零線阻抗的大小取決于零線的線路長度與線徑，對于數據機房而言是個不變量；而零線電流的大小則取決于下列運行條件：
n 電網三相電壓、相位的對稱度；
n 三相負載電流大小的對稱度；
n 三相負載相位的對稱度；
n 三相負載中是否有3n次諧波的存在等。
其中，電網三相電壓、相位的不對稱對數據機房用戶來說，屬于不可控、不可管的“正常現象”，在此不作討論。
1. 三相負載電流大小不平衡時產生的零線電流I1-1
當L1母線三相配電系統中各相負載大小不相同時，就會出現三相不平衡電流，這一不平衡電流匯流到N1零排時，就合成為零線電流I1-1,如圖2(a)所示。
最極端的情況，當A、C兩相的負載全部跳開時，此時的零線電流I1-1就等于B相的電流IB，達到該條件下零線電流的最大值，如圖2(b)所示。
圖2 零線電流的合成
2. 三相負載電流相位不對稱時產生的零線電流I1-2
當I段母線三相配電系統中各相負載的輸入功率因素不相同時，三相電流IA、IB、IC的相位不再符合相差120°的相位關系，此時也會導致不平衡電流的出現，同樣在N1零排處，匯合成零線電流I1-2，如圖2(C)所示。
3. 三相負載中的3n次諧波電流的存在產生的零線電流I1-3
由于非線性負載的存在，導致了零線中不僅有基本電流流過，還可能有三次及三的倍數次諧波流過。其基波電流可表示為
iA=IAmsin100πt
iB=IBmsin(100πt-120°)
iC=ICmsin(100πt＋120°)
相應的各相三次諧波電流為
iA3=IA3msin300πt
Ib3=IB3msin(300πt-360°)
iC3=IC3msin(300πt＋360°)
可見盡管基波電流相差120°，但是其三次諧波電流剛好同相位，在N1零排處直接相加成為同相的零線電流。
由上述三種因素所產生的零線電流，流過N1零排到變壓器之間的零線，就形成了零線壓降，出現了我們通常所說的UPS輸入零地電壓，這一零地電壓可計算為
UNI-G＝(I1-1+I1-2)*Zn1-G+I1-3* Zn1-G3
如果線路較長、負載的不平衡度很高或含有三次諧波的非線性負載較多，就可能使UPS的輸入零地電壓很高。
由此可見，可以總結如下：
n 零地電壓與通常的電壓完全相同，只是不平衡電流和三次諧波電流流過零線產生的壓降；
n 越是在供電鏈路的末端，其零地電壓越高。
三、UPS產生零線電壓增益的機理
前面我們分析了由配電線路產生的UPS輸入零地電壓的形成機理，但是UPS產生的零線電壓增益的機理與此有所不同。接下來我們就來分析一下老式的具有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機）和新一代的無需升壓變壓器UPS（所謂的高頻機）的零線電壓增益的產生機理。
1. 具有有升壓變壓器UPS（所謂的工頻機）零地電壓增益的產生
所謂的工頻機（如圖3所示）采用可控硅相控整流將交流變成432V直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電還原成成交流，但這一雙轉換后的線電壓只有190V，為了滿足負載輸出380V/220V的需要，不得不在逆變器的輸出端（注意：不是在UPS輸出，不含旁路輸出端）加一１:2的升壓變壓器將190V的線電壓升高到380V；同時，通過這一變壓器的△/Y0接法生成零線，以實現UPS三相四線制的輸出要求。所以對于所謂的工頻機而言，輸出升壓變壓器是必加的標準件，否則就根本無法正常工作。
