计算机房供配电原理

计算机房供配电原理

目录

一、交流电的基本概念二、UPS的作用三、供配电的选择四、机房供配电举例五、机房的接地与防雷六、UPS常见故障及解决办法一、交流电的基本概念1.交流电的含义波形峰值UmIm220V峰值电压311V有效值平均值

UmIm

UPIP1.有效值

与周期量一个周期的平均效应相等的恒定量（直流量）称为周期量的有效值，也称均方根值。交流电工设备中标称的额定电压、电流和许多交流仪表均为有效值。2.平均值

是指一个周期内绝对值的平均值。3.波形因数

kf=有效值/平均值

有效值测量摘自“电气工程师手册”2000年版p70

为什么要测量有效值？使用交流电的来源我国的用电制度我们日常生活中用的是什么电？它的含义是什么？什么是相电压，什么是线电压？我国的民用市电频率是多少？UPS中所说的工频频率是多少？我国的用电制度零地线是分开的还是接在一起的？UAUBUCNG几个术语☞

电压的类型和它们之间的关系：相电压和线电压功率因数

☞

功率的类型和它们之间的关系：视在功率、有功功率和无功功率

☞

供电制式2.三相三相三线制

三相四线制三相五线制UAUBUCABCIAIBICUABUBCUCANACBoIAIBICE零火线的鉴别1.单相单相2线制火零线的确定用试电笔或万用表单相3线制火零线的确定最大电阻档有指示火线没指示零线顺时针：0LN交流电几个术语的含义与关系交流电的功率有几种？各叫甚么名字？计量单位是甚么？含义是什么？他们之间的关系是么？2.功率的几个术语1.视在功率

S=电压V电流A=VA(伏安）2.有功功率

P=S

功率因数F

=W（瓦特）3.无功功率（乏、木工乏力的乏）4.功率因数F=P/S=cos

SQP所以说无功功率虽然不做功，但有着非常重要的用途，没有无功功率的支撑，有功功率只能做废功有功功率视在功率UIUI220V0220V000功率因数F闸刀、断路器、漏电开关与线路连接的注意事项

——中线的连接UAUBUCN炸二、UPS的作用UPS的作用（为什么要用UPS）及原理UPS的分类UPS现在达到的水平的UPS的作用

在线式UPS

输入电压输出电压后备式UPS输入电压输出电压UPSEPSEPSACDCACDC静态开关市电输入UPS输出UPS整流器EPSACDCACDC市电输入UPS输出充电器容量约为整流器的1/10

在线式UPS和后备式UPS的电路比较

双变换名字的由来现代UPS的发展方向和已达到的水平UPS的发展趋势高频（数字）化小型化智能化模块化环保化：

高频机与工频机的性能比较数字模拟电路，输入功率因数增低，效率低，动态性能差，电流峰值系数不高整流器PWM逆变器电池组电磁变压器输入滤波器输出滤波器工频机基本电路结构高频机电子变压器和半桥逆变器原理图市电输入电子变压器半桥逆变器LNLN电池系统工频机与高频机的主要区别

工频机高频机电路

模拟与数字结合

全数字化输入电压范围小大参数稳定性不好好输入功因小，0.60.8

大于0.99本身损耗大小5%可靠性低高抗干扰不能也不许抗干扰双向抗干扰输出变压器有无体积/重量大小价格贵便宜仿制容易非常困难（必须具备条件）前景被淘汰今后的主体设备五、模块化UPS的由来与特点容量（W）o时间（年）计划容量实用容量最佳容量一步到位和步进式增容二、模块化UPS的提出A–

系统的可用性，小于或等于1MTBF–

系统指定时间段的平均无故障时间、HMTTR--系统指定时间段内故障的修复时间H大容量UPS冗余并联和模块化系统的比较

75kVA75kVA75kVA输入输出配电柜节省了购置资金节省了占地面积节省了功率损耗提高了可靠性，灵活更新，延长寿命小功率多用途模块化UPS的诞生1.立卧式转换，可接长延时单电源应用双电源应用冗余电源应用标准机架冗余电源应用

