降低HPC集群机房IT设备的零地电压

6.1.7.1　零地电压的危害

在目前的数据中心（HPC集群机房）项目建设中，对UPS输出零地电压提出了更高的要求。在有些HPC集群机房项目的建设过程中，招标方甚至会提出“零地电压小于1V或小于2V”的指标。由此可见，无论是机房的管理者还是建设者都开始重视零地电压问题。

所谓的零地电压，顾名思义就是零线和地线之间的电压。说起来简单，其实受很多因素的影响，比如电网本身对零地电压有影响，零线的线径对零地电压有影响，接地情况的好坏等都会对零地电压有影响。

零地电压过高，会对负载产生不良影响，主要表现在三个方面：引起硬件故障，烧毁设备；引发控制信号的误动作；影响通信质量。

零地电压过高可以引起硬件损坏。在一般情况下，零地电压值不能超过2V。零地电压过高的危害，除了引起电子设备硬件直接损坏外，还可能引发控制信号的误动作，造成设备的误启动和误关机。

零地电压过高，还可能造成误码率上升，丢包率增加，造成通信缓慢，传输速率下降；影响通信质量，延误或阻止通信的正常进行。

对于计算机设备而言，零地电压过高则会导致服务器速度下降、网络交换速度降低、服务器无故关机，甚至造成硬件损坏。

6.1.7.2　零地电压产生的原因

如何降低HPC集群机房IT设备的零地电压呢？必须先分析零地电压产生的原因，然后才能采取相应的保障措施，进行合理的设计。图6-12是零地电压产生原因的原理图之一。

图6-12　零地电压产生原因的原理图之一

首先分析零线电压产生的原因：主要是因为零线内有电流，由于零线阻抗的存在，就会产生零线电压；如果这时地电位为0，则零地电压就是零线电压。

零线电压Vn=In Zn

其中In为零线电流，Zn为零线阻抗

零线阻抗Zn=ρL÷S

其中，ρ为导线电导率，L为线长，S为导线截面积

如果假设In=100A、Zn=0.1Ω，Vn将为10V，如果这时地电位为0，则零地电压Vn-g=10V。

下面分析地线电位的产生：为了抑制沿电源线路进入计算机等IT负载的高频干扰和脉冲过电压，一般在IT设备的电源进线处都配置有滤波器件，其中的大容量电容器跨接在相线和PE线之间。在装有多台IT设备的场所，在同一电源线路上若干个这类电容器被并联，如图6-13所示。

图6-13　零地电压产生原因的原理图之二

由于总的电容量大，容抗随之减小，在PE线中流过的泄漏电流因而增大，其值为：

ΔI=U0/Xc=2πfCU0(www.xing528.com)

U0：相对地标称电压，取220V。

Xc：若干并联电容器的容抗，单位为Ω。

f：工频频率，取50Hz。

C：若干并联电容器的总电容，单位为F。

地线电位Vg=Zg×ΔI，其中Zg为地线阻抗。由于地线电位的存在，也可能抬升零地电压。

6.1.7.3　降低零地电压的措施

当UPS逆变器工作时，UPS输入端零线电流在理论上应该为零，但由于UPS干扰、各种配电电缆（包括UPS输入输出电缆、空调电缆、新风机电缆等）都含有大量的电磁干扰，所有的这些电缆被捆扎在一起走线，使得这些高频干扰互相串扰，高频干扰电流在零线、地线上流过也会抬高零地之间的电压。从测试波形上看，零地之间的高频成分呈非固定频率的杂波，也可以反映这样一个事实：干扰为多种设备电流的电磁干扰叠加。

各种因素都会影响零地电压的大小。当导线截面选择过小、电缆过长时，零地电压会有所上升；而在接地状况不好或接地施工质量差，零地电压也会有所上升。另外，电网本身的影响等都会使零地电压有所上升。尤其是大型数据中心（HPC集群）机房的工程建设，由于机房面积很大，涉及楼层很多，负载类型各异，所以稍有不慎，就有可能使零地电压超过2V。

目前，从设计角度主要考虑的措施和解决的途径如下：

（1）保障负载均衡。如果三相负载不平衡，零线N上的电流就会加大，零线N两端的电压差就会直接造成零地电压。因此，在可能的条件下要尽量配平三相负载。

（2）缩短零线距离、增加零线截面积，减少零线的线路电压损失，从而在一定程度上降低零地电压。

（3）建立良好的接地系统，应尽量降低接地电阻。因为接地电阻高，很小的电流就会产生零地电压，所以一定要降低接地电阻。

（4）在设备的选型使用上，应尽量选用绿色的、谐波干扰符合国家规定的、采用功率因数校正电路的IT用电设备，并且一定要选用零地电压值较小的UPS。

上述措施可以不同程度地降低零地电压，但在工程实践中，不能保证满足标准提出的“保障IT设备的输入零地电压差小于2V”的要求。

如果上述措施不能达到要求，就必须在IT负载前端加隔离变压器，并将隔离后的零线接地。在IT负载前端加隔离变压器接地的原理图如图6-14所示。

图6-14　在IT负载前端加隔离变压器接地的原理图

采用在列头配电柜中加隔离变压器的方式，相当于在负载的前端形成一另起的局部TN-S系统，从而最大限度地缩短了此局部TN-S系统内零线N和保护地线PE的长度，既隔离了电网本身的零线，又缩短了谐波电流传输的距离，也就降低了零线和地线的阻抗，从而就可以最有效地降低零地电压。

目前在要求较高的数据中心（HPC集群）机房建设中，普遍采用精密配电柜系统，作为UPS输出端的分柜或列头柜，内置隔离变压器，可以使IT负载输入端零地电压降低到小于0.5V的水平，从而最有效地保证IT负载的良好供电环境。