变压器有各种不同的类型，但在本文中，变压器是指“三角-星”型配置，这是在几乎所有UPS应用中采用的类型。三角-星型变压器有许多特性，既有好的又有不好的，这会影响其在UPS系统中的使用：

前四项是优点，最后两项是不利因素。因为后两项不利因素很严重，故变压器仅应在其好的特性对于数据中心的任务有意义时才应被使用。

电压变化这在输入电压不同于IT设备所用电压的应用场合为必需。这在北美地区是一种常见的情况，那里较大型数据中心的输入电压为480或600V。在世界上大多数地区，400/230V的三相输入电压与IT负载设备使用的电压相同，因此不需要此功能。

阻抗在现代数据中心中这一点通常是次要的，不太重要。多数设计不需要额外的阻抗，如果需要，则使用功率电感器（有时称为“电抗器”）会更为有效，因为它比变压器体积更小，重量更轻，且效率更高。

阻塞谐波这在以往是一项有用的功能，用以防止UPS所产生的谐波电流影响上游电网，并防止IT负载谐波电流通过UPS旁路影响上游电网。然而，两项重大变化已经改变了这种状况：现代UPS和现代IT负载均“经过功率校正”，这意味着它们所生成的谐波电流已被大幅降低至无需加装滤波的程度。因此，在现代数据中心中使用变压器来减小谐波电流不再是一项必备的功能。

因此前三项有利特性的价值已经有限或过时，这就使得第四项特性“将零线与源隔离”成为远远超出其它方面的最重要的一项。

这是变压器最重要的特性，正是这一特性使变压器在某些条件下有用、必要甚至是法律上的强制要求。本文后面部分将着力介绍变压器的这一属性，以及它如何影响UPS在数据中心内的使用。因为零线隔离是决定变压器作用的关键，故我们必须理解这一功能。

变压器通常由上期图2所示的交叉双环符号表示，在本文中也将使用此符号表示变压器。然而，此符号是图3中所示变压器实际连线图的简化形式，对于本文后文部分的理解十分重要。

初级（或称输入）位于左侧，三个相被应用于变压器绕组（绿色线），变压器绕组被连接为三角形所示的“三角”型配置。

次级（或称输出）以“星”型（Y形）配置连接，由三个相和一个中心点（或称零线）连接组成。输入与输出之间没有电气连接；电力通过磁场在输入与输出之间传送。需要注意的重要一点是，输入端没有零线连接。即使供电侧有零线，它也不会与三角-星型变压器配合使用。变压器在输出端“做出”一条新的零线，即与输入端的任何零线没有电气连接的新的零线。实际上，整个输出回路处于一个相对于输入或地的不确定电压（称为“悬浮”）。由于IT负载设备被接地，以不确定电压提供悬浮电源是绝对不合适的，因为这样可能导致绝缘故障或其它危害。因此，在几乎所有数据中心应用中，变压器输出端上新的零线均被接地。

当隔离变压器有一条接地零线时，其输出回路经常被称为“单独引出源”。输出端零线接地的实现方式可以是直接将零线连接至最近的已接地金属，也可以连接至一条已知被接地的现有零线导线，也可以通过一个接地电阻连接至地（此方式仅在大功率母线上使用，而不在对IT负载的最终配电上使用）。全部这三种技术均在数据中心中应用，在后续各节中将被提到。

考虑变压器的上述隔离特性，我们现在可以介绍因隔离而产生的关键有利（有时为必需）的功能：

由于必须理解这些功能方可理解如何及为何使用变压器以及在何处应用它们，将对每一项功能进行简要解释。

正式介绍每一项功能前，我们先来了解下文将要提及的接地系统类型术语：

第一项功能，将数据中心内的输入接地系统更改为IT设备所需要的接地系统，这显然是一项基本功能。数据中心内的IT设备总是由一个TN-S接地系统操作。在某些情况下，输入配有TN-S系统，因此无需改变。一般而言，TT或IT接地系统需要先使用变压器转换为TN-S之后方可供IT设备使用。此接地转换可在UPS之前或之后进行。

第二项功能，在输入零线存在严重的电力质量问题时创建新的零线，在以下情况下使用：所提供的主电源零线系统与其它负载共享，在与数据中心有一段距离处生成，或被视为不可靠且达到可能被断开或与地断开的程度。在发达国家及多数大型新建楼宇中，TN-S零线源位于客户设施内，通常靠近数据中心。在此情况下零线的品质会被视为优秀，第二项功能为冗余。但在其它情况下，零线对地接合点可能在室外，可能距离较远，被共用，并作为一个降级或过载的配电系统的组成部分。在这些情况下，零线对地可能有显著的偏置或噪声电压，或者存在更坏的情况，即可能丢失其接地连接或被中断。此问题在热带气候下更为严重，因为难以长时间保持金属间的低阻抗接合。如果一个处于零线缺失状况下的主电源被直接送至IT设备，则会因为电压较高而产生大量设备故障。这些问题常见于发展中国家，也是数据中心电源系统设计在新兴市场部署时经常需要附加功率变压器的原因。