高频小功率产品——规格参数系统外观A外观图通讯模块LCD面板UPS模块防尘面板UPS机柜供配电集中式和供配电分离式结构外形供电系统ARRAY15120kVAInfrastruxure1080kVA模块化UPS的优点☞

解决了小容量UPS不可并联的问题，冗余并联比单机容易☞具有了使MTTR=0的可能性☞可以热插拔，维修性好

——意味着一个人或两个人就可以抬得动☞不是专业人员也可操作，为用户带来了方便☞全部采用了高频化数字化技术，使可靠性大幅度提高；取消了输出隔离变压器，又使可靠性进一步提高，有的采用了无线并联技术，使可靠性再度提高….☞容易实现高可靠性的分区供电ARRAYA\3A3机房供电方案一般负载关键负载一般负载市电油机集中监控中心互投柜ATS扩容备用回路7+1冗余系统的可靠性

—设单个模块的可靠性均为r=0.99☞单机7+1冗余系统的可靠性R1=1-(1-r7)(1-r)=1-(1-0.997)(1-0.99)=0.999021☞双机7+1冗余系统的可靠性R8=1-(1-R1)2=1-(1-0.999021)2=0.9999990

即为向“关键负载”供电的可靠性四、模块化UPS的发展概况1.第一代N+XUPS

功率模块与控制电路分离2.第二代N+XUPS

一个模块就是一台完整的UPS

控制电路和功率模块分离式控制电路控制电路功率模块功率模块功率模块功率模块功率模块电池模块电池模块电池模块电池模块接口这就是瓶颈L1L3192V192VL220kHz时，每半波200个脉冲两组脉冲很难同步一旦部分错位重合，就会炸

功能的比拟

功能的比拟

功能的比拟

功能的比拟宝马、一汽等功率模块的爆炸…瞬间短路

第二代：功能模块集中式结构产品外形Newave(30∼90kVA）ARRAY(15∼120kVA）GA(10∼100kVA）ARRAY(5∼30kVA）

功能的比拟

功能的比拟五、对模块化的误解1.认为模块化结构可靠性不高

—

多一套电路就多了一个故障点2.当模块多于8个时，其系统可靠性还不如一个单模块高

Rn=1-(1-rn)(1-r)R8=1-(1-r7)(1-r)=1-(1-0.997)(1-0.99)=0.999021三、当前机房建设

应遵循的“五性”“三原则”五性：☞

先进性：延长机器的服务寿命☞

稳妥性：可靠性与可用性☞

灵活性：增减容量、便于移动和更换等☞

可管理性：监控和维修及保养☞

经济性：最好的性价比

三原则☞

节能

以负载功率因数为0.8的100kVAUPS为例：工频机UPS与高频机UPS相比，由于多了变压器和谐波滤波器，每年多消耗电能…折合成煤炭…（分析高频机效率高的原因）☞

环保

环境污染的三个方面：可闻噪声污染、电噪声污染和大气污染

☞

省面积

节约原材料、减轻重量、节约成本和能量…五、机房中UPS的连接与配置光有好的机器是不够的…UPS市电1市电2输出UPS的连接方式UPS1UPS2Bypass1Bypass2炸炸两路市电经互投切换成一路后再接UPSUPS市电1市电2*实现一主一备的合理方案四、机房系统供电计算举例照明灯具电流计算比如：一个机房照明灯具100盏，每盏功率60W，没有电容补偿，计算电流是多少？

公式：10060W/220V0.5=6000W/110V=54.6A选电线时可按照口诀：10下5，100上2，（25、35）4、3界。（70、95）2.5

穿管温度8-9，铜线升级算，裸线加一半

负荷的计算Sn

：系统总功率si

：每个单台设备的标定功率i：自然数字n

：负载设备总台数注：1.负载以VA标定（包括电压和电流分别标定）

2.负载以W标定

3.留有适当余量S(总功率)=S1+S2+S3………+Sn计算举例：☞一个机房配置有：*PC机200台，每台消耗功率170VA；*2台服务器，每台标称功率1300W，因是老服务器，其输入功率因数是0.65*2台交换机，名牌上写着电压220V，电流5A

