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零地電壓問題一直困擾著數(shù)據(jù)中心IT電子設(shè)備用戶，零地電壓問題直接影響到數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行，以及IT電子設(shè)備的使用壽命。正確處理零地電壓問題，對于維護(hù)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文分別對數(shù)據(jù)中心零地電壓產(chǎn)生的原因、零地電壓對IT電子設(shè)備負(fù)載的影響以及如何控制零地電壓三個(gè)方面進(jìn)行專門論述，本文重點(diǎn)針對經(jīng)常被IT電子設(shè)備用戶忽略的十分嚴(yán)重的問題----損害數(shù)據(jù)中心IT電子設(shè)備數(shù)據(jù)可靠性的零地電壓共模噪聲問題進(jìn)行了分析。
1.零地電壓共模噪聲產(chǎn)生的原因：
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1.1.零地電壓共模噪聲定義
什么是零地共模噪聲?根據(jù)下列美國軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號上的任何不想要的對地或公共點(diǎn)噪聲干擾電壓(圖 1)，和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過來的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。從圖2看出，零地電壓屬于共模噪聲一種，通常是指在一條典型的交流電源線的中線端和接地端之間可測量的干擾電壓。這是零地共模噪聲標(biāo)準(zhǔn)的定義。另外,共模噪聲還可在火線和接地端之間被測量出來，本文不作討論。
MIL-HDBK-419A
1.2.零地電壓產(chǎn)生原因理論分析
1.2.1數(shù)據(jù)中心低壓供電TN-S接地系統(tǒng)
一般而言，我國的數(shù)據(jù)中心380V低壓供電接地系統(tǒng)為TN-S系統(tǒng)，零線與地線在供電變壓器的輸出次級處相連，如圖3。從380V低壓變壓器次級引出5根線，即3根火線外加零線、地線各1根到電源設(shè)備，再由電源設(shè)備給用電設(shè)備供電。
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圖3：設(shè)備的配電示意圖
從供電變壓器到電源設(shè)備以及從電源設(shè)備到用電IT設(shè)備的配電部分在電路上等效為以電阻、電感和電容組成的電抗。為了分析零地電壓的產(chǎn)生機(jī)理，圖4畫出了從變壓器到電源設(shè)備及IT設(shè)備的零線和地線的電路模型(m代表IT設(shè)備前端電源設(shè)備)，用于電路分析。
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圖4：配電線路的電路模型
1.2.2 零地電壓產(chǎn)生原因的理論分析
如圖4所示，零線電阻由RN1，RN2直到RNm和RN組成;零線電感由LN1，LN2直到LNm和LN組成;地線電阻由RG1，RG2直到RGm和RG組成;地線電感由LG1，LG2直到LGm和LG組成;零線與火線之間存在寄生電容，分別用C1，C2直到Cm組成。電源設(shè)備中的Cm是電源設(shè)備EMC濾波電容,IT設(shè)備中的CIT是IT設(shè)備EMC濾波電容。
根據(jù)下列IEEE1100 6.4.1.1.5描述,低零線阻抗可以減小零地電壓和共模噪聲,圖4中IT設(shè)備零線電流I主要由負(fù)載三相不平衡原因和負(fù)載非線性電源原因產(chǎn)生。
如圖4所示，IT設(shè)備零線電流I的絕大部分從零線流回到輸入變壓器，有很少一部分從寄生電容中通過地線流回變壓器，分別是I1，I2和Im。這些電流流過導(dǎo)線要產(chǎn)生電壓，圖4中各點(diǎn)對變壓器端接地的電壓值分別為Vn1， Vn2... VN，VG1，VG2，...VG。
由圖4可見，通常我們在IT設(shè)備處測得的IT設(shè)備輸入零地電壓是
VNG=VN-VG
如果我們先不考慮零線與地線之間的寄生電容，并忽略IT設(shè)備中EMC濾波電容的影響，那么根據(jù)下列IEEE1100 6.4.1.1.6對地線的定義，地線目的是提供一個(gè)0V參考點(diǎn),地線電流為零,再考慮多點(diǎn)接地，那么VG=0，
因此IT設(shè)備輸入零地電壓是
VNG=VN-VG= VN-0= VN =In1*RN1+In2*RN2+…+Inm*RNm+I*RN+In1*jωLN1+In2*jωLN2+... +Inm*jωLNm+I*jωLN
其中電阻RNx以及電感LNx等與電纜的長度，線徑和材料有關(guān)。
從該公式可以看到，零地電壓的形成與輸入配電電纜有很大的關(guān)系。同時(shí)零線中電流的大小和頻率也影響著零地電壓。電纜越長，線徑越細(xì)，導(dǎo)電性能越差，零線中的電流越大，電流頻率越高，零地電壓就越大。
2、零地電壓共模噪聲的危害
我們回顧一下共模噪聲及其產(chǎn)生會數(shù)據(jù)干擾的定義：
根據(jù)下列美國軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard定義。共模噪聲指的是疊加在一個(gè)電子信號上的任何不想要的對地或公共點(diǎn)噪聲干擾電壓，和差模噪聲一樣，共模噪聲是從不想要噪聲源藕合過來的噪聲，藕合方式有阻性藕合，容性藕合以及電磁藕合。
盡管共模噪聲不是一個(gè)噪聲源,但該共模噪聲干擾電壓必須在數(shù)據(jù)設(shè)備放大器中小心設(shè)計(jì)以防止其對電子信號元器件的干擾。
MIL-HDBK-419A
2.1.零地電壓產(chǎn)生高頻藕合循環(huán)電流和共模噪聲干擾電壓
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圖5：I高頻藕合循環(huán)電流回路
