关于数据中心供电系统省去工频隔离变压器的探讨

“低碳节能足责任更是能力”，提高能力才能负起责任!不主张省去工频隔离变怔器的主要原因堤什么 一是错误地把“零地地电压”看作是主要干扰电压或扩大其危害。二是零线过长，若二次接地，入地电流产生骚扰。
　　
1.设置工频隔离变压器的代价
　　
1.1增加初期投资
　　
(1)增加了购买要满足全部隔离功率之用的大容容量、大重量、大体积的工频隔离变压器及其辅助设备的初投资。
　　
(2)大容三工频隔离变压器需要变压揣室或变压器柜，增大了芒罚面积，也增大了初期投资。
　　
1.2增加日常运行成本
　　
工频隔离尘玉委罚效率通常约为95%，损耗功率约为5%，因此二簧也增加约5%，利润相应减少。运行初期轻载时，变压器的效率更低，电费增柳得相对值更多；以后由于发电机的燃料日渐紧张，多种因素成本增加，电费惭大的棚率甚大，对于利润率本来就不言巧企使来说，是不可轻视的因素。
　　
1.3环境污染增大
　　
这些额外的投资和利润的减少，其不易发觉的后果足对社会环境的污染增大。大功率工频变压器在生产过程中，大量的硅钢片，铜导线等各种材料，从原材料的开矿、冶炼、加工，到宰部件及整体设备的制作、组装，测试；运行时各方面的消耗:对发电厂、变电站、输电线占用容量的增大，燃料消耗及运行成本的增棚。折合到碳的消耗，加大了全国、全球向低碳经济灰展的难度。
　　
2.不该用零地电压来衡量对通信的干扰
　　
2.1五线制的零线由电源传用
　　
(1)通信专业的供电系统采用三相五线制，而不同十通用的供咆系统采用三相四线制的初衷是:将为提供埠相电压和电流所必须的零线和通信信号传输和抗干扰用的工作地线分开，减少零线电恍对地线电压的干扰。
　　
(2)零线的骚扰电压由电源设备来隔离。许多情况下，电源设备捏装在IT设备里面，或称做电源部分、电源电路。即使零线接人IT设备，也只是接入电源电路。
　　
经电源处理后，接到lT设备巾的信号电路的电源输大端，还要经过去耦滤波防止互相干扰的处理，才接到信号电路的电源线，不直接涉及信号的任何连接点。
　　
但需要将信号叠加在直流电源电压上传输时，此直流电源的骚扰电压(如:脉动电压、波纹电压、杂音电压)有更严格的要求。如电话、计算机上网的48V等。
　　
(3)地线的骚扰电压是干扰因索:参考资料中曾讲到工作地线的宽带及衡吏电压比零线少一个数量级。所以工作地线与交流零线分开能减少工频交流对通信的影响。这句话说明工作地线上的电压是起干扰作用的电压，而零线上的电压(在相当大的范围内)已起不到干扰作用。
　　
2.2国际上不认可零地电压
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国际上无零地电压之说。试问在中国，有这一电压对lT负载影响的确凿证据吗
　　
2.3实际测试

中国电信联合华为公司的技术专家进行了零地电压加扰测试、抽检调研巴，22V以下的零地电压对机架式服务器和刀片式服务器无影响；10V以下的零地电压对DTU数据通信设备无影响。
　　
2.4“零地电压”难以通过高频开关整流器传到直流输出端
　　
电源设备的抗干扰能力很强，不要与IT设备中计算机CPU等电路怕干扰的榔念相混。常用的电器如:计算机、电视机、DVD、音响等设备，其交流电源的输入线，如米用两芯插头和插座时，插头随意插入有电的插座，接通电压就可以用了。使用时不用辨别插头和插座上哪一个触头是L(相线，火线)和哪一个触头是N(中线，零线)；也不用辨别插座上写的L和N实际上接对了没有。大量的实践说明，这些电器输人电源的两条线都不怕承受交流220V有效值(峰值约310V，峰一峰值约620V)高电位的骚扰。只要保证两条输入线之间的电压在正常范围内就能正常工作。
