程界已争论多年，是一个看似容易、实际较难处理的问题。对于IT设备采用公用接地系统和等电位连接，目前已得到国内外的普遍认同；但对于UPS输出端是否可以做重复接地，还需要结合供配电系统进行综合分析，不能一概而论。