数据中心低压配电系统设计有关问题探析

数据中心低压配电系统设计有关问题探析1 概述数据中心在国内外正在迅猛地发展，作为能源消耗大户， 2006 年， 德国数据中心的电能消耗在8. 67 TWh，而到2010 年，德国数据中心的电能消耗上升至12. 9 TWh，电能消耗增加约50 %。2006 年统计数据显示， 全世界有3 000 万台IT服务器机柜， 消耗大量的电能， 而且每年正以50 %60 %的速度增长。预计到2020 年， 数据中心电能消耗将达到全球电能总消耗量的1. 5 %，成为世界上最大的能源消耗行业 。因此 ，数据中心巨大的电能消耗， 引发的CO2排放 ，已越来越引起公众的关注。数据中心的业内专家很重视有关能源管理和供配电设计方面的技术问题，有些已成为国内的热门话题。数据中心的配电向服务器等 IT设备输送安全可靠的 、不间断电能的同时，还要向保障IT设备正常运行的辅助设施（冷却、空调、 楼宇自动化 、照明等）系统安全可靠地供电。 数据中心总的电能消耗与 IT设备的电能消耗之比称 PUE（电能使用效率），目前国内的水平大于2，说明了数据中心的服务器等IT设备电能消耗不到数据中心总电能消耗的 50 %。需要采取主动能效（节能）方式， 降低辅助设施的能耗， 以提高数据中心的电能使用效率 ， 使国内的PUE值由 2向1 的方向持续不断地迈进 。数据中心配电系统设计的主要任务是确定低压供配电系统方案，处理好接地系统 ，解决EMC 和抗干扰问题， 正确选择保护电器实现选择性保护配合等。2 低压配电接地系统的确定数据中心低压配电设计的基本原则是IT设备应在友好的配电系统环境中运行，确保IT 设备安全可靠地工作。数据中心的 IT设备通常是非线性负载 ，UPS属谐波源，在数据中心配电系统的中性线上，除了3 相不平衡电流外， 还叠加有3 次和3倍频次谐波电流，见图1。如配电系统允许电流总谐波畸变率THD i = 5 %的话， 以1000 kVA、10 / 0. 4 kV 的变压器为例（额定电流为1443 A），则在中性线上会出现约220 A（3 1443 5 %）的3次谐波电流， 为避免中性线（以下简称 N 线）电流过载，要求N线截面至少应等于相线的截面。TN-C系统由于N线和保护线（以下简称 PE线）合二为一称PEN线， 配电系统运行的3相不平衡电流（50 Hz）和谐波电流（150 Hz或以上）在PEN线上产生电压降，PEN 线上的该电位使一部分N线电流分流到大地中去，造成严重的 EMC问题。TN-S系统由于N线与PE线分开，正常工况状态下，连接设备外壳和大地的 PE线无电流通过，配电系统的负荷电流由N线返回电源中性点，N线电流不会分流到大地中去。为了使数据中心的EMC环境友好，配电系统一定要采用TN- S系统 。事实上，对TN - S系统的认识， 并非这么简单。首先， TN - S系统的N线上，因为有电流产生了电压降，造成终端设备处的 N线与PE线有电位差（即所谓的零地电压）， 故常在终端采用重复接地的方式，试图消除N线与PE线之间的电位差。 很显然，这是一种错误的处理方法，因为：一是N线不允许重复接地；二是人为地把N线上的不平衡电流和谐波电流引向大地，造成严重的EMC问题。其次， 数据中心通常是多电源系统，即系统中有变压器、发电机和UPS，3种电源设备，各自的中性点都要接地。 一个完整的配电系统有可能出现多点接地的现象，多点接地的后果是使 N线与大地之间有可能构成环路，使N 线上的电流分流到大地中，产生EMC 问题。图2（a）是配电系统正常运行时，由于两变压器中性点接地，N线与PE线通过大地构成环路，使一个电源 N线上的工作电流也会分流通过另一个电源的中性点，从PE线返回（见带红色箭头的虚线）；图2（b）是电气装置发生接地故障时，由于两变压器中性点接地，N线与PE线通过大地构成环路， 使一个电源的接地故障电流通过PE线分流至另一个电源的中性点（见带红色箭头的虚线）， 有可能使该动作的 RCD1不动作，而不该动作的RCD2误动作 。从图2 可看出：只要消除环路，也就消除了环流， 就能很好地解决EMC 问题。