不同架构数据中心预制化交流电力模块的利与弊

自2018年底数据中心预制化直流电力模块(巴拿马电源)推出以后，其一体化整合供配电全链路资源的思路引发关注，随后不到一年数据中心预制化交流电力模块也在市场上崭露头角，短短几年就有若干知名厂商加入赛道，发布了自己的产品。这些厂商有来自互联网领域的巨擘，也有传统配电领域的常青树，各自对预制化交流电力模块理解不同,所发布的产品也有一定的差别。1数据中心预制化交流电力模块主要架构数据中心预制化交流电力模块主要架构的区别体现在视电力模块为产品的极简设计思路，和视电力模块为工程的电气工程设计思路。1.1

极简设计类数据中心预制化电力模块极简设计思路的电力模块(图1)，UPS主路与旁路合用一个输入端，直连电力模块柜顶水平母线。因采用模块机形式，主路各功率模块内部输入输出端设有熔断器保护，集中静态旁路的输入输出端设有熔断器保护，UPS整体利用隔离开关作为输入输出的隔离电器。图1

极简设计电力模块单线图1.2

电气工程设计类数据中心预制化电力模块电气工程设计思路的电力模块(图2)，UPS主路与旁路合用一个输入端，UPS整体利用外置断路器作为输入输出的隔离电器。图2电气工程设计电力模块单线图1.3

数据中心预制化电力模块是一种紧凑型工程通过与各家厂商的技术交流以及一段时间以来的工程实践，我们得知：电力模块内部的变压器、低压柜、UPS均可以选择不同厂商的产品，电力模块的系统架构以及低压柜内的分隔形式、垂直母线等也可以根据工程需要调整。因此，我们认为预制化电力模块虽然是作为一种产品向市场推出，但其本质更应该是一种紧凑型工程。2数据中心预制化交流电力模块主要技术点及注意事项电力模块主要技术差异集中体现在是使用外置断路器作为UPS的输入输出保护，还是仅依靠UPS内部的负荷开关+熔断器，认为其保护动作曲线足以保证系统可靠运行。2.1

占地空间变化(配电柜数量)与传统的方案对比,电力模块将原本部署于不同位置的变配电设备如变压器、低压柜、UPS输入输出保护、UPS、馈出柜等紧邻部署，占地面积能减少20%以上。其中极简设计思路的电力模块由于省略了UPS输入输出保护断路器，更加节省配电柜数量，占地面积进一步减少，这对于一些强调出房率、强调节约成本的客户来讲是喜闻乐见的。2.2对UPS进线保护开关分断或耐受性能要求的改变电力模块作为整体解决方案，其UPS及相应的配电保护设备的安装位置大大前移到紧邻变压器低压侧。与传统的UPS及配套设备远离变压器的部署方案发生了明显的变化。在数据中心行业初期时，UPS的容量较小，部署位置也远离变电站或变压器。这种情况下通过电缆为UPS及配套设备进行供电，经过电缆的限流后，在UPS上口的短路电流会明显变小；而当电力模块式的UPS就安装在变压器低压侧时，就不存在这种电缆的限流作用。通过ETAP的模拟分析可以帮助我们清晰量化这种影响，用一个案例(图3)来说明短路电流的变化。案例中设置了2个短路点,短路点1就位于变压器低压侧，这个场景就是电力模块场景；短路点2位于经过50m电缆后的UPS上端口，可以理解成为传统配置下的场景：出线回路电缆为截面积为185mm²的单芯电缆，每相3根。变压器额定容量为2500kVA，短路阻抗为6%，连接组别为Dyn11。变压器10kV侧系统内短路电流，分别按照主流断路器额定分断电流(25kA及31.5kA)进行假设，假设10kV系统内感抗与电阻比值(X/R)为10。短路电流计算见表1。图3

ETAP模拟案例说明：（1）由于案例中未计入电动机负荷,因此表中对称短路电流初始值I”k与稳态短路电流值Ik相同。（2）Ith的计算方法：在仿真软件中电缆末端设置断路器，从而获得故障时流经断路器的热等效短路电流。通过ETAP的模拟计算(结算标准采用IEC-60909)，可以清晰看出当安装位置越靠近变压器时，流经配电设备(如断路器、熔断器、负荷开关、电缆、母线等)的短路电流就越大，对UPS主回路及静态旁路中保护分断设备的分断或耐受性能要求就越严苛。2.3

