以北方某數(shù)據(jù)中心為例簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)

【摘要】數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是保證數(shù)據(jù)中心正常工作非常關(guān)鍵的要素之一，本文以北方某數(shù)據(jù)中心為例從中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、后備電源保障系統(tǒng)、電氣照明系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)等方面簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】變配電系統(tǒng)；柴油發(fā)電機(jī)；低壓配電；UPS；照明標(biāo)準(zhǔn)；防雷接地

數(shù)據(jù)中心是全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)代我們熟知的政府機(jī)構(gòu)、教育機(jī)構(gòu)，金融機(jī)構(gòu)，電子商務(wù)機(jī)構(gòu)等都離不開(kāi)數(shù)據(jù)中心的支持，可以說(shuō)數(shù)據(jù)中心推動(dòng)著當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、VR等的普及也離不開(kāi)數(shù)據(jù)中心的支持可以認(rèn)為數(shù)據(jù)中心將與人類未來(lái)的生活息息相關(guān)。數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)是保證其可靠運(yùn)行關(guān)鍵系統(tǒng)之一，電氣系統(tǒng)的合理性，可靠性，穩(wěn)定性，節(jié)能性等是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo)，下文將以北方某數(shù)據(jù)中心為例簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)。

1、項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目位于華北較為寒冷地區(qū)，機(jī)房等級(jí)按《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008 A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)中心為兩棟建筑，一棟為數(shù)據(jù)機(jī)房，一棟為動(dòng)力中心（主要放置中壓柴油發(fā)電機(jī)，空調(diào)冷水機(jī)組等）。

2、電氣設(shè)計(jì)原則

（1）變配電房的規(guī)劃布置盡量靠近負(fù)荷中心，減小供電半徑，有利于節(jié)能及節(jié)約投資；

（2）結(jié)合工藝及建筑的規(guī)劃設(shè)置變配電房，變配電房的規(guī)劃充分考慮“可靠性”、“經(jīng)濟(jì)性”、“可擴(kuò)充性”、“便于管理維護(hù)”等原則，使機(jī)房PUE值達(dá)到最 優(yōu)；

（3）所有配電柜及相應(yīng)的配電線路，均以用電峰值為其設(shè)計(jì)負(fù)荷；

3、供電可靠性保證

本項(xiàng)目按《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008 A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，采取以下措施保證機(jī)房設(shè)備供電系統(tǒng)的可靠性：

（1）采用兩路10kV市電為主用電源、柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源以及UPS作為不間斷電源供電；

（2）變壓器及供配電系統(tǒng)采用M（1+1）方式的配置共5組（10臺(tái)）10kV/380V變壓器；

（3）重要回路由兩回路供電，由兩臺(tái)不同的變壓器，不同的保證母線段采取放射式供電，兩回路供電線路及出線開(kāi)關(guān)均可實(shí)現(xiàn)互為備份。

4、設(shè)計(jì)范圍

（1）10kV高壓配電系統(tǒng)；（2）10/0.4kV配電系統(tǒng)；（3）備用發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)；

（4）動(dòng)力系統(tǒng)；（5）照明系統(tǒng)；（6）防雷保護(hù)、安全措施及接地系統(tǒng)。（7）電源分界點(diǎn)為高壓配電房電源進(jìn)線柜內(nèi)進(jìn)線開(kāi)關(guān)的進(jìn)線端。高壓開(kāi)關(guān)房屬城市供電部門(mén)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，高壓開(kāi)關(guān)房?jī)?nèi)設(shè)備由供電局負(fù)責(zé)選型。

5、變、配電系統(tǒng)

（1）負(fù)荷分級(jí)：

一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷：機(jī)房IT設(shè)備用電負(fù)荷；

一級(jí)負(fù)荷：消防負(fù)荷：消防中心用電、消防水泵、消防電梯、防排煙風(fēng)機(jī)、消防應(yīng)急照明等消防用電，機(jī)房專用空調(diào)負(fù)荷，機(jī)房保證照明等；