有两种解决方法：一种是采用一点接地；另一种是母线联络开关采用4 极开关， 使N 线有一个断点，无法构成环路，也就可靠地消除了环流。一点接地见图3，工作电流由N 线经PEN 线返回电源 ， 接地故障电流由PE 线经一点接地点、 PEN线返回电源。从图中的红色虚线可看出： 接地故障电流由PE 线返回一点接地极后直接通过 PEN 线返回电源， 不会产生EMC 问题。数据中心低压配电系统中有以变压器作为电源设备的正常供电系统（简称NPS），有以柴油发电机作为电源设备的冗余供电系统（简称RPS）， 还有以UPS 作为电源设备的不间断供电系统（简称UPS）。 必须把3个系统融合为一个完善的供电系统，才能使数据中心的IT设备和辅助设施电气设备运行在友好的EMC 环境中。关键是如何采取措施使一个电源系统的N线电流和接地故障电流局限于自己的系统中 ，不跑到其他的电源系统中去。美国行业协会（Uptime Institute） 对数据中心可靠性和不停电要求分为4个等级， 其中Tier IV 等级最高，采用了容错配电网络结构，年供电可用率达到 99. 995 %。不无例外地采取一点接地和合理选用4极开关这两项措施， 实现了友好的EMC环境。图4是数据中心配电系统的实例 。从图4可看出：数据中心配电系统采用TN - S系统，需要把NPS、RPS 和UPS，3个系统合理地集成在一起。UPS 两路进线分别来自NPS和RPS的3 根相线 ，N线端子是不接的。UPS系统输出带隔离变压器的TN- S系统 ，两个UPS系统的输出开关采用了4极开关。UPS 故障或检修时， 需要切换到手动旁路模式 ，因此，UPS与NPS 和RPS 均是TN - S系统， 但相互联络闭锁必须采用4极开关。 若NSP和RSP相距很近，必须做一点接地及总等电位联结后，才能使用3极开关。需要特别注意的是， 如变压器和发电机由于相距较远做不到一点接地时，NPS和RPS的母线联络开关必须采用4极开关。3 低压配电系统的过电流保护低压配电系统常选择断路器或熔断器作为配电线路的短路和过载故障保护。断路器和熔断器是数据中心配电系统最重要的短路和过载故障保护电器，通过上下级保护电器的协调配合，使NPS 系统、RPS 系 统及UPS系统安全可靠不间断地输送电能，确保IT设备和机房辅助设施正常运转。框架式断路器 （以下简称ACB）一般用于主变压器低压侧保护、 主配电线路保护、母线联络等；塑壳断路器 （以下简称MCCB）广泛用于分支配电线路、动力负载线路保护；小型断路器（以下简称MCB ）广泛用于终端配电线路保护。熔断器在分断能力、选择性、限流性能、经济性、安全可靠性等方面有它特殊的优越性，在国外得到较为广泛的应用。实际应用中，通常采用熔断器式隔离开关 （或称刀熔开关， 分为条式或方形两种 ）或负荷开关与熔断器组合。国外数据中心常用熔断器与 MCB 配合实现选择性， 或作为一组MCB 的后备保护。3.1 低压配电线路过电流保护原理低压配电系统通常为树干式或放射式配电系统，包括主配电 、分支配电和终端配电。国内习惯采用两台电源变压器通过单母线分段后分列运行， 又可通过两分段母线之间的母联开关相互联络，保证整个配电系统的供电连续性和可靠性。 配电系统中的馈线（配出线路）常采用电缆或母线槽，并选用断路器或熔断器保护配出线路可能出现的过载和短路故障。 按IEC 60364或GB16895，选择馈线电缆截面的依据是 ：过载保护 、短路保护、电压降、人身安全4个要素。配电线路无论采用电缆还是母线槽， 其热耐受能力，是由导线截面和绝缘材料决定的， 即S2K2 ，其中S表示电缆截面 ，K为常数，与绝缘材料有关 ， 如PVC 材料为115 。线路保护的主要任务是当线路出现短路或过载事故时，要求断路器或熔断器快速切断故障电流 ，使故障电流产生的能量I2 t 小于电缆的热耐受能力。 通常聚氯乙烯绝缘电缆允许最高运行温度为70 ，而切断短路电流时，电缆瞬时的温度必须小于 160 ，并要求自动切断电源的时间t Ise = 6 400 A 时， 1QA和2QA 有可能同时动作 ，而失去选择性。 