對于本文討論的主題零地電壓而言，我們從圖3不難看到，即使有了這一隔離變壓器，但是零線與地線在UPS內部從輸入到輸出是直通的，UPS關機時，我們很容易量測到UPS輸入零地電壓絕對等于輸出零地電壓，所以這一隔離變壓器在UPS內部沒有起到任何的隔離作用。在UPS正常開機工作時，由于旁路關斷，其零線上也不會有電流流過，所以由零線電流產生的零地增益在UPS內部基本是不存在的。
但是如果UPS輸出的濾波器設計不好或電容故障，就會導致逆變器輸出的PWM高頻電壓成份會部分溢出感應在零線上，產生一定的零線電壓增益，其大小完全取決于濾波器參數的優劣，通常可達3~5V，頻率上明顯含有高頻成份。如果設計得到好，這一電壓增益通常應為0.5~1V。
圖3 工頻機的零地電壓
2 無需升壓變壓器UPS的（所謂的高頻機）產生的零線電壓增益
所謂的高頻機（如下圖4所示）則采用先進成熟的IGBT升壓整流技術將交流變成600V左右的直流電，再通過IGBT高頻逆變器將這一直流電直接還原成380V/220V三相四線制的交流電，所以無需所謂工頻機的升壓變壓器。這是21世紀以來現代電力電子技術最偉大的技術進步之一，它使UPS的變換效率大幅度提高，內部損耗發熱大幅度減少，器件的可靠性得以明顯提高。
從圖4可以看到，就零、地線而言，高頻機UPS與工頻機UPS完全一樣，都是在UPS內部從輸入到輸出是直通的，不會產生零線電流產生的零地增益。但是，對于早期的高頻機或某些高頻機技術起步較晚的廠商，出于降低成本的設計考慮，其濾波器設計容量偏小，導致了較高的PWM高頻電壓成份溢出感應在零線上，產生一定的零線電壓增益，其值達3~5V,并伴有明顯的高頻成份。現在許多廠商已經認識到中國用戶對零地電壓的關心，所以改進了輸出濾波器設計，其零線電壓增益通常僅為0.5~1V,而且這一波形中不含高頻成份。實測某IDC伊頓9395高頻機UPS的零地電壓，顯示為電壓0.6V,頻率50HZ,不含任何的高頻電壓成份。
圖4 高頻機的零地電壓
由此可見，可得到如下結論：
n 高頻機與工頻機具有同樣的零線電壓增益產生機理，零線與地線在兩種UPS內部都是直通的；
n 只要濾波器設計得好，兩者都可以很好地解決零地電壓問題，并使零地電壓不含有高頻成份，反之，兩種UPS都會產生較高的零地電壓。
四、IT負載機柜輸入點的零地電壓才是“最可怕”的零地電壓
數據機房用戶通常非常關心UPS輸出端的零地電壓高低，也非常關心樓層輸出配電柜的零地電壓高低，但是唯獨從從不關心機柜內部IT負載設備輸入端的零地電壓高低。如果零地電壓真的對IT負載有影響的話，不管你在UPS的輸出端、樓層輸出配電柜上采取什么樣的降低零地電壓措施，只要IT負載設備輸入端的零地電壓UN-G2不小于1V的話，其“嚴重的危害”就依然存在。而IT負載機柜輸入端的零地電壓是所有UPS輸入零線壓降、UPS輸出零線壓降及樓層配電零線壓降的疊加，可謂是零地電壓的最前哨“重災區”。
1、UPS輸出零地電壓－U N2-G
UPS輸出零地電壓等于UPS輸入零地電壓加UPS產生的零線電壓增益，即
U N2-G＝UNI-G＋UN-UPS
2、UPS樓層輸出配電柜上的零地電壓－U N3-G
樓層配電輸出的零地電壓等于UPS輸出零地電壓加UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益，即
U N3-G＝UN2-G＋UN3-N2＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2
這里，UPS輸出到樓層配電柜之間的零線電壓增益UN3-N2的形成機理與UPS輸入零地電壓完全相同，在此不再鰲述。