第三项功能，无需连接零线即可组合电源，是具备备用电源的应急电源系统（例如通常用于数据中心的系统）独有的功能。数据中心可能由配有开关的多条进线与发电机的组合进行供电，以确保对关键负载的供电连续性。UPS内部的旁路路径本身是一条独立于UPS模块的替代电力路径，在UPS的输出端进行实质性“组合”。任何时候只要两个源通过一个开关安排进行组合，就可能出现存在两个输入零线连接和一个单一输出零线连接的情况。这将导致在有两条输入零线时如何连接单一输出零线的问题，如图4所示。

图4

由于在为IT负载供电的零线之间的切换会造成瞬时的零线开路情况，而这可能有危害或破坏性，故对连至关键负载的零线永远不应进行开关切换。这意味着如果两个备用电源在UPS中组合，它们的零线导线必须永久性地相互连接在一起。然而，将输入零线一起连接至输出零线可能在输入零线之间形成循环电流，如图5所示。

图5

尽管当旁路和整流器采用同一来源时这些循环电流只是一个小问题，但如果两条输入零线来自不同的来源，则可能造成危害。法规通常不允许将两个独立引出的零线源连接在一起。加装一台变压器与两个电源之一串联可以解决这一问题。任何时候只要一台双进线UPS由独立引出零线的电源供电时，就需要变压器。应注意，有些双电源进线系统有两个电源输入，这两个输入由采用公共零线的电源进行供电的，这些情况下不需要变压器。

第四项功能，防止出现可能导致RCD或其它安全系统非必要激活的循环电流，也与电源被组合的情形有关，例如在双输入配置中。当独立引出的零线被相互连接时，零线之间总是会出现循环电流，但如前段所指出的，法规不允许这样做，因此不应出现问题。但即使UPS是由两个引自同一零线的输入供电时，循环电流也可能出现。因此，在整流器零线和旁路零线连接均配置在UPS上的任何系统中，电源回路上的任何RCD保护都将非必要地激活。整流器电源、UPS模块输出或旁路内需要有隔离变压器，以防止RCD激活。

首先，似乎如果整流器输入零线连接能够省略，循环电流问题就应被解决。实际上，所有按双输入设计的UPS系统均被设计为在没有整流器零线连接条件下运行；UPS输入整流器在输入相线之间吸收电力，不需要零线连接即可运行。只要整流器电源已接地，就不需要配备整流器零线。由于不再有任何整流器零线连接，似乎循环电流不会再出现了。然而遗憾的是，尽管人们普遍认为整流器上没有零线连接就可消除循环电流，但事实并非如此。

图6所示为整流器电源零线未被连接的双进线UPS系统配置。红色线表示仍然存在的循环电流，但它不流经整流器零线，而是流经UPS模块。任何有输出零线的UPS逆变器模块都将向输出零线母线上注入超出负载所需的任何零线电流的电流。这种“过大”的零线电流是逆变器运行的副作用，由电抗性负载、非线性负载以及负载电流的不平衡所导致。这种“过大”的零线电流不会被IT负载消耗，而是会通过旁路零线返回输入电网。此电流在正常情况下可能比较小，但在各种负载不平衡或输入电压不平衡情况下可能变大。如果旁路输入电源带有RCD保护（在某些国家、某些情况下是强制要求），这些保护设备会将此零线电流检测为超预期电流，并将其误认为地线故障，故可能切断系统。由此就产生了数据中心电源系统设计的一个非常重要的原则：在具有RCD保护的双进线系统中，必须总有变压器位于输入路径之一上的某处。去除整流器零线连接并不足以防止循环电流出现。

图6

在此应明显看出，双进线配置在接地和变压器使用方面有着远远超出其它配置的最复杂的问题。许多错误发生在应用变压器以及对双输入系统的适当接地中，这些错误经常会导致间歇中断和意外停机。这些问题在单输入系统（有或没有旁路）中得以简化。双输入系统的选择经常不会考虑这些复杂因素，而单输入系统可能会是更好的选择，因为在设计和安装中可能出现错误的因素较少。单输入配置可能会是可靠且节约成本的选择，因为双输入配置的理论可靠性优势在实践中并不总能实现。正因为如此，即使是在非常大型的超高可用性数据中心内，也经常采用单输入配置，特别是在通过双母线或N+1台UPS配置实现冗余的情况下。

前文中对三种基本UPS配置中变压器应用的说明是假定UPS系统包含一个单一的UPS模块。然而，常见的情况是，数据中心电源系统包含多个UPS系统，而各UPS系统又包含多个UPS模块，它们均可采用许多不同的配置进行安排，以提高冗余度。除冗余功能之外，UPS系统经常被并联，以此作为提高功率容量的手段。

本文中对接地和变压器使用的讨论无需修改即可适用于由多个并联UPS模块组成的并联UPS系统，在此类系统中采用单一的旁路。施耐德电气旗下APC的Symmetra就是此类采用内部UPS模块并联的UPS系统的一个实例。然而，仍有若干种包括完整UPS系统并联或串联配置的数据中心系统配置，会引入更多可能的系统接地点和可能的变压器位置。本文中所述的大多数应用变压器的原则仍然适用于这些系统，但这些系统经常会在接地和残余电流检测方面产生特别的挑战。

鉴于本文中所给出的对变压器应用的基本理解，可以确定在特定的冗余或并联情形下使用变压器的最佳方式。然而，用于多种并联和冗余配置的变压器备选方案的完整讨论已超出本文的范围。我们现在将逐一讨论三种基本UPS配置，并给出基于实际情况的优选变压器安排。