數(shù)據(jù)中心多電源系統(tǒng)接地及實施

鄒朋飛

本文基于數(shù)據(jù)中心項目從數(shù)據(jù)中心用電負荷特點、供電系統(tǒng)接地方式的選擇、實施中的具體問題包括電源轉(zhuǎn)換開關(guān)的級數(shù)、接地導(dǎo)體的選擇等方面闡述了數(shù)據(jù)中心多電源系統(tǒng)接地應(yīng)注意的問題，對數(shù)據(jù)中心類項目中電源系統(tǒng)接地的設(shè)計和實施具有較高參考和指導(dǎo)性。

數(shù)據(jù)中心;系統(tǒng)接地;電磁干擾;雜散電流;開關(guān)極數(shù);環(huán)形接地體

數(shù)據(jù)中心的定義是為集中放置的電子信息設(shè)備提供運行環(huán)境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機房、輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)等。簡單理解即為大量放置電子信息設(shè)備（包含數(shù)據(jù)計算、存儲、交換及傳輸設(shè)備等）并從事信息及數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)的場所。其從據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡(luò)中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度劃分為A、B、C三級。根據(jù)用途還可劃分為括政府數(shù)據(jù)中心、企業(yè)數(shù)據(jù)中心、金融數(shù)據(jù)中心、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心、云計算數(shù)據(jù)中心、外包數(shù)據(jù)中心等。

從數(shù)據(jù)中心的使用功能可知，其用電負荷除普通的建筑電氣用電及消防負荷外均為IT信息設(shè)備負荷及保證其運行壞境的空調(diào)動力負荷，且在通常情況下后者占比很大，一個數(shù)據(jù)中心所設(shè)置的供電變壓器根據(jù)規(guī)模從幾臺到幾十臺不等，相比普通民用建筑，數(shù)據(jù)中心屬于電能消耗大戶。

由于IT信息設(shè)備中斷供電造成的影響和損失嚴重（尤其是對于等級較高的A、B級數(shù)據(jù)中心），其對供電電源系統(tǒng)的可靠性要求極高，通常A、B級數(shù)據(jù)中心均采用雙重電源供電，變壓器要求設(shè)置備份，應(yīng)急柴油發(fā)電機要求考慮冗余。

同樣，電子信息設(shè)備對供電電能質(zhì)量的要求也很高，對電磁干擾及過電壓特別敏感，若超標，可能造成電子信息設(shè)備無法正常運行或損壞，故機房環(huán)境除滿足規(guī)范要求的電能質(zhì)量指標外，還應(yīng)重點考慮機房環(huán)境的電磁干擾、過電壓及靜電等問題。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017，第8.1.6條：數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的接地型式宜采用TN系統(tǒng)。采用交流電源的電子信息設(shè)備，其配電系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。由此可知市電電源系統(tǒng)的接地應(yīng)采用直接接地方式（即供電變壓器低壓側(cè)星形結(jié)點應(yīng)直接接地）。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017，第8.4.9條要求，數(shù)據(jù)中心用3～10kV備用柴油發(fā)電機系統(tǒng)中性點接地方式的選擇應(yīng)根據(jù)線路的單相接地電容電流數(shù)值及電網(wǎng)電源/常用電源接地方式確定。當電網(wǎng)電源/常用電源采用不接地系統(tǒng)時，柴油發(fā)電機系統(tǒng)中性點接地宜采用不接地系統(tǒng)。當電網(wǎng)電源/常用電源采用有效接地系統(tǒng)時，柴油發(fā)電機系統(tǒng)中性點接地可采用低電阻接地系統(tǒng)，也可采用不接地系統(tǒng)。當多臺柴油發(fā)電機組設(shè)置并機系統(tǒng)并列運行且采用低電阻接地系統(tǒng)時，可設(shè)置其中一臺機組接地實現(xiàn)系統(tǒng)接地。

根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》GB50174-2017，第8.4.10條：1kV及以下備用柴油發(fā)電機系統(tǒng)中性點接地方式宜與低壓配電系統(tǒng)接地方式一致。多臺柴油發(fā)電機組并列運行，且低壓配電系統(tǒng)中性點直接接地時，多臺機組的中性點可經(jīng)電抗器接地，也可采用其中一臺機組接地方式。

根據(jù)以上規(guī)范規(guī)定內(nèi)容，再結(jié)合工程實際數(shù)據(jù)中心應(yīng)急電源的系統(tǒng)接地無論高低壓電源設(shè)備通常采取與正常電源的接地方式保持一致，據(jù)筆者工程經(jīng)驗10～35kV中壓電網(wǎng)多數(shù)采用不接地方式，故對于數(shù)據(jù)中心項目中使用的高壓應(yīng)急電源多數(shù)采用不接地（也有經(jīng)電阻接地方式），而對于低壓應(yīng)急電源則均采用直接接地方式。