下面重點(diǎn)介紹由于零地電壓作用在零線與地線之間的寄生電容，以及作用在電源和負(fù)載設(shè)備零地之間EMC濾波電容Cm和C上所產(chǎn)生的高頻藕合循環(huán)電流回路共模噪聲對IT負(fù)載數(shù)據(jù)的影響。如圖5所示,即使設(shè)備多點(diǎn)接地,但由于Cm和C這些電容搭橋存在，在零地電壓VNG作用下，根據(jù)美國軍方標(biāo)準(zhǔn)MIL-HDBK-419A Standard容性藕合方式，將形成一個(gè)圖5右端所示高頻藕合循環(huán)電流回路,從而產(chǎn)生如圖6中IT計(jì)算機(jī)設(shè)備零地共模噪聲干擾電壓波形。由于這些電容會耦合一些電流到地線中，因此會在零線和地線中形成一定的干擾電壓。零線與地線耦合越強(qiáng)，耦合電流就越大，產(chǎn)生零地電壓模噪聲干擾電壓的影響就越大。事實(shí)上所有基于IT計(jì)算機(jī)設(shè)備系統(tǒng)都由兩種共同部分組成：半導(dǎo)體芯片(包括中央處理機(jī)、存儲器和外圍設(shè)備組件)和開關(guān)電源(用于將輸入電源轉(zhuǎn)換為中央處理機(jī)和支持硬件所需電壓)。零地共模噪聲干擾電壓對這兩部分系統(tǒng)都有嚴(yán)重影響!
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圖6 零地共模噪聲干擾電壓如何干擾數(shù)據(jù)流
2.2 零地共模噪聲干擾數(shù)據(jù)流(對半導(dǎo)體影響)：
目前IT設(shè)備產(chǎn)品使用的半導(dǎo)體對噪聲非常敏感,很多半導(dǎo)體部件的電源工作電壓被設(shè)計(jì)為 1.5 或 3.3 伏，甚至有的設(shè)計(jì)成1.3伏。由于電壓很低，這些部件之間的信號很容易受到失真影響，所以可能會傳輸錯誤的數(shù)據(jù)。在一些情況下，由于某種形式的糾錯程序仍在運(yùn)行，這只會使系統(tǒng)變慢;但在其他情況下，數(shù)據(jù)錯誤會導(dǎo)致系統(tǒng)丟包、誤碼、被鎖定或崩潰。當(dāng)噪聲找到進(jìn)入計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂綍r(shí)(例如因?yàn)樵跀?shù)據(jù)中心直流地、交流地與安全地最后都共用一個(gè)接地系統(tǒng)，當(dāng)噪聲干擾電壓找到進(jìn)入計(jì)算機(jī)直流系統(tǒng)干擾路徑時(shí)，易對直流系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊),將直接影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性，該共模噪聲干擾電壓級別可能很低，雖然低到無法破壞硬件，但卻可能使傳輸數(shù)據(jù)丟包、誤碼甚至導(dǎo)致數(shù)據(jù)崩潰，例如圖6最下端干擾圖，CPU時(shí)鐘300MHZ,芯片工作電壓1.5V, ,而圖6最下端干擾圖中顯示零地共模噪聲干擾電壓達(dá)到1.5V或更高時(shí),它完全能夠觸發(fā)電子信號所有上升沿和下降沿, 使數(shù)據(jù)崩潰甚至鎖定整個(gè)電子信號。而一旦鎖定整個(gè)電子信號，這時(shí)候需要重新發(fā)送數(shù)據(jù)。若此情況經(jīng)常發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)速度將會變慢。正是通過這些方式，零地共模噪聲干擾電壓也嚴(yán)重妨礙計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以最高效率和速度運(yùn)行。
2.3 零地共模噪聲對IT設(shè)備開關(guān)電源影響：
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(jī)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(shí)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(jìn)入計(jì)算機(jī)的設(shè)備。部分共模噪聲除了通過電源進(jìn)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?yàn)榱愕仉妷菏怯绊憴C(jī)器運(yùn)行可靠性的重要因素，零地電壓高會造成機(jī)器故障或損害，所以必須對它加以控制。因?yàn)榱愕仉妷旱男纬稍蚝軓?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(fù)載平衡。如果三相負(fù)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(fù)載，定期根據(jù)負(fù)載的使用變化監(jiān)測三相負(fù)載不平衡度,并進(jìn)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(jì)算地線線徑問題時(shí)，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(jì)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(shí)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?yàn)榻档透叽沃C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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載可以正常運(yùn)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(gè)獨(dú)立的電源系統(tǒng)(Separately derived source)，獨(dú)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。
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3.1.4.2. K factor隔離變壓器