断路器VS负荷开关+熔断器的保护能力断路器进线方案、负荷开关+熔断器方案分别如图4、图5所示。图4

断路器进线方案图5负荷开关+熔断器方案假设一个回路中已经出现了短路，当电源接通后，则出现短路电流。此时分断设备需要承受短路电流的峰值，满足动稳定耐受要求，以确保保护分断设备不会因为短路电流的电动力而损坏。这个值以短路电流的峰值来定义，即：短路接通容量。对于保护分断设备来说就是额定闭合电流或闭合容量(Icm)。当发生短路故障时，不但要求保护分断设备不会因为电动力而遭受破坏，还需要按照设计要求安全的分断短路电流。因此需要根据计算出的最大短路电流有效值去选择具有适当耐受能力(如Icm,Ith)和分断能力(如Ics,Icu)的保护设备。短路电流计算结果决定了保护分断设备选型的结果。如果保护分断设备的分断能力或耐受能力小于流经自身的最大短路电流时，就是一个非常严重的潜在隐患，也违背了设计要求，必须引起重视。目前在电力模块的解决方案中，UPS及其配套设备就在变压器低压侧，并通过铜排进行连接。在工程应用上，仅有几米长的铜排对短路电流的限流作用可视为零，那么在电力模块解决方案中，无论采用负荷开关+熔断器配置方案或断路器配置方案，实现对UPS主回路或静态旁路的保护，保护分断设备参数都需要按照前面案例的短路点1的最大三相短路电流计算结果进行选择：（1）熔断器熔断器在只考虑分断能力的情况下，只要求熔断器的短路分断能力大于预期短路电流(包括有效值及峰值)。因此对于靠近变压器低压侧安装的熔断器，要求其短路分断电流有效值大于57.3kA，峰值大于131.6kA。通常熔断器的分断能力较大，能够实现对以上分断能力或耐受能力的参数要求。（2）负荷开关由于负荷开关不具备分断短路电流的能力，因此没有Ics和Icu值，但是有Icw和Icm参数要求。Icw(短时耐受电流)：设计人员需要考虑上游断路器最大的切除时间来校验下游负荷开关的Icw值，参考如上的短路计算结果，要求Icw参数大于58.5kA/0.5秒。Icm(额定闭合电流)：由于负荷开关靠近变压器低压侧，预期的短路电流峰值为131.6kA。市场上多数的负荷开关单独使用时，无法满足耐受如此高峰值电流的要求，所以需要在上游安装额外的熔断器或断路器以便实现限流。目前一些厂家号称拥有专利的小尺寸的负荷开关，虽然能够满足1250A的载流量，但是否能够承担131.6kA的短路电流峰值并没有具体说明。其次，如果负荷开关作为UPS主回路或静态旁路中的隔离设备安装在低压主进断路器下口时，由于低压主进断路器基本采用框架断路器，市面上广泛使用的框架断路器的主流型号没有限流功能，因此无法对负荷开关实现限流保护。最后，在极端情况下，当故障点在负荷开关下口时闭合负荷开关，那么负荷开关直接面对闭合短路电流(峰值电流)的情况。一旦负荷开关参数不满足使用要求，将会造成设备烧毁甚至人员伤亡的事故。（3）断路器断路器可供选择的参数就丰富很多，容易满足对参数的要求。对于框架式断路器,就可以选择Icu或Ics参数高于57.3kA、Icm参数高于131.6kA、Icw参数高于57.9kA/1s的断路器。2.4