　　
通信专用电源设备的抗干扰能力理应更强。其机理分析如下:
　　
(1)高频变压器的1电位的隔离作用
　　
①隔离的必要性:高频开关整流器要考虑到整流器输出电压的某一端，要接通信设备的工作地线或某一指定的电位，或保证人体接触时的安全性，不应受工频交流输人电压某一端是否接地、电路方案选择的机动性等因索决定。必须设有高频隔离变压器，起变压和隔离双茧作用;不但把逆变电路输出的数百伏的高频矩形波电压变换成低电压的矩形波电压，还要将一次绕组的电路与二次绕组的电路相绝缘。
　　
②绝缘层参数:一次绕组与二次绕组之间的绝缘层要经受2kV、5OHz正弦波有效值(峰值约2.8kV)一分钟的耐压试验，绝缘电阻为兆欧级。高频变压器的体积小，一次绕组与二次绕组之间分布电容很小(与两绕组紧挨着的面积和两绕组之间绝缘层的厚度有关，例如:100-1000pF的分布电容l。对I频及其3次谐波等成分的容抗极大(如10OOpF的电容对5OHz的电压和电流的容抗1/ωC为3.18kΩ)，大致在兆欧级，可以忽略其影响。但对于高频开关频及其谐波频率的电压的骚扰，此分布电容的影响应加以考虑。例如:对于5OkHz频率(频率比50Hz提高了1000倍)的电压和电流的容抗相应减小(同一电容，容抗小了1000倍)，1000pF的电容容抗为3.18kΩ，所通过的电流也较明显，即与抗干扰有夫。
　　
③低频成分的电位隔离:1V宰地电压中的低频成分在上述分布参数中产生的骚扰电流，只有微安µA)数最级左右。而高频开关整流器的直流输出两端，往往其中有一端是接地的，对接地点的阻抗通常在1Ω以下。所以，此因素引起地线上的骚扰电压只是微伏(µV)数量级左右，不可能破坏输出端电位对地线和大地的稳定。可见高频隔离变压器低频范围的(电位)隔离作用是非常完善的。所以，不但1V的零地电压对输出端骚扰电压影响极微(可以忽略)，就连220V的交流相电压(为分析从简，并适用于不利的情况，即使此电位直接加在变压器一次侧)对输出端骚扰电压影响也甚微小(可以忽略)。[p]

以上分析说明，高频变压器绕组间的绝缘层所起的隔离作用，对工频及其谐波来说是完善的。变压器一次侧电位变化无论是大(数百伏)或是小，对二次侧的影响都很小(可以忽略)。也就是对变压器一次侧的全部电路(包括整流、逆变等)、任何电路类型(如整流电路的桥式整流电路、半波整流电路等;逆变电路的全桥逆变、半桥逆变等);输人电压连接的改变(市电有相线和零线，高频开关整流器有两个输入端:1端和2端。如原来相线连到1端，零线连到2端的，现在改变连接，即零线连到1端，相线连到2端)多脱离不了上面分析的结论。即由于方案或连接的变化，不沦对变压器一次侧电位的改变有多大(只要不把绝缘层击穿)，对二次侧影响的差别也甚微(可以忽略)，

若高频开关整流器的直流输出两端都不接地，则应通过抗千扰滤波器的电容量适当大的电容器接地，其对地阻抗应比高频变压器的(上述)分布电容的容抗小f百倍。将骚扰电压在此电容器上的压降，限制到很小的范围。
　　
(2)高频开关整流器(内部强骚扰源)对输出端和输入端(电压、电流)的骚扰
　　
电压、电流的骚扰有别于上述电位的骚扰。
　　
①零线压降对相电压的影响:高频开关整流器容许输人电压变化范围是相当宽的，通常为220V士20%(某些产品允许更宽的输人电压变化范围)，此条件下，输出电压都应该稳定，通常不稳定的程度小于1%，使供电正常。
　　