通常分支配电线路之间 ，下级断路器出口最大短路电流Isc 通常大于上级断路器的瞬动整定值， 因而采用电流选择性原则只能实现部分选择性。3.3.2 能量选择性能量选择性是限流型断路器之间的配合，基于下级断路器分闸时产生的电弧 ，限制了短路电流，也限制了短路电流的能量 ，不足以使上级断路器脱扣跳闸 。也就是说，下级限流型断路器分断时产生的电弧限制了短路电流的峰值，电弧提前熄灭 ，使允许通过断路器的（允通或限流后的） 能量不足以使上级断路器瞬动脱扣跳闸。 分闸过程中， 2QA断路器的限流特性与1QA 不跳闸段的曲线进行动态比较，看是否会有相交点， 因此上下级之间是动态电流选择性关系。图7 中两曲线的交点Ise称动态选择性保护配合的极限电流，交点左侧是选择性区域；右侧为后备保护区域，1QA为2QA的后备保护，两断路器共同切断短路电流。上下级限流型断路器在短路工况下分断的行为是与预期短路电流（预期短路电流是指短路电流的计算值，仅与电源系统、变压器和线路阻抗有关 ）有关的， 只能定性地分析 ，很难定量地计算。3.3.3 电流- 时间选择性图6 中，当2QA 断路器上口出现最小电流时，要求1QA 脱扣器能在5 s （或0. 4 s） 自动切断故障电流。但Isc 4 000 A 时，自动切断电源的时间超过了5 s，5 s 切断故障电流值是由脱扣器脱扣曲线（或熔断器特性）定义的， 根据该电流值可算出配电线路的阻抗 ， 即电缆的长度。大于5 s 时切断的故障电流很可能使电缆的温度超过允许值；在设备发生接地故障时， 外壳带电，大于0. 4 s 时会构成人身电击事故。从图6分析，两曲线的配合不满足IEC在规定的时间内自动切断电源的要求。从配电线路及人身安全性考虑 ，需要重新选择1QA 的脱扣特性曲线。图6中1QA 可采用带3 段（LSI ） 保护曲线的脱扣器与下级2 段（LI）保护曲线的脱扣器配合，见图8。 带 3段（LSI） 保护的电子脱扣器的整定范围如下： Ii = （812 ）In；Isd =（1. 5 10）In Iscmin；tsd = 0. 10. 3 s （短延时整定值）。如下级配电线路预期最大短路电流Iscmax（2QA出口处） 小于上级断路器1QA 瞬动脱扣值Ii时，则能通过电流或时间原则实现全选择性。当下级断路器 （进线处）出现最小二相短路电流 Iscmin 时， 1QA 按短延时（整定的时间）切断故障电流。上级断路器1QA与下级配合实现全选择性的条件是：Is = 0. 8 Ii（确定选择性极限电流）；Isd Iscmin （1QA 短延时切断电源）； Ii Iscmax（1QA 确保选择性）。3.3.4 时间选择性B类断路器与A类断路器配合或B类断路器与B 类断路器之间配合，采用时间选择性原则，可避免上下级同时跳闸或越级跳闸。断路器安装位置预期的短路电流接近主配电柜 （或变压器）的短路电流值时，必须采用时间选择性原则 ，即关闭上级断路器瞬动脱扣 ，整定短延时脱扣电流和脱扣时间。如上级 1QA为框架断路器， 带电子式3 段（LSI）脱扣特性曲线；下级2QA 为主配电线路保护断路器 （框架或塑壳断路器）。通常1QA 出口的连接母线，也是2QA 的进口母线；预期短路电流都非常大，接近变压器短路电流 。此时，人为地关闭1QA 的瞬动脱扣， 用短延时脱扣保护整个配电线路 ，整定短延时脱扣时间大于下级断路器的脱扣时间 ， 还要考虑误差时间，即：tsd （1QA）tsd （2QA）+ 时间误差。 见图9。3.3.5 区域选择性联锁区域选择联锁实质是采用时间选择性原则， 是一种电子脱扣器与通信功能相结合的时间选择性保护技术， 可利用通信功能来封锁上级框架断路器的瞬动脱扣， 同时开启短延时脱扣，一般在大型的工业配电系统，大型的火电厂配电系统才考虑采用这种技术 。区域选择性联锁可避免上下级断路器同时跳闸或越级跳闸，使配电系统短路故障限制在最小范围内 。区域选择性原理见图10，由变压器主保护 、主配电保护、分支配电保护 、终端配电保护组成， 适用于大型树干式配电系统。