考虑到以后还要增容20%*市电断电后要求延时4h。用户要求采用100Ah电池，*要求供电可靠性要高，电源应具备容错功能、容易维护和修理，由于机房面积有限，尽量减小占地面积。☞问应选多大的UPS，选什么样的UPS？选多大容量的备用发电机？计算a、200台PC机负荷：P1=170200=34kVAb、2台服务器功率：P2=13002/0.65=4000VA=4kVAc、2台交换机功率：P3=22052=2.2kVA

总计：P=P1+P2+P3=40.2kVA

考虑到以后增容20%，还考虑到一般情况下的余量20%，最后容量

Po=40.2kVA（1+20%+20%）=56.3kVA考虑到“电源应具备容错功能、容易维护和修理，由于机房面积有限，尽量减小占地面积。”宜选模块化UPS，并且选带有配电功能的模块化UPS，适合此要求的一款设备影视ARRAY系列中的3A3：*选4+1配置，即15kVA4+15kVA=75kVAd、选发电机：由于ARRAY3A3输入功率因数大于0.95，接近于1，不需3倍UPS的容量，假如考虑到：允许输入电压变化20%，允许过载20%和机器本身功耗假如是5%，则发电机的功率应是：

P=60kVA（1+20%+20%+5%）=87kVA

如果选威尔信发电机100kVA规格就足够了，前一个规格是75kVA就太紧张了。（如果选60kVA工频机6脉冲UPS，由于输入功率因数是0.8，就需选3倍的功率180kVA

如果再加上输入电压变化20%，允许过载20%和机器本身功耗假如是5%，则发电机的功率应是P=60kVA3（1+20%+20%+5%）=261kVA，可选威尔信发电机270kVA规格）

UPS选ARRAY4+1配置，发电机选威尔信100kVA电缆截面积的计算10kVAUPS应采用多粗的电缆？60kVAUPS应采用多粗的电缆？…决定电缆截面积因素是什么？电缆截面积的计算

例：负载功率因数为F=0.8功率为So=60kVA的UPS，整机效率=94%，半桥逆变器，电池电压为UB=12V202=480V，UPS距输入输出配电lu=50m，电池柜在底楼，UPS在8楼，距离约lb=40m，问该UPS输入、输出电缆和电池电缆应选多大截面积的规格？（已知UPS可过载到125%10m，过载到150%30s，允许输入电压波动15%）解：1.列出需要的数据

输入功率S1=So/=64kVA,考虑到UPS过载25%和电压下调15%同时出现时的情况（如果不考虑过载50%30s的情况），总输入功率应该是：

Sin=S1{1+（25%+15%）}=89.6kVA近似取90kVA因是三相输入，每相为30kVA

每相输入电流Iin=30kVA/220V=136A

2.

由于电缆长度超过10m，电流超过100A，为了方便，先计算出截面积

s1=10mm2、长度l1=10m时的电阻r1已知：导电器采用铜的电阻率

=0.0175mm2/m，

那么100m长，截面积s1=10mm2的电阻就是R1=0.0175100=1.753.根据输入电压允许在电缆上的压降求电缆截面积sin，

设允许在电缆上的压降为5%，即220V5%=11V。因UPS机配电柜50m，来回就是100m，即这100m的电阻应该是：Rin=11V/136A=0.080910mm2电缆的根数nin=1.75/0.080921.6根，因此可取220mm2三芯电缆

如果UPS据配电柜只有5m，那么电缆的截面积就可取22mm24.根据输出电压允许在电缆上的压降求电缆截面积so

因输出功率为60kVA，过载25%时的功率S=60kVA（1+25%）=75kVA输出电流：

Io=75kVA/3/220V=114A，如果也设设允许在电缆上的压降为5%，即220V5%=11V，即这100m的电阻应该是：Ro=11V/114A=0.096510mm2电缆的根数nin=1.75/0.0965=18根因此可取180mm2三芯电缆如果UPS据配电柜只有5m，那么电缆的截面积就可取18mm2