使输人电压降低的因素与压降份额大致分配举例如下:lOkV高压市电降低5%，配电变压器满载时内阻抗压降使输出电压降低5%，低压输电线的相电压降5，低压输电线的零线压降5%(220V的5%的为11V)。
　　
对于输入侧没有功率因数校正级的(较小功率的)高频开关整流器输入电流中含有明显的3次谐波电流，各相的3次谐波电流在零线中是同相位相加的，为了控制零线压降不过大、零线温升不过高；零线导线的截面积不应小于棚线的截面积(通常前者在后者的1一1.5倍之间选取)。
　　
②内部电路的骚扰源与抗干扰措施。工频交流输入侧的单相桥式整流电路，由于电容滤波，使输人电流中含有较大的3次谐波成分，影响交流供电系统的功率因数和零线压降。为此，输入侧设有抗干扰滤波器(或称防倒灌滤波器)，减小电流申谐波成分，使输入功率因数提高和零线压降减小;要求更高时，可设有有源功率因数校正电路。
　　
逆变电路产生的数百伏(如240一400V峰值或480D800V峰一峰值)的高频矩形波(脉宽可调的)电压既是工作电压，又是大的骚扰电压的来源。为了提供输出所需的低压直流电压(如12V)，高频隔离变压器将数百伏的矩形波变为比l2V适当高些的矩形波电压，骚扰电压也相应降低，再经高频整流、滤波(也可含有输出侧抗干扰滤波器)，输出直流电压;其中骚扰电压成分可用脉动电压(峰值或峰-峰值，应加注明)来表示(注:纹波电压应是有效值，但某些产品用它来取代脉动电压这个名称)，如输出直流电压12V的，脉动电压(峰一峰)值小于或等于1OOmV。输出电压较低的产品，骚扰电压也应较小。有些产品将骚扰电压限制得更小些。这些指际已与通信用途相适应了(注:此类电源的输出电压并不承扭通信信号的传输)。[p]
　　
48V通信用的高频开关整流器输出杂音电压，具有详细的技术指标:电压衡重杂音电压≤ZmV(300-3400Hz)。峰一峰值噪声电压≤200mV(0-2OMHz)。宽频杂音电压≤5OmV(3.4一15OkHz);≤2OmV(O.15一3OMHz)。离散杂音电压≤5mV(3.4-15OkHz);≤3mV(l50-2OOkHz);≤2mV(200-500kHz);≤1mV(0·5-3OMHz)。
　　
注:48V直流电压是电话、计算机上网等电信号传递用的电压，其杂音电压直接混入信号电压，所以要求很细致。
　　
(3)雷击过电压的防护
　　
市电引人建筑物后220/380V低压系统应经数次(分为6kV、4kV、2.5kV、1.5kV四级)电涌保护器(SPD，也称避雷器)在受雷击时放电保护，使浪涌电压限制在2.5kV(一般电器能承受的)或1.5kV等级。由于通信用开关整流器内部半导体器件过电压的承受能力不大，内部还应设有防雷措施，如:输入抗干扰滤波器、氧化锌压敏电阻、雪崩二极管等(视设计选用)，以保护设备可靠运行，并使骚扰电压限制在容许范围。
　　
2.5零地电压难以准确判断零线可靠接通
　　
(1)零线可靠接通的重要性
　　
三相电路中存在单相供电时，若零线末接通，在开机过程中及开机后，常处在严重不对称的状态。极限情况举例:
　　
三相负载全末开机时，三相都无电流，此时，某一相负载先开机合闸时，原以为输大有相电压(如220V)的，可实际上为OV或只有些干扰电压(条件是:负载的额定电流之和远大于干扰电流)，即开不通。原因是:零线末接通，其他两相的负载末合闸。相电压(如220V)没加在负载设备上而加到断开了的零线与三相交流电源的零，点(中点)之间了。此时，其他两相的相电压却加上了线电压(如380V)了。在这种情况下，如果再将功率小得多的负载(额定电压为220V的)在已经过电压到近似线电压(如380V)的一相上合闸，那将多么危险!