但往往樓層配電柜輸出的零地電壓高低通常也是數據機房用戶關心的核心問題，特別是當UPS到樓層配電柜之間的輸電距離很長的時候，盡管UPS輸出端的零地電壓已經做到了小于1V，但是樓層配電輸出的零地電壓卻仍然高達3~5V以上。
為了消除這一問題，許多迷信零地電壓將影響或損壞IT負載的用戶就不得不在樓層配電柜里加一△/Yo隔離變壓器，并將變壓器輸出的中心點重新接地，即形成新的接地點G2，如圖5所示，這樣就在樓層配電柜的輸出零排上生成了新的零地電壓，而且此時的零、地線是“緊密”地連接在一起的，所以其新的零地電壓一定小于1V，符合了用戶所能接受的零地電壓要求。有些廠家為了迎合用戶的需求，專門將這一配電柜美其名為“精密配電柜”。
圖5 樓層配電柜的零地電壓
3、IT負載輸入端的零地電壓
就目前的數據中心機房而言，樓層輸出配電柜到負載機柜之間通常采用單相配電，這樣在這一配電區間內的零線電流就等于機柜負載電流I4，此時在樓層配電與IT負載之間產生的零線電壓增益為UN-N3=I4*ZN-N3,由于I4較大，而配電的線路又較細，這一電壓依然可能大于1V。例如，對于一個負載為3500W的機柜，從如果樓層配電柜的分路配電到機柜的電纜為2.5 mm?，電纜長度為20m(假設為較遠端的機柜)，此時的零線電阻為0.15Ω.，滿載零線電流為16A，則產生的零線壓降就達2.4V。
(1) 樓層配電柜中配置了隔離變壓器的IT機柜端的零地電壓
對于樓層配電柜里設置了隔離變壓器的系統，見圖6，此時的IT負載輸入端的零地電壓就等于IT設備輸入端的N點對UPS后端的隔離變壓器輸出接地點G2的電壓差，就等于零線上產生的零線壓降：
UN-G2= UN-N3+UN3-G2＝2.4V+0V=2.4V >1V
可見，即使對于樓層配置了變壓器，且樓層配電輸出端的零地電壓等于0V的配電系統，實際IT負載輸入端的零地電壓依然達2.4V,遠大于1V。
圖6 機柜端的零地電壓
(2) 樓層配電柜中沒有配置變壓器的IT機柜端的零地電壓
如果在樓層配電柜里沒有設置隔離變壓器，那么IT負載輸入端的零地電壓等于IT設備輸入端的N點對UPS前端的高壓10KV/380V變壓器輸出接地點G的電壓差，如圖7所示，其相應的零地電壓計算等效電路如下圖所示。
UN-G= UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋UN-N3＝UNI-G＋UN-UPS＋UN3-N2＋2.4V
此時的實際IT負載輸入端的零地電壓顯然會遠高于2.4V。
圖7 沒有配置樓層變壓器的機柜端零地電壓
從上面的分析可見，可以得到如下兩點結論：
n IT負載輸入端的零地電壓才是真正可能對IT負載產生“可怕影響”的關鍵零地電壓；
n 即使在UPS輸出，甚至樓層配電輸出的零地電壓做到小于1V，實際IT負載輸入端仍可能有大于1V的零地電壓。因此，要保證每個機柜IT負載的零地電壓小于1V是不可能的，除非在每一個機柜上再安裝一臺隔離變壓器。所以，僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實現零地電壓小于1V的做法，不過是自欺欺人的自我安慰而已。
五、零地電壓對IT負載的影響
零地電壓對IT負載是否真的有影響，關鍵的問題是零地電壓是否真正傳到了IT內部的CPU、存儲芯片等核心部件。實際上，通過分析IT負載內部的結構不難得到，UPS輸出的電壓只是給IT負載內部的電源模塊供電，這一電源模塊的輸出才向IT內部的核心部件供電。
