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 < S2K2 / I2。

由于电缆热耐受能力是一个定值，保护电器切断短路电流时的能量必须小于电缆的S 2K2，才能有效地保护电缆，如超过的话，电缆则因绝缘材料的瞬间损坏而毁掉。

因此，I2 t < S 2K2 说明了短路电流的大小与导线截面和配电线路长度的关系，短路能量与保护电器的分断时间的关系。

图5是PVC铜导线的热耐受能力及配电线路保护原理。

配电线路除了过载和短路故障外，还有绝缘（接地）故障和过电压故障，在分支配电和终端配电线路，有时更重视绝缘（或接地）故障、过电压故障，因为这类故障直接危及用户的生命，造成财产的损失。

本文阐述的线路保护，主要指短路和过载保护及其选择性。

选择性是指在主配电线路、分支配电线路和终端配电线路上下级保护电器之间的保护配合。

所谓选择性跳闸是指离故障点最近的保护电器切除故障线路，非故障配电线路则继续保持供电。

若无选择性，一个短路故障可使配电干线上的多台保护电器同时跳闸，引起大面积停电。

选择性的基础是计算短路电流，计算每一条配电线路可能出现的最大和最小短路电流，依据配电线路的短路电流和负荷电流选择保护电器，才能精确整定保护参数，才能得出配电线路保护电器之间的选择级差。

评价选择性必须考虑如下因素：a. 正确选择配电线路导线截面，计算配电系统网络的参数。

b. 计算短路电流，包括最大短路电流和最小短路电流。

c. 正确选择配电线路的保护电器。

d. 整定保护电器（脱扣器）的动作参数。

e. 比较上下级保护电器的特性曲线。

3.2 配电线路保护电器的选择配电线路保护电器主要选用断路器和熔断器。

熔断器分断能力高，选择性保护配合容易实现，但数据中心断路器用得最多。

断路器有两类：A类断路器和B类断路器。

A类断路器之间的保护配合，用电流选择性（或能量选择性）原则评价；B类断路器和B类（或A 类）断路器之间的保护配合，用时间选择性原则评价。

3.2.1 A 类断路器A类断路器泛指MCB和MCCB，一般为限流型断路器，其脱扣特性曲线由过载反延时脱扣和短路瞬动脱扣两段曲线组成。

配电线路发生短路故障时，短路瞬间的电流包含了瞬态非周期分量，短路瞬态的冲击系数与短路电流的稳态值有关，利用A类断路器可限制瞬态短路电流的峰值，可在几ms时间内熄灭电弧，快速切除和隔离短路故障。

3.2.2 B 类断路器B类断路器通常指ACB，也称选择性型断路器。

其脱扣特性由过载反延时脱扣、短路短延时脱扣和短路瞬动脱扣三段曲线组成。

该类断路器通常作为变压器总保护开关、母线联络开关、主干线配电保护开关。

为了确保整个配电系统供电的连续性和可靠性，需要短时耐受短路电流，让下级A 类断路器切除短路故障，确保非故障线路连续供电。