　　
(2)为了判断n零线可靠接通
　　
lT设备开机之前测量零地电压，是IT设备厂商为保证零线可靠接通为目的，而用的简单测试方法。方法虽简单，但问题也不少。
　　
(3)1V零地电压判断零线可靠接通的确定性
　　
①零地电压超出lV就认为零线没有接通、接好，误判的概率甚大。实际上零线是接通、接好了，而往往是零线受干扰的电压相对其大，而误判为零线没有接好。为此，而要增设大功率的工频隔离变压器是冤枉的，并增加成本。
　　
②测得零地电压小于lV时，能代表零线接好了吗 不一定!因为还不知道零线与三相交流电源的零点(中点)之间是否接好，所以还要用别的办法来检测。
　　
③测得零地电压小于lV时，是否能确定零线与地线之间一定连通了 不一定!零地电压若大于1V，此电压来自骚扰电压;如果骚扰电压较小，也可能出现。在零线与地线之间不连通的情况下，零地电压小于1V，而判为连通了，岂非错哉![p]
　　
④出现以上问题的原因:是经验方法的不严格性!只测电压，不侧电流。电流是随意的!是难以掌握的骚扰电流。误差大!结论是对是错都说不定。
　　
极限状态举例:两根没受骚扰电压的导体，两导体相连通时，测得两导体间的电压为零;而两导体断开时，测得两导体间的电压也为零。两个都是零，无法判断通或断!
　　
(4)选用或组合而形成可靠的测试方法判断零地的接通、接好，是测电阻物理量。接通、接好时，测得小电阻值;要测大电流和小电压。断开时，测得大电阻值，要测大电压和小电流。测试方法举例:
　　
①测试通不通，应该在被测试的线路上通以远大于骚扰电流的测试电流，用测电流、电压法，可求得线路电阻或阻抗，判断是否符合设计要求。
　　
②用测试电阻的仪表来测试线路电阻。但要注意被测电阻很小时，仪表的误差，仪表受干扰的影响。
　　
③单相试加负载法:用不易损坏的器件作负载，例如:利用照明电器，如白炽灯(在0-230V郡可用，很宽的电压范围邵能看出亮度的变化，可估计电压的高低)、荧光灯仰光灯)(在0-230V也安全，但较宽的低电压区是不亮的)等;作为单相试加负载。若发现各相电压不正常(如上面山小段所述)，则零线是断的，要注意电路申有的相电压有过高的危险;若各相电压正常，零线电压在压降容许范围内(主要以设计为准，或大致估算如下，测得的零线电压后，要推算出零线长度5Om、单相满载和其他两相空载时零线电压，应不超过11V)。为减小误差，测试时负载电流应远大于骚扰电流。
　　
为全面可靠起见，应先后对每相部做该项试验。并且长时间加载，验证线路温升和连接处的温升。

3.地线电位差是IT设备的干扰因素
　　
3.1使电位稳定需要接地
　　
大地的体积大，电容大，所以电位稳定;其面积大，所以影响广，可作为基准电位。通信设备的电子电路或器件、信号传输的线路等电器在末接地时，依靠对大地介布电容及漏电阻来稳定电位;但对地阻抗大，易受干扰。若将它们(需要接到基准电位的端子)经金属接地体来接地，则对地阻抗小，不易受干扰。
　　
3.2地线电位差异对通信的干扰
　　
(1)电信局站之间的通信常用两线制或三线制，其申一条信号线两端是接地的，为的是对地电位稳定，不易受干扰。但是地线(的各点位)到接地体，接地体再到大地，两部分的电位差也会受到不同骚扰;两个相隔有距离的基站，以上这些电位差的骚扰也不同;分配到传输信号的地线两端的电位差就要叠加到信号输入端，成为传输信号的干扰电压。
　　
(2)御测试结果:按照相应测试数据分析，当通信系统分散而采用R5232和同轴电缆传输信息时，由于地电位的差异(注意:不是指零地电压的差异)导致了对数据通信的影响。[p] [p]
　　