所以，要了解零地電壓是否對IT負載有影響或影響的大小，關鍵是零地電壓對這一電源模塊的輸出電壓是否有影響或產生多大的影響。關于這一點，我們只需要分析一下IT負載內部電源模塊的電路工作原理，就會得出理性的結論。
當前IT負載內部的輸入電源模塊采用兩種制式，即ATX標準和SSI標準。ATX標準是Intel公司在1997年推出的一個電源規范，輸出功率一般在125瓦～350瓦之間；SSI（Server System Infrastructure）規范是Intel聯合一些主要的IA架構服務器生產商在ATX標準上推出的新型服務器電源規范。這兩種電源的主電路如圖8所示。
分析這一電源的工作原理可以看出，無論是ATX還是SSI電源，UPS輸出的220V交流電進入IT負載內部后，都必須經四級變換，最后轉換成穩定的12V、5V、3.3V的直流電壓，提供給IT負載內部的CPU、內存、存儲設備、網絡通信芯片等“真正的負載”使用。這四級變換如下圖所示，分別為：
n 第一級：橋式整流器，將220V交流電變為約200~300V的直流電；
n 第二級：高頻逆變器，將直流電再轉換成幾十到幾百KHZ穩壓的高頻交流電；
n 第三級：高頻隔離變壓器，將高頻交流電降壓并隔離；
n 第四級：高頻整流器，將穩定的高頻交流電轉換成穩定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。
（b）SSI標準
圖8 IT負載的輸入電源
1. 零地電壓在IT電源內的傳播途徑
從上圖可見，具有數伏零地電壓的220V交流電，進入IT負載的電源后，從第一到第二級，也許我們還能“追尋”到這一電壓的存在蹤跡，但是經過第三級后，由于變壓器的隔離作用，這一共模電壓在變壓器的隔離輸出端被徹底消除，后面的電路已經沒有了零線，只有直流的正、負極，所以也就不再存在所謂的零地電壓及產生的干擾。此外，無論是ATX還是SSI電源，都在其輸入端設有共軛電抗器與Y電容，這一部件基本就可將共模的零地電壓阻隔在IT電源的第一級以外。
可見，零地電壓進入IT負載內部后，從傳播途徑看，經共軛電抗器抑制后，終結于內部變壓器的前端，根本達不到真正的IT內部CPU、RAM、EPROM、硬盤等的供電端，所以無論是多高的零地電壓都根本不可能對數據系統造成任何影響。
有必要指出的是IT負載電源輸出的12V直流電壓，就是經第三級高頻逆變器的高頻變換得到的，其變換頻率通常高達50KHZ~150KHZ，遠高于高頻機UPS的變換頻率，所以高頻變換是IT電源自身的根本，IT負載不懼怕“高頻”。
2. “零地電壓”與“相地電壓”
“零地電壓”已經廣為人知，而“相地電壓”的概念卻似乎有點好笑。但是，如果我們能簡單地分析一下相線和零線在IT負載內部的傳播途徑，我們就會得出非常驚奇的結果。由于ATX和SSI的變換結構幾乎相同，所以我們以SSI制式電源為例來說明。
具有零地電壓的UPS輸出AC 220V電壓進入IT負載的電源后，在輸入電源的正半周，經第二級的整流后，相線L與第三級高頻逆變器的正母線連通，而零線N則與負母線連通，見圖9(a)；而在輸入電源的負半周，則剛好相反，零線N與正母線連通，而相線L則與負母線連通，見圖9(b)。
由此可見，在IT負載的第二級后，相線與零線具有完全相同的功能與流通線路。這樣，如果“零地電壓”高將影響IT負載的正常運行，那無疑“相地電壓”高也會對IT負載產生致命的影響。而零地電壓我們可以通過技術手段讓它小于1V甚至等于0V，但是，如果我們讓相地電壓也控制到小于1V以下的話，那么IT負載的輸入就沒電了，數據機房也就直接癱瘓了。因此，從這一反例也可看出，強調零地電壓小于1V是一個荒謬的概念！
