一點(diǎn)接地系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用分析

孟 強(qiáng)

(華東建筑設(shè)計研究總院，上海 200002)

0 引言

隨著數(shù)據(jù)中心行業(yè)的發(fā)展日趨成熟，中國數(shù)據(jù)中心業(yè)務(wù)市場的增長率已逐步放緩，數(shù)據(jù)中心的建設(shè)更注重可靠性、綠色節(jié)能等品質(zhì)方面的追求。2018年至今，北京、上海、深圳相繼出臺關(guān)于數(shù)據(jù)中心建設(shè)的指導(dǎo)文件，對建設(shè)規(guī)模、PUE、高新技術(shù)的應(yīng)用均提出了更高的要求。

在數(shù)據(jù)中心項目中，雜散電流產(chǎn)生的雜散電磁干擾會影響電子信息設(shè)備正常運(yùn)行，UPS斷零故障會直接導(dǎo)致UPS宕機(jī)、降低供電可靠性，兩者均會直接降低數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行品質(zhì)。工程中廣泛采用的變壓器中性點(diǎn)直接接地方式，無法同時解決雜散電流和UPS斷零問題。因此，本文通過與一點(diǎn)接地系統(tǒng)的對比分析，指出一點(diǎn)接地是更簡單、有效、經(jīng)濟(jì)的解決方案，應(yīng)在工程中推廣使用，再結(jié)合數(shù)據(jù)中心備用電源的特點(diǎn)，給出對應(yīng)多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)的構(gòu)架。

1 雜散電流與UPS斷零

1.1 雜散電流

雜散電流是指中性線電流通過不正規(guī)的并聯(lián)通路返回電源的電流，可能會引起火災(zāi)、腐蝕金屬管道、產(chǎn)生雜散電磁場干擾電子信息設(shè)備的正常工作等危害。

雜散電流的產(chǎn)生原因與解決方案包括：(1)施工錯誤，如在電氣裝置內(nèi)N線與PE線接反、N線被重復(fù)接地、N線絕緣破損故障接地等，應(yīng)通過規(guī)范施工工藝、提高施工質(zhì)量避免錯誤的發(fā)生，并加強(qiáng)運(yùn)維管理；(2)接地故障時，PE線成為不正規(guī)的通路產(chǎn)生雜散電流，若保護(hù)電器在規(guī)定時間內(nèi)切斷故障，雜散電流通路消失，短時間內(nèi)雜散電流產(chǎn)生的干擾可忽略不計；(3)系統(tǒng)多點(diǎn)接地導(dǎo)致中性線電流有不正規(guī)的通路，需根據(jù)系統(tǒng)接地方式合理匹配開關(guān)設(shè)備才能予以解決，以下將重點(diǎn)分析此問題。

1.2 高頻UPS斷零

高頻UPS是數(shù)據(jù)中心中最常用的交流不間斷電源裝置，其典型系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。根據(jù)T/CECS 486-2017《數(shù)據(jù)中心供配電設(shè)計規(guī)程》第6.2.3條“UPS設(shè)備主路輸入(整流器輸入)和靜態(tài)旁路的輸入宜分別引自不同的上級輸入開關(guān)”，在TN-S配電系統(tǒng)下，高頻UPS的零電位參考點(diǎn)由配電系統(tǒng)中性線提供，為節(jié)約線纜，通常主路為三根相線，旁路線纜為三根相線、N線及PE線。UPS系統(tǒng)一旦失去零電位參考點(diǎn)，會發(fā)生轉(zhuǎn)蓄電池供電甚至宕機(jī)故障，極大影響數(shù)據(jù)中心供電的可靠性。

圖1 高頻UPS系統(tǒng)圖

UPS斷零故障的產(chǎn)生與解決方案包括：(1)線纜故障，如N線電纜接頭安裝不牢靠、N線絕緣破損故障接地等，應(yīng)通過規(guī)范施工工藝、提高施工質(zhì)量避免故障的發(fā)生，并加強(qiáng)運(yùn)維管理；(2)供配電系統(tǒng)運(yùn)行模式切換導(dǎo)致UPS斷零，需根據(jù)系統(tǒng)接地方式合理匹配開關(guān)設(shè)備才能予以解決，以下將重點(diǎn)分析此問題。

2 雙電源接地系統(tǒng)

2.1 雙電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)

以雙重電源供電的A級數(shù)據(jù)中心為例，兩臺變壓器為一組，組成雙電源系統(tǒng)為負(fù)載供電。為防止工作電流通過不期望的路徑產(chǎn)生雜散電流，根據(jù)GB/T 16895.1-2008《低壓電氣裝置 第1部分：基本原則、一般特性評估和定義》第312.2.1.2條“不應(yīng)在變壓器的中性點(diǎn)或發(fā)電機(jī)的星形點(diǎn)直接對地連接；在諸電源中性點(diǎn)間相互連接的導(dǎo)體(PEN)與PE導(dǎo)體之間，應(yīng)只連接一次，這一連接應(yīng)設(shè)置在總配電屏內(nèi)”，即應(yīng)采用雙電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)，如圖2所示，QF1～3均采用3P開關(guān)。