二級(jí)負(fù)荷：機(jī)房配套用房照明，普通排風(fēng)風(fēng)機(jī)，普通空調(diào)風(fēng)柜等；

三級(jí)負(fù)荷：不屬于一、二級(jí)負(fù)荷的其他負(fù)荷。

6、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

（1）本工程采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，發(fā)電機(jī)采用N配置；共須安裝5臺(tái)1800kW/2000kVA高壓柴油發(fā)電機(jī)組，為本工程一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷提供用電保證。

（2）柴油發(fā)電機(jī)在市電故障停電后，能在15秒內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng)，向本工程保證高壓母線段供電。采取有效措施防止市電與發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行。

（3）并機(jī)總技術(shù)要求

發(fā)電機(jī)主要為機(jī)房 IT 負(fù)荷、空調(diào)制冷系統(tǒng)、消防供電系統(tǒng)以及應(yīng)急照明提供應(yīng)急電源保障容量。發(fā)電機(jī)組的并機(jī)容量首先應(yīng)滿足以下三個(gè)條件：

a發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行額定功率大于或等于穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算功率；

b發(fā)電機(jī)的備用運(yùn)行功率大于或等于負(fù)荷的尖峰功率；

c在最大的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)電壓降不大于 15%～20%。

其次，數(shù)據(jù)中心配置有大量的不間斷電源，它的特性是非線性負(fù)載，在供電線路上會(huì)產(chǎn)生諧波，使發(fā)電機(jī)輸出電壓波形產(chǎn)生失真。由于發(fā)電機(jī)組相對(duì)電網(wǎng)是有限容量系統(tǒng)，多臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)除了滿足穩(wěn)定負(fù)荷需求外，還需考慮負(fù)載特性（電能質(zhì)量）、啟動(dòng)性能、沖擊負(fù)載（冷凍機(jī)組和水泵的啟動(dòng)電流、變壓器投入時(shí)的激磁電流）對(duì)發(fā)電機(jī)使用的影響。

（4）中壓ATS系統(tǒng)要求：

中壓ATS根據(jù)設(shè)定的各負(fù)荷出線重要等級(jí)，由重要性由最低向重要性最高的順序，逐次跳開(kāi)母線各負(fù)載出線斷路器；然后，合油機(jī)進(jìn)線斷路器，根據(jù)接收到的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量，按照負(fù)荷出線重要性等級(jí)，由重要性最高向重要性最低順序逐次合上允許數(shù)量的出線斷路器。

7、高、低壓供電系統(tǒng)及運(yùn)行方式

（1）高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

a 本工程高壓供電系統(tǒng)采用兩路10kV專線市電電源，采用單母線運(yùn)行方式，正常供電時(shí)，兩路電源同時(shí)供電。

b 10kV斷路器采用真空斷路器短路電流為31.5kA，在10kV出線開(kāi)關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)氧化鋅避雷器作為真空斷路器的操作過(guò)電壓保護(hù)。

c當(dāng)市電失電后，啟動(dòng)高壓柴油發(fā)電機(jī)組，保證重要負(fù)荷用電。

d高壓斷路器校驗(yàn)

【動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)】

已知：

三相短路沖擊電流ich = 6.23（kA）

額定峰值耐受電流imax =60（kA）

校驗(yàn)：

Ich≤Imax，動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)合格！

【熱穩(wěn)定校驗(yàn)】

已知：

額定短時(shí)耐受電流It = 31.5（kA）

額定短時(shí)持續(xù)時(shí)間t =4（s）

短路電流熱效應(yīng)Qt =0.5（kA2.s）

校驗(yàn)：

Qt≤It×It×t，熱穩(wěn)定校驗(yàn)合格！

（2）低壓配電系統(tǒng)

a 變壓器低壓側(cè)采用單母線分段方式運(yùn)行。T1、T3、T5、T7、T9分別與T2、T4、T6、T8、T10變壓器之間設(shè)母聯(lián)開(kāi)關(guān)。

b 低壓配電系統(tǒng)采用AC 380V，AC 380V配電系統(tǒng)采用放射式與樹(shù)干式相結(jié)合的方式，對(duì)于單臺(tái)容量較大的負(fù)荷或重要負(fù)荷采用放射式供電；對(duì)于照明及一般負(fù)荷采用樹(shù)干式與放射式相結(jié)合的供電方式。