分析這一電路的交流輸入部分，還可以得出一個更有趣的結果，由于輸入電路的完全對稱性，如果我們讓“零地電壓”等于AC 220V，而讓“相地電壓”等于0V，這一IT電源的輸出將不受任何影響地正常工作。所以，從理論上說，IT負載的安全零地電壓應為AC 220V，問題是這時如果相地電壓也等于220V的話，輸入IT負載的相零電壓就等于0V或440V了， IT負載就出現了斷電或高壓事故！如果我們能設計一具有零地電壓、相地電壓和“相零電壓”都等于220V的“特殊UPS”向IT負載供電，則IT負載將不受任何影響。
(a)正半周時，相、零線在IT電源的位置
(b)負半周時，相、零線在IT電源的位置
圖9 零地電壓與相地電壓概念
3.零地電壓對服務器等IT設備及通信設備的影響測試
中國電信電磁防護支撐中心聯合華為技術有限公司的技術專家，對服務器等IT設備、DTU數據通信設備進行了零地電壓加擾測試，同時對中國電信120多個機房的121臺在網設備進行了抽檢調研，得出的結論如下：（詳見參考文獻1）
“（1）從對機架式服務器和刀片式服務器的加擾測試結果來看，22V以下的零地電壓對這兩種服務器無影響。
（2）10V以下的零地電壓差對DTU數據通信設備無影響。但在通信系統分散的情況下，零地電位差會對數據通信產生影響，其原因是零地電位差會在數據通信線路的設備端口之間造成地電位差。（筆者注：根據筆者對整個測試報告和報告中所給出的線路圖的分析，準確地說，應該是當采用RS232和同軸電纜通信時，由于地電位的差異導致了對數據通信的影響。這里的地電位實際上與輸入電源的零地電壓無關，它們是完全不同的兩個概念，換句話說，如果兩臺通信設備的地電位差異較大，即使兩臺通信設備的輸入零、地電壓等于0，也會對通信有影響。另外，如果采用光纖通信，就不會有影響了。）
（3）通過對122個在網通信機房的調查，在保證設備正常運行的情況下，設備的零地電位差分布在10V以下，建議：數據通信設備的零地電位差應在10V以下。”
從本節的分析可見，可小結如下：
n 由于IT電源內部的共軛電抗器和Y電容的抑制,特別是高頻變壓器的隔離，零地電壓止于變壓器的輸入端，根本無法到達12V的直流輸出端，所以無法對對IT負載構成影響。
n 對IT負載而言，“零地電壓”與“相地電壓”對于IT負載具有同等的“干擾”地位，因此消除零地電壓，也就應該同時消除相地電壓，這是非常荒謬的結論。
n 從IT負載電源的對稱性分析，理論上看，零地電壓與相地電壓一樣可達220V對IT負載無影響。
六．結論
零線與地線在在所謂的工頻機與高頻機內部都是從輸入端到輸出端直接貫通的，其產生與消除的機理完全一樣，都可以使其小于1V以下，關鍵是廠商是否愿意投入這樣做。
不管在UPS輸出端還是在樓層配電輸出端采取什么樣的降低零地電壓的措施，都無法保證機柜IT負載輸入端的零地電壓滿足小于1V的要求，而IT負載端的零地電壓高低才是最可能引發前言中提到的“5大被忽悠的致命問題”的根源。
任何僅保證UPS輸出端或在樓層配電端加隔離變壓器來實現零地電壓小于1V的做法都不過是自欺欺人的自我安慰而已。
通過對IT負載電源4大變換級中的高頻變壓器變換級的分析，及“零地電壓”與“相地電壓”的技術比較，盡管對IT負載的正常工作而言，零地電壓可達220V對IT負載無影響，但是綜合中國電信的測試數據，筆直認為20V以下的零地電壓對現代IT負載不會有任何影響（但需要關注此時的相地電壓是否正常）。
因此，本文的最后筆直建議數據機房用戶應科學地看待零地電壓及其大小問題，走出零地電壓的技術誤區，以避免無謂的浪費和對整個機房電源系統可靠性的損害。