圖2 雙電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)圖

(1)雜散電流問題分析

1)運(yùn)行模式1：雙路市電正常，兩臺變壓器分別運(yùn)行，QF1、QF2閉合，QF3斷開；系統(tǒng)為一點(diǎn)接地，電氣裝置N線上的電流如圖2中虛線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

2)運(yùn)行模式2：變壓器T2側(cè)失電，系統(tǒng)由變壓器T1供電，QF1、QF3閉合，QF2斷開；系統(tǒng)為一點(diǎn)接地，電氣裝置N線上的電流如圖中虛線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

3)運(yùn)行模式3：變壓器T1側(cè)失電，系統(tǒng)由變壓器T2供電，QF2、QF3閉合，QF1斷開；系統(tǒng)為一點(diǎn)接地，無雜散電流。

4)運(yùn)行模式4：雙路市電失電，變壓器退出運(yùn)行，QF1～3斷開，UPS下負(fù)荷由UPS供電；系統(tǒng)為一點(diǎn)接地，無雜散電流。

(2)UPS斷零問題分析

在上述4種運(yùn)行模式下及4種模式切換過程中，系統(tǒng)N線始終與PE線連接，不會產(chǎn)生UPS斷零故障。值得注意的是，UPS的主旁路均應(yīng)采用3P開關(guān)。

2.2 雙電源多點(diǎn)接地系統(tǒng)

與上文2.1相同，A級數(shù)據(jù)中心中兩臺變壓器為一組，按GB 50303-2002(舊版規(guī)范，已作廢)《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》第5.1.2條“接地裝置引出的接地干線與變壓器的低壓側(cè)中心點(diǎn)直接連接；接地干線與箱式變電所的N母線和PE母線直接連接；變壓器箱體、干式變壓器的支架或外殼應(yīng)接地(PE)”，即變壓器中性點(diǎn)直接接地、雙電源多點(diǎn)接地系統(tǒng)，如圖3所示。

根據(jù)開關(guān)采用3P、4P的不同，系統(tǒng)有三種配置方案，每種方案有四種運(yùn)行模式(如上文2.1所述)，對應(yīng)雜散電流問題分析匯總?cè)绫?所示。

(1)雜散電流問題分析

以方案2(QF1～2為3P、QF3為4P)為例。

1)運(yùn)行模式1：雙路市電正常，兩臺變壓器分別運(yùn)行，QF1、QF2閉合，QF3斷開；N線在QF3處被斷開，兩臺變壓器各成系統(tǒng)，均為一點(diǎn)接地，電氣裝置N線上的電流如3圖實(shí)線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

不同開關(guān)配置方式及不同模式下的雜散電流 表1

圖3 雙電源多點(diǎn)接地系統(tǒng)圖

2)運(yùn)行模式2：變壓器T2側(cè)失電，系統(tǒng)由變壓器T1供電，QF1、QF3閉合，QF2斷開；N線在QF3處被連接，系統(tǒng)為兩點(diǎn)接地，電氣裝置N線上的電流如圖3箭頭路徑所示，有多個流通路徑，有雜散電流；值得注意的是，虛線箭頭路徑僅示出了其中一種，N線電流還可能流經(jīng)與接地裝置連接的金屬管道、接地扁鋼等。

3)運(yùn)行模式3：變壓器T1側(cè)失電，系統(tǒng)由變壓器T2供電，QF2、QF3閉合，QF1斷開；系統(tǒng)為多點(diǎn)接地，有雜散電流。

4)運(yùn)行模式4：雙路市電失電，變壓器退出運(yùn)行，QF1～3斷開，UPS下負(fù)荷由UPS供電；系統(tǒng)為一點(diǎn)接地，無雜散電流。

(2)UPS斷零問題分析

1)方案1、方案2，在4種運(yùn)行模式下及4種模式切換過程中，系統(tǒng)N線始終與PE連接，不會產(chǎn)生UPS斷零故障。

2)方案3，在模式1～3下，N線始終與PE線連接，無UPS斷零故障；在模式4下，N線與PE線斷開，會發(fā)生UPS斷零故障。

3)方案3，在模式1向模式3轉(zhuǎn)換時，需先斷開QF1再合上QF3，在此過程中N線與PE線斷開，會發(fā)生UPS斷零故障，通常此過程會持續(xù)數(shù)秒至數(shù)十秒；模式1向模式2轉(zhuǎn)換時，同理，會發(fā)生UPS斷零故障。