在下列IEEE 1100-2005 8.3.2.2.3標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算機(jī)負(fù)載布設(shè)計(jì)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(biāo)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(qiáng)。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(gè)額定級別(雖然還有K30、K40、K50型號變壓器，但從實(shí)際來看，K因數(shù)超過20的負(fù)載并不常見，大型計(jì)算機(jī)測得的K因數(shù)通常為4到9，高集中單相計(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的翻譯
推薦設(shè)計(jì)安裝操作 IEEE Std 1100-2005
8.3.2.2.3電子負(fù)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(qiáng)設(shè)備)，將電子負(fù)載設(shè)備的系統(tǒng)配置連接到大樓的配電系統(tǒng)上。當(dāng)為電子負(fù)載設(shè)備供電的兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的電力系統(tǒng)不能使用與電子負(fù)載設(shè)備相同的接地點(diǎn)時(shí)，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(dú)立的分支電源系統(tǒng)。推薦的做法是，在盡可能接近電子負(fù)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(fù)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(fù)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(xì)信息。關(guān)于變壓器正確接地的詳細(xì)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(jìn)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)中對零地電壓要求
根據(jù)下列IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標(biāo)準(zhǔn)描述,通過在盡可能接近負(fù)載的位置安裝獨(dú)立的分支電源系統(tǒng)(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負(fù)載測得的零地電壓。
在靠近計(jì)算機(jī)類IT負(fù)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(diǎn)在于能夠非常有效的解決負(fù)載端零地電壓共模噪聲問題。因?yàn)閷⒆儔浩鞔渭壛憔€接地，這樣可以使負(fù)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(jì)算機(jī)負(fù)載的需要。
根據(jù)以上2.2章節(jié)的分析及IEEE標(biāo)準(zhǔn)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(fù)載的位置安裝獨(dú)立的分支電源系統(tǒng)(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負(fù)載測得的零地電壓, 使負(fù)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(shí),零地電壓不宜超過1V。
3.2.2.IEEE 1100-2005 8.3.2.3.1標(biāo)準(zhǔn)的翻譯
3.2.3.1 專用電路
為了給電子負(fù)載設(shè)備供電，最佳做法是安裝電子負(fù)載設(shè)備的專用分支電路。專用分支電路是具有獨(dú)立零線的電路，連接一個(gè)或多個(gè)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(dāng)使用線槽運(yùn)送大量電纜線時(shí)，各個(gè)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(fù)載的位置安裝獨(dú)立的分支電源系統(tǒng)(如，變壓器、PDU)，以盡量減少在負(fù)載測得的零地電壓。出于經(jīng)濟(jì)原因，相似的負(fù)載，若設(shè)計(jì)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(fù)載設(shè)備設(shè)計(jì)提供單獨(dú)的專用分支電路接線和插座，而為日用負(fù)載或高沖擊負(fù)載(如電動卷筆刀、便攜式電器)卻應(yīng)提供另外單獨(dú)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(jì)算機(jī)等IT負(fù)載的數(shù)據(jù)傳輸,甚至使這些IT負(fù)載無法正常開機(jī)。因此在用戶安裝的某些負(fù)載(例如HP小型機(jī)、IBM服務(wù)器等)時(shí)候, 服務(wù)器安裝工程師非常關(guān)注零地電壓。當(dāng)有經(jīng)驗(yàn)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(shí)，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(jī)啟動服務(wù)器。(見下面IBM公司iseries服務(wù)器:plan for hardware and software有關(guān)零地電壓的指導(dǎo)文件)。
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