K4点发生短路时，MCCB瞬动跳闸 ，通过通信线开启ACB3 的50 ms短延时， 同时封锁它的瞬动脱扣； K3点短路时， ACB3 瞬动脱扣， 并开启ACB2 的100 ms 短延时，同时封锁它的瞬动脱扣；K2 点短路时，ACB2 瞬动脱扣，同时封锁ACB1 的瞬动脱扣，同时开启它的200 ms 短延时。 变压器主保护断路器的短延时一般整定值为0. 4 s， 采用区域选择性联锁技术可缩短至0. 20. 3 s。区域选择性联锁技术需要在框架断路器内配置区域选择性联锁模块、通信模块， 需设置通信电缆 ，投资较高，接线及维护要求高。在数据中心则可用西门子ACB 3WL / 3WTETU45B 电子脱扣器实现4 级配电线路之间的全选择性配合，与区域选择性联锁具有相同的功能 。3.3.6 熔断器与MCB 保护配合数据中心配电系统中，熔断器用于分支配电线路 ，容易与终端配电 MCB 实现选择性（或后备）保护配合。该配合也可理解为能量选择性 ，允许通过MCB 的短路电流能量（I2 t） 与熔断器不烧断的能量曲线的交点为选择性极限Ise， 预期短路电流大于 Ise时，熔断器与断路器一起分断短路电流， 熔断器为断路器的后备保护 。4 UPS 与低压供配电系统4.1 静态UPS 配电系统数据中心采用静态UPS 的配电系统见图11，该配电系统为可实现美国行业协会定义的“ Tier IV”等级的拓扑网络结构 。UPS 装置的两个输入电源分别来自变压器 （NPS） 和柴油发电机（RPS） ，UPS 系统A 采用单母线分段， UPS 主配电1 和UPS主配电2 母线的输出容量都为800 kVA。如采用UPS 容错配电网络时， UPS 分支配电母线的电源分别来自UPS 系统A， 和与系统A 配置完全相同的UPS 系统B； 其中LTM 是电子式双电源切换器，保证切换过程中连续供电， 不会影响 IT 设备和计算机的正常工作 。分支配电保护电器采用熔断器隔离开关， 与终端配电列头柜中的 MCB 配合， 容易实现全选择性保护配合。 IT 服务器等终端负载通过ATSE 供电 ， ATSE 两路进线电源分别来自 UPS分配电母线1 和UPS 分配电母线2 。UPS 检修或故障时， 切换至旁路模式， 此时由NPS 系统供电。4.2 设备选型与选择性当静态UPS 输出电流为1. 5 In （额定电流值），且持续时间超过5 s 时， UPS 中的逆变器将自动切断负载， 故UPS 无过载能力。 当有备用网络时， 输出电流为1. 5 In， 且 10 ms 时， 需要通过电子开关自动切换到旁路模式。 带旁路的供配电系统应实现全选择性保护配合，因此变压器保护、NPS 和RPS 系统主馈线保护、母线联络保护， 以及UPS 主配电馈线保护均选ACB， 采用时间原则实现全选择性配合， 各配电级的时间级差参见图11。分支配电馈线采用熔断器隔离开关与列头柜中的MCB 实现能量选择性配合。即使超过了选择性极限电流， 熔断器也能起到后备保护作用 。列头柜中的 MCB 常采用两种安装方法： 一种是带有可随时快速带电更换MCB 的机构； 另一种是安装特殊的MCB 底座， 可允许带电热插拔更换MCB。西门子公司推荐在分支配电与终端配电采用母线槽， 可减少配电的层次， 把UPS 电源直接送到IT 服务器机柜， 省去了列头柜， 见图12 。5 数据中心配电系统能源监控和管理5.1 提高数据中心PUE 的途径数据中心电能管理应该采用主动节能的方式和对策。首先要采集现场设备的工况和运行状态， 以电能消耗为主的电气参数 、报警事件、统计分析历史数据等信息； 通过负荷管理、成本管理、电能质量分析等形成归档文件 ， 使能耗的现状及走向趋势透明化 ； 透明化给出了提高能源效率的途径， 为管理人员提供决策参考信息 。主动能效或主动节能方式是按负荷需求和电价政策， 配置新型节能设备 ， 对整个系统进行协调控制 ， 优化相关的IT 自动化技术和水平， 采用自动化调节技术使空调和制冷系统 、照明等辅助设施的能源消耗降低 ， 从数据中心的生命周期考虑， 可持续地提高能源利用率。图13 说明， 通过主动能效管理，可降低能耗32 %， 使PUE