5.计算电池连线截面积设电池放电时逆变器的效率为96%，电池电压的截止值为

Umin=1.75V6202=420V，设允许线路压降2V，此时放电电流

UPS在8楼，距离约lb=40m，来回80m，那么80m长，截面积s1=10mm2的电阻就是R1=0.017580=1.4，而此时线路电阻要求：

Rr=2V/120A=0.0143，那么电池电缆s1=10mm2的根数就是：

nb=1.4/0.0143=98根！就是980mm2！如果用一根s1=10mm2的电缆，线路压降就会变成：U=1.4120A=168V！

用100mm2就会使线路压降就会变成16.8V说明：¤电池连线不能远离UPS主机，否则就会使电池的后备时间大打折扣；如果要求折扣打得小，就必须极大的将电缆截面积扩大，使材料和施工费用增加很多。如果UPS与电池柜之间距离变短UPS与电池柜之间距离最大压降电缆截面积备注

40m（往返80m）2V980mm24m（往返8m）2V98mm22m（往返4m）2V49mm20.5m（往返1m）<2V25mm2UPS与电池柜并肩柴油发电机组市电1市电2

浪涌抑制器防雷器如果要求更高的可靠性和可用性也可选4+2配置Rn=1-(1-rn-2)(1-r)2=0.999994145交流稳压器的选择交流稳压器UPS负载电磁干扰（EMI）形成电磁干扰的三个要素：

干扰源，被干扰对象，传输途径根据电磁感应,趋肤效应,电磁震荡与电磁波传播等基本物理规律可知,电磁物理量随时间变化越快,越容易感生EMI;频率越高越容易产生辐射;电磁场强度与与距离的平方成反比;一些灵敏度高的未屏蔽电路容易产生耦合等等,分析EMI日益严重的原因可以归纳为:1、高频高功率化2、高速数字化3、高密度组装4、低电压化5、频点密度提高，频带加宽6、移动化趋势电磁干扰的分类：低频、中频、高频、甚高频(按频段粗分)低频：0~2KHz，特性：产生谐波。中频：2KHz~150KHz,特性：产生电压波动与闪烁；高频：150kHz~30MHz,特性：传导发射。甚高频：30MHz以上，特性：辐射发射。国际电工委员会（IEC）对此作了统一规定，称为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。下面内容就是对各种供电系统做一个扼要的介绍。TN系统（分为TN-S、TN-C、TN-C-S三种）TT系统IT系统1、接地系统介绍：

说明：第一个字母表示电源端与地的关系T（法文Terre）－电源端有一点直接接地；I（法文Isoland）－电源端所有带电部分不接地或有一点通过阻抗接地。第二个字母表示电气装置的外露可导电部分与地的关系T（法文Terre）－电气装置的外露可导电部分直接接地，此接地点在电气上独立于电源端的接地点；N（法文Neutre）－电气装置的外露可导电部分与电源端接地点有直接电气连接。短横线后的字母用来表示中性导体与保护导体的组合情况S（法文Separateur）－中性导体和保护导体是分开的；C（法文Combinaison）－中性导体和保护导体是合一TN-S系统：TN-C系统：TN-C-S系统：L2LL1LN电源端接地点设备设备外露可导电部分L2L3L1LPENPE外露可导电部分TT系统：IT系统：UPS接地的几个典型方案：

单机不隔离系统

UPS接地的几个典型方案：

单机旁路隔离系统

UPS接地的几个典型方案：

单机不隔离系统＋PPC

UPS接地的几个典型方案：

单机无输入零线系统UPS接地的几个典型方案：并机系统

注意：在标准规定的条件下，不得随意改变配电系统原有的接地类型（采用隔离、分立系统等措施除外）。接地技术-接地的方式单点接地接地技术-接地的方式多点接地接地技术-接地的方式混合接地接地技术搭接方法:1、永久搭接：热熔焊接