2.3 綜合對比分析

雙電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)與多點(diǎn)接地系統(tǒng)除了在雜散電流、UPS斷零問題上有較大差別外，開關(guān)的選用、系統(tǒng)接地線纜的數(shù)量都會對工程造價產(chǎn)生影響，兩種接地方式的綜合對比分析如表2所示。

兩種接地方式綜合對比分析 表2

由表2可知，雙電源多點(diǎn)接地系統(tǒng)，無法同時滿足無雜散電流、無UPS斷零故障的實(shí)際使用需求；4P開關(guān)的使用增加了工程造價，但是僅能在某些運(yùn)行模式下解決雜散電流問題；由于采用了變壓器中性點(diǎn)直接接地的方式，接地線纜是一點(diǎn)接地系統(tǒng)的兩倍，線纜費(fèi)用高。而雙電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)不僅無雜散電流和UPS斷零問題，而且開關(guān)、線纜的費(fèi)用均較低。

現(xiàn)行版GB 50303-2015《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》第5.1.2條“柜、臺、箱、盤等配電裝置應(yīng)有可靠的防電擊保護(hù)；裝置內(nèi)保護(hù)接地導(dǎo)體(PE)排應(yīng)有裸露的連接外部保護(hù)接地導(dǎo)體的端子，并應(yīng)可靠連接”，也取消了原2002版規(guī)范中對變壓器中性點(diǎn)直接接地的要求。國標(biāo)圖集14D504《接地裝置安裝》第93～95頁給出了多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)的示例。因此，一點(diǎn)接地不論是從理論分析、國家標(biāo)準(zhǔn)還是工程造價角度，都是值得在工程中廣泛推廣使用的系統(tǒng)接地方式。

3 多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)中心中，備用電源多采用柴油發(fā)電機(jī)組，10kV柴油發(fā)電機(jī)組接至10kV母線后給變壓器供電，其低壓配電系統(tǒng)仍可采用圖2所示的一點(diǎn)接地系統(tǒng)；0.4kV柴油發(fā)電機(jī)組需在0.4kV側(cè)與市電進(jìn)行切換，根據(jù)柴油發(fā)電機(jī)組的位置不同，一點(diǎn)接地系統(tǒng)構(gòu)架需做相應(yīng)的調(diào)整。以下以兩臺變壓器和一臺柴油發(fā)電機(jī)組切換為例介紹多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)，實(shí)際項目中的柴油發(fā)電機(jī)組配置方案可參考18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計與安裝》第35頁的其他方案。

3.1 發(fā)電機(jī)距變壓器較近

柴油發(fā)電機(jī)組距變壓器較近時，如發(fā)電機(jī)房與變電所在同一棟建筑內(nèi)毗鄰，可共用一組低壓配電柜，發(fā)電機(jī)組與變壓器通過雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置(ATS)進(jìn)行切換，如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)距變壓器較近時的多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)圖

變壓器、發(fā)電機(jī)組均引出A、B、C及PEN線，經(jīng)ATS轉(zhuǎn)換后接至低壓配電柜，QF1～4均采用3P開關(guān)，PEN線與PE線在低壓配電柜內(nèi)只連接一次，電氣裝置N線電流只有一個流通路徑，系統(tǒng)各種情況下均無雜散電流。值得注意的是，電源是經(jīng)過ATS轉(zhuǎn)換后供至UPS裝置，ATS需要采用均有中性線重疊功能的裝置，以保證在電源切換時，不產(chǎn)生UPS斷零故障。

3.2 發(fā)電機(jī)距變壓器較遠(yuǎn)

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時振動、噪聲大，而且對進(jìn)排風(fēng)的要求高，為減小其對數(shù)據(jù)中心的影響，可采用室外集裝箱式柴發(fā)機(jī)組或獨(dú)立的柴油發(fā)電機(jī)建筑。此時，發(fā)電機(jī)距變壓器較遠(yuǎn)，兩者間的聯(lián)絡(luò)母線阻抗增大，如果發(fā)電機(jī)需經(jīng)變電所內(nèi)一點(diǎn)接地而實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)接地，則過大的故障回路阻抗對短路電流的限制將降低發(fā)電機(jī)過電流防護(hù)動作的靈敏度。因此，發(fā)電機(jī)組與變壓器宜作為兩個獨(dú)立的一點(diǎn)接地系統(tǒng)考慮，此時多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 發(fā)電機(jī)距變壓器較遠(yuǎn)時的多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)圖

兩臺變壓器組成一個一點(diǎn)接地系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)組為另一個一點(diǎn)接地系統(tǒng)，通過雙電源自動轉(zhuǎn)換裝置(ATS)進(jìn)行切換后供給數(shù)據(jù)中心電氣裝置。QF1～6均采用3P開關(guān)，各種運(yùn)行模式下，電氣裝置N線電流只有一個路徑返回電源，均無雜散電流產(chǎn)生。同時，為保證UPS裝置不發(fā)生斷零故障，ATS需采用具有中性線重疊功能的裝置。

4 結(jié)束語