③接地装置可利用的面积显著增大，大规模的接地装置的接地电阻很小。
　　
(2)联合接地的构成
　　
新建的电信局站应尽量采用等电位联合接地，整个大楼建筑的墙壁、柱子和(各层)地板中的钢筋总体设计成笼形，钢筋交叉之处采用良好的焊接，构成电阻很小的网状等电位体，利用大楼的基础和笼形钢筋构成接地电阻很小(应≤1Ω，例如:0.24Ω、0.15Ω等)的接地装置。
　　
4.2电位平面
　　
(1)由于建筑物钢筋的截面大，数量多网状结构，从任何位置、任何方向看，郡能看到大量的并联通路，使电阻和电感变得很小，远比单根导线电阻和电感小。本层楼板钢筋视为等电位的基准平面，简称等电位平面。由墙壁和柱子中的钢筋将各层楼板钢筋连接成为的等电位平面。
　　
(2)也可将本层楼板敷设的金属网视为等电位平面
　　
将各层楼板的基准平面与接地干线连接，使各层的基准平面电位相一致(或近似一致)，组合成为总的等电位平面。
　　
注:平面的引号，只是关系到结构上是多层的，电气上是单层的或近似的。
　　
4.3等电位平面的功能
　　
(1)山零线和地线缩短
　
各种电源设备、电信设备的零线和地线的电位和电流都用这个等电位平面来传导，各种设备的零线和地线的端口用短引线就近接到这个等电位平面上。也就是零线和地线只剩下短引线了，零线电压和零地电压也就很小了。不会出现零线过长，不需要二次接地，也不需要隔离变压器。
　　
(2)三相电压的对称性改善
　　
零线电流山等电位平面来传递时，零线压降很小，三相电压的对称性改善。
　　
(3)高频型UPS可以二次接等电位干面，而不需要外接工频隔离变压器
　　
高频型UPS(内部没有隔离变压器的UPS，其输入零线与输出零线在UPS内部是一根导线相连的方案)，输人电压取自相线和等电位平面(即第一次接等电位平面)，输出电压的零线是否也可接同一等电位平面(即第二次接等电位平面)呢 可以的，因为不等于二次接地。整个大楼只有一个联合接地，不存在(前述)二次接地的错误。
　　
(4)减小对大地的分布电容建筑中导电良好的笼形结构钢筋，使室内空间起到相当的屏蔽作用(只有窗是屏蔽差的部分)，具有骚扰电压的电器和导体对窗外大地的分布电容相应减小，骚扰回路对大地的分布阻抗相应增大，大楼接地装置的人地电流减小，接地点与大地间的骚扰电压减小，对抗干扰有利。
　　
4.4等电位平面要关注的问题
　　
等电位只是理论的极限、概念的趋向。耍做的事就是减小误差，要减小对地电位的骚扰电压应关注下列问题：
　　
(1)要关注的是电力变压器的零线接到接地干线上或建筑物钢筋柱子上等电位连接端子的位置，与电信设备接到接地干线上等电位连接端子的位置之间的距离要小。电力变压器还要就近接该端子，电力变压器应安装在建筑物内的适当位置。[p]
　　
(2)零线电流分布在接地干线导体上或建筑物钢筋柱子上所形成的压降，是对电信设备接地点的骚扰电压。为此，若利用接地干线时，其横截面要大(单位长度的电阻小)，铜排要宽(磁力线回路的距离长，磁通密度小，铜排单位长度的电感小)来减小接地千线的阻抗，可减小地电位的骚扰电压。若利用建筑物柱内钢筋时，特别要注意该柱子
　　
钢筋的设计：例如，钢筋的横截面、钢筋的数量、钢筋之间的焊接、柱子钢筋与楼层钢筋之间的电流集散的合理布局，在何处和如何引出连接点等。都要从减小电阻和电抗角度来作合理设计，减小等电位平面上的电位差，从而减小地电位的骚扰电压，使系统满足使用要求。
　　
(3)等电位平面与四线制和五线制的关系：前者与后两者在结构上、性能上和执行的规定上差别如此之大，怎么理解呢 实际上，等电位平面供电系统的等效电路和电性能，相当于短线(或粗线)的四线制再接短线的五线制。