2、直接压接：压力在8300~10300kpa;截面积大于

650mm2的搭接电阻小于0.5毫欧。

3、金属表面涂导电涂料后压接，一般在几毫欧，但大于1MHz时动态电阻超过1欧姆。搭接：电阻为0.5毫欧。（50Hz）电感：25uH,

频率直20MHz,搭接电阻为80毫欧搭接条应短而宽，长宽比一般为3倍。搭接施工应做防腐处理。搭接应采用同种金属，不同金属搭接应使用不同金属的过度带再搭接。接地系统设计电子设备的地线处理应注意的问题：一、正确选择一点接地和多点接地，频率低于1MHz时应采用一点接地，频率在1MHz~10MHz时，如果采用一点接地，地线长度不应超过波长的1/20。否则采用多点接地，也可采用并联单点接地，频率高于10MHZ时，宜采用多点接地，原则是就近接地。二、屏蔽导线或屏蔽地线应在输入端一端接地，或接地点是放大器公共端或信号源公共端。三、负载的地线和交流地线上流过的电流很大时，对这些大电流的地线必须与信号地线分开设置，同时对大电流的地线一定要考虑阻抗。一般垂直主干宜采用阻燃铜芯屏蔽电缆，屏蔽层360°始端接“地理地”，水平采用汇流排或铜芯电缆，截面积不应小于35平方毫米，与电子设备相连接的绝缘铜芯导线，按频率的高低设计多芯或单芯导线，长度小于1米。四、对于不同频率考虑“地理地”时，应达到更优的效果。依据电磁屏蔽机理，在同一接地网中的“地理地”中加入铜网和钢网，混合成为统一接地网，也就是我们所说的地理网。应在统一接地网中留放电间隙，用铜棒、铜缆以及匾铜带引至等电位排上。五、在低频和高频共存的电子设备时，应按不同的频率分别连接后，再连接到公共参考点上。六、要获得一个无干扰的等电位参考面，交流电路中的返回通路（中性线）只能在一点与安全接地系统相连接。必须做到交流电源线路的返回电流绝对不得流入信号参考地系统中。七、为减少电感效应，将电子设备尽可能通过多点与信号参考地连接。这样可为高频干扰提供多个并联对地通路。欧姆定律提示我们并联通路越多，对地阻抗越小。4.接地与地线的连接

——一点接地原则配电柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1

接地与地线的连接

——同位体式接地配电柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1同位体

接地与地线的连接

——多点重复接地配电柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1地线案例介绍三、防雷器的配置

防雷器的配置☞防雷器的作用☞防雷器的分类☞防雷器的安装☞B+C的误解防雷器的作用O输入浪涌幅度第一级抑制後第二级抑制後第三级抑制後浪涌电压幅度4000V2500V2500V1500V1500V以下IEC规定了三级残压：4000V，2500V，1500V，间隔10m五、UPS常见故障及解决办法☞

环境因素人为因素☞

电池起火☞

中线断开烧设备☞

UPS在市电停电时也停电广州齐鲁☞

更换负载时导致的UPS故障负载性质变了☞修理机器时导致的二次故障☞“经验”故障广州开机湖南电信导线☞延误故障江西电子所☞

依赖故障保险丝☞

制度故障黄田机场、东莞电信。。。。

人为因素1.怀疑性“故障”-制造紧张空气

所谓怀疑性故障，顾名思义就是说实际上不是故障，而是由于值机人员缺乏基本知识和没有很好地阅读说明书而引起的误会，虽然不是故障，但已按故障程序来走了☞

深圳观澜空管信标站试飞事，☞桂林双机并联指示灯事☞

放电提前关机（武汉石化，电池线从地下室到五楼，线细）2.知识性“故障”

此种情况的出现主要是由于缺乏基本理论知识和实践经验所致。

☞

湖南怀化二炮，6k有载时带2P空调，老过载报警☞广铁电子所烧电源事☞中川机场容量事☞羊城铁路总公司容量事☞陈红星公司线性负载过载事☞总装部出半压事☞内蒙化肥厂断中线旁路时烧一相