8、設(shè)備選型如下

（1）戶內(nèi)式變壓器按節(jié)能型干式變壓器設(shè)計(jì)，設(shè)強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)；接線為 D，Yn11，保護(hù)罩由廠家配套供貨，防護(hù)等級(jí)不低于IP30.

（2）高壓配電柜按金屬鎧裝移開(kāi)式中置柜進(jìn)行設(shè)計(jì)，斷路器額定電流1250A，分?jǐn)嗄芰?1.5kA；采用直流操作。高壓電纜采用上進(jìn)上出接線方式。

（3）斷路器最大短路電流計(jì)算：

變壓器阻抗電壓百分比：Uk%=6（ST≤2500

KVA），Uk%=8（ST=2500KVA）；

變壓器電阻忽略不計(jì)，電抗：額定電壓：Ur=0.4KV，

采用2500KVA變壓器時(shí)，ST=2.5MVA 得到XT=0.01024

短路電流

采用2000KVA變壓器時(shí)，ST=2MVA 得到XT=0.00614

短路電流

采用1250KVA變壓器時(shí)，ST=1.25MVA 得到XT=0.00384

短路電流

低壓配電柜依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)抽屜柜，落地式安裝進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)上述計(jì)算與2500KVA和2000KVA變壓器配套配電柜斷路器分?jǐn)嗄芰?5kA以上，與1250KVA變壓器配套配電柜斷路器分?jǐn)嗄芰?0kA以上，進(jìn)出線電纜采用上進(jìn)上出的接線方式。

柴油發(fā)電機(jī)組為應(yīng)急自啟動(dòng)型，應(yīng)急啟動(dòng)裝置及相關(guān)成套設(shè)備由廠家配套供貨

9、10kV繼電保護(hù)裝置的設(shè)置

（1）進(jìn)線采用過(guò)流、速斷、零序保護(hù)；

（2）出線采用過(guò)流、速斷、零序保護(hù)；

（3）變壓器設(shè)置過(guò)流、速斷、溫度保護(hù)。

（4）發(fā)電機(jī)設(shè)置過(guò)流、速斷、零序、溫度、差動(dòng)保護(hù)。

10、電能計(jì)量裝置

采用高壓集中計(jì)量，在每路10 kV電源進(jìn)線處設(shè)置專用計(jì)量裝置，并可根據(jù)要求設(shè)置低壓電力分表。

11、功率因素補(bǔ)償方式

采用低壓集中自動(dòng)補(bǔ)償方式，在變配電所低壓側(cè)設(shè)功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償后功率因素達(dá)0.96以上。

12、諧波治理

由于諧波分布的多變性和諧波工程計(jì)算的復(fù)雜性，因此在進(jìn)行變電所設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)預(yù)留濾波設(shè)備安裝位置，待系統(tǒng)正式運(yùn)行后根據(jù)對(duì)諧波的實(shí)測(cè)和分析，再采取相應(yīng)的、有效的諧波治理措施。

對(duì)于變頻設(shè)備采用IGBT整流，或加裝消諧裝置，防止諧波涌入電力系統(tǒng)；

對(duì)于UPS等根據(jù)后期通信工藝的要求，采用IGBT整流或就地設(shè)置諧波吸收裝置，使諧波含量負(fù)荷電網(wǎng)的要求。

13、照明系統(tǒng)

（1）照度標(biāo)準(zhǔn)、主要場(chǎng)所照明功率密度值按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。主要場(chǎng)所照明功率密度值見(jiàn)下表：

