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关于数据中心供电系统不设置工频隔离变压器的探讨

关于数据中心供电系统不设置工频隔离变压器的探讨

点击数:7554 次   录入时间:03-04 11:37:01   整理:http://www.55dianzi.com   防雷保护技术

  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

  工频隔离效率通常约为95%,损耗功率约为5%,因此成本也增加约5%,利润相应减少。运行初期轻载时,变压器的效率更低;以后由于发电机的燃料日渐紧张,多种因素成本增加,对于利润率本来就不高的企业使来说,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?A)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(?V)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)。



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  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480―800V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)。



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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。

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