可在线维护能力(是否能做到维护时的电气隔离,以及持续供电是否受影响)（1）负荷开关的更换复杂，断电故障面积增大，需要更长的维护时间如果UPS进线的负荷开关万一出现故障需要更换，需要断掉低压总进线，拆除与上下游连接铜排的螺丝，相比传统抽出式ACB的方案，本体可以摇进摇出的更换方案，显然负荷开关更换的复杂度更大，故障平均修复时间MTTR变长。（2）熔断器，特别是快速熔断器虽然在短路状况下保护了静态旁路，但实际上牺牲了配电的选择性，且更换复杂，需要更长的维护时间目前部分UPS厂家为了宣传其产品的抗短路能力，在整流逆变以及静态旁路的上游都安装了熔断器，宣称UPS的Icc可以达到100kA，满足低压柜50kA/65kA的短路环境。从配电保护的角度来看这样并不合理，因为UPS下游一旦出现短路，UPS会切换到旁路，按理说旁路的功率元器件SCR需要有足够的短时耐受能力，以便下游的断路器有足够的时间将故障切除；但是有些厂家为了在参数上好看，在旁路上游增加了快熔，当下游出现短路时，因为快熔的动作时间比断路器动作还要快，大概率会出现静态旁路的熔断器熔断与下游保护设备的选择性难以保证。图6~7是某厂家安装在UPS进线静态旁路侧的Bussmann熔断器的脱扣曲线，熔断器规格为1800A。如果是50kA的短路电流，预计脱扣时间在0.0004秒，考虑到下游列头柜一般是400A，50kA的短路电流会使MCCB进入到能量脱扣区域，能量脱扣一般时间小于10ms，也就是0.01秒。所以从曲线配合的角度来说很难具有选择性，也即：一旦发生短路故障，下游的MCCB还没有动作，上游的熔断器已经先行熔断，对运维来说，需要排查的故障范围变大，故障平均修复时间MTTR变长。同时熔丝的更换也比较麻烦，更换UPS内部的熔丝可能需要厂家的技术支持，等待售后工程师到场，这样的设计实际是人为增加了故障的恢复时间。图6熔丝在50kA短路电流下的脱扣时间图7MCCB在50kA短路电流下进入能量脱扣时间（3）负荷开关+熔断器的方式无法实现UPS的反向馈电保护GB7260.1-2008不间断电源设备第1-1部分：《操作人员触及区使用的UPS的一般规定和安全要求》第5.1.4反向馈电保护中说明：“应配置反向馈电保护。在正常情况和交流输入电压掉电使零部件出现单一故障情况下，反向馈电保护装置输入端不应出现电击危险”。例如图8中,如果UPS在电池放电模式，静态旁路出现故障，则电流会通过静态旁路反向倒送到上游配电柜(桔黄色为倒送电流方向)，即发生逆功率故障。如上游有人在操作，则存在电击的风险。图8UPS反向馈电风险示意图目前UPS厂家实现反向馈电保护，最经济的做法是通过UPS内部的控制器，当发现逆功率故障时，向静态旁路上游的断路器发出脱扣信号，实现跳闸。在负荷开关+熔断器的方式中，该负荷开关不具备任何电操或者远程分合闸的能力，所以当反向馈电故障发生的时候，无法跳开上游开关，具有很大的安全风险。2.5A级数据中心设计时需考虑SLA的罚则A级数据中心设计时要考虑SLA的罚则，SLA即服务级别协议，是指提供服务的企业与客户之间就服务的品质、水准、性能等方面所达成的双方共同认可的协议或契约。一个A级数据中心遇到一次故障会将为C级，那么多久才能恢复到A级保障水平是客户最关心的。一般来讲A级数据中心的SLA，允许单侧失电的时间不会超过30分钟，那么我们就要考虑在这个时间内如何快速切除故障点，恢复供电。从这个角度出发，无疑影响面越小越容易恢复。基于电气工程设计思路的电力模块，由于每台UPS均有外置断路器作为输入输出保护，因此在UPS单台故障或需要整体更换时可轻易断开设备，通过剩余UPS或公共维护旁路继续为负载供电；而基于极简设计思路的电力模块，由于每台UPS直连水平母线，仅有内部的负荷开关+熔断器作为电气保护，单个模块故障时可以更换故障单元，但如果是功率模块外的电气连接部分短路或者需要整体更换时只能水平母线断电来进行维护，此时就不是分钟级能恢复的了。3负荷开关+熔断器配置方案与断路器配置方案的比较配置方案对比如表2所示。4结束语数据中心预制化交流电力模块经过众多厂商的研究，推出了不同架构以应对市场需要。无论是极简设计思路，还是工程思路，电力模块的本质没有改变，都是紧凑