其他場(chǎng)所按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013執(zhí)行。

（2）光源、燈具選擇、照明燈具的安裝及控制方式：

a光源：一般場(chǎng)所為熒光燈或節(jié)能型光源，有裝修要求的場(chǎng)所視裝修要求而定，但其照度應(yīng)符合相關(guān)要求。

b用于應(yīng)急照明的光源采用能快速點(diǎn)亮的光源。

14、防雷與接地

（1）防雷措施

a本工程按二類防雷措施設(shè)防。建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)一級(jí)。

b在機(jī)樓屋頂設(shè)避雷帶作為防直擊雷的接閃器，利用建筑物結(jié)構(gòu)柱子內(nèi)的主筋做引下線，利用結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)做接地體。

c為防側(cè)向雷擊，豎向敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂部和底部應(yīng)與防雷裝置連接。

d為防雷電波浸入，電纜進(jìn)出線在進(jìn)出端應(yīng)將電纜的金屬外皮、鋼管等與電氣設(shè)備接地相連。

e電子信息系統(tǒng)的箱體、殼體、機(jī)架等金屬組件應(yīng)與建筑物的共用接地網(wǎng)作等電位連接。

f防雷接地、變壓器中性點(diǎn)接地及電氣設(shè)備保護(hù)接地等共用同一的接地裝置，要求接地電阻不大于1Ω，當(dāng)接地電阻達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)在室外增設(shè)人工接地體。

g本工程采用總等電位連聯(lián)結(jié)。在各電氣設(shè)備房、每層IT機(jī)房、衛(wèi)生間等處設(shè)局部等電位聯(lián)結(jié)。

（3）機(jī)房接地保護(hù)措施

a 計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)、有線電視引入端、電信引入端設(shè)過(guò)電壓保護(hù)裝置。

強(qiáng)、弱電系統(tǒng)采用共用接地裝置。

b IT機(jī)房、電信機(jī)房、監(jiān)控中心室等弱電設(shè)備用房的接地利用大樓的共用接地裝置，獨(dú)立設(shè)置引下線，采用40x4編織銅帶。穿PVC管保護(hù)。

c防雷電感應(yīng)措施：

為了保證本工程大樓內(nèi)的通信設(shè)備的安全，對(duì)通信設(shè)備及弱電設(shè)備供電系統(tǒng)，依據(jù)設(shè)備終端的耐壓水平，分別采用2～4級(jí)的多級(jí)防雷措施，加裝浪涌保護(hù)裝置。

采取聯(lián)合接地方式，設(shè)置專用直流邏輯接地、交流工作接地、安全保護(hù)接地、防雷保護(hù)、防靜電接地等；在機(jī)房適當(dāng)位置設(shè)置局部等電位接地端子箱，機(jī)房交流配電系統(tǒng)接地、計(jì)算機(jī)設(shè)備安全保護(hù)接地等采用電纜匯接至機(jī)房等電位接地端子箱，再接到大樓接地網(wǎng)；機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置銅帶等電位接地網(wǎng)。

數(shù)據(jù)中心在現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)計(jì)方式有很多種，以上只是簡(jiǎn)單介紹其中一種比較常見(jiàn)的電氣設(shè)計(jì)方式。隨著社會(huì)的發(fā)展數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目設(shè)計(jì)而且是一個(gè)社會(huì)話題，這個(gè)話題背后是人們對(duì)能源消耗的憂慮和對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題的擔(dān)心，所以雖然數(shù)據(jù)中心在今天已經(jīng)發(fā)展的比較成熟但是對(duì)于數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)還任重道遠(yuǎn)。此文旨在拋磚引玉，希望更多的人關(guān)注和探討數(shù)據(jù)中心在為來(lái)電氣設(shè)計(jì)中更加節(jié)能更加高效的方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)公安部，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50016-2015，第1版，中國(guó)計(jì)劃出版社.

[2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009，第1版，中國(guó)計(jì)劃出版社.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008，第1版，中國(guó)計(jì)劃出版社.