在數(shù)據(jù)中心建筑中，由于用電負荷以電子信息設(shè)備為主，電能質(zhì)量問題除了諧波電壓、電壓暫降、電壓偏差等電壓擾動（voltagedisturbance）引起的干擾，還包括走線和接地實施不當產(chǎn)生的雜散電磁場等引起的對信息系統(tǒng)的干擾，后者與變壓器 、發(fā)電機站中性點接地的實施息息相關(guān)。一般情況變電所的接地屬低頻范疇，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓不高，對用電設(shè)備的影響較小，但對于信號電壓低且比較敏感的數(shù)據(jù)中心電子信息設(shè)備則不能忽視幅值不大的感應(yīng)電壓帶來的影響。低壓配電系統(tǒng)內(nèi)的中性線不平衡電流、對地正常泄漏電流及故障狀態(tài)下的故障電流在變電所內(nèi)應(yīng)通過本回路的正規(guī)通路返回電源，此處電源即為數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中的變壓器或發(fā)電機，若通過其他非本回路的不正規(guī)通路返回的電流則被稱作雜散電流，它可引起對電子信息設(shè)備的干擾、電氣火災(zāi)、對地下金屬部分的腐蝕等危害。對于大量信息設(shè)備運行的場所，這種雜散電流導(dǎo)致的電磁干擾容易影響電子信息設(shè)備的運行，故數(shù)據(jù)中心工程中電源系統(tǒng)接地的實施應(yīng)特別注意防止供電回路中中性線不平衡電流等形成不正規(guī)通路從而產(chǎn)生雜散電流、雜散電磁場。

為避免出現(xiàn)雜散電磁場對信息設(shè)備的干擾，對數(shù)據(jù)中心多電源的系統(tǒng)接地，根據(jù)國際規(guī)范規(guī)定其要求是一個多電源配電系統(tǒng)內(nèi)PEN線只允許接地一次。

參考IEC相關(guān)規(guī)定，不允許在變壓器中性點就地接地，具體措施為變壓器引出的PEN線只能集中在低壓側(cè)配電盤上方的PEN母排和下方的PE母排作一次跨接，從而實現(xiàn)一點接地，如圖1所示。這樣設(shè)置可避免雜散電流，另外系統(tǒng)內(nèi)接地故障電流返回各變壓器的通路是最短捷的，能提高故障保護動作的靈敏性，同時也比較便于安裝和維護管理。

根據(jù)以上原則，當電源為變壓器及發(fā)電機組成的供電系統(tǒng)時，為實現(xiàn)PEN線一點接地，可參照圖2實施。

（1）總配電盤開關(guān)極數(shù)。

由以上論述及圖1、圖2可知，采取PEN線在總配電盤上一點接地后，變壓器出線開關(guān)及各電源之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)采用三極開關(guān)（很明顯若采用四極開關(guān)，PEN線將會被斷開，這樣的做法是被嚴格禁止的）。

（2）負荷末端雙電源切換開關(guān)極數(shù)。

若兩電源前端共用配電盤，負荷末端雙電源切換開關(guān)若采用三極，如圖3所示將會產(chǎn)生雜散電流，從而產(chǎn)生雜散電磁場引起不良后果。故此種情況下末端雙電源切換開關(guān)應(yīng)采用四極開關(guān)切斷雜散電流路徑，從而避免產(chǎn)生雜散電流、雜散電磁場。

若兩電源前端不共用配電盤，這種情況下如圖4所示采用三極雙電源切換開關(guān)后不存在雜散電流路徑，也就無雜散電流產(chǎn)生，故此種情況下可采用三極雙電源切換開關(guān)。

關(guān)于變配電室等電位聯(lián)結(jié)，傳統(tǒng)做法大致為在建筑變配電室內(nèi)設(shè)置MEB，再沿墻敷設(shè)一根環(huán)形接地體，材質(zhì)為熱鍍鋅，常用規(guī)格為-40×4熱鍍鋅扁鋼，變配電室內(nèi)設(shè)備金屬外殼均就近與環(huán)形接地體聯(lián)結(jié)即可。

對于PEN線在總配電盤上實施一點接地的的供電系統(tǒng)，試設(shè)想若變配電室內(nèi)單獨布置的變壓器內(nèi)部發(fā)生接地故障，其故障電流將不可避免地流通變配電室環(huán)形接地體，且在此種情況下故障電流將達到很高的數(shù)值。而根據(jù)《交流電氣裝置接地設(shè)計規(guī)范》GB/T 50065-2011、附錄E、公式E.0.1的驗算，對于接地故障

等效持續(xù)時間不小于0.14s時，環(huán)形接地體采用-40×4熱鍍鋅扁鋼最大允許通過的故障電流將小于30kA。我們知道對于數(shù)據(jù)中心的大容量供電系統(tǒng)，其變壓器低壓側(cè)的單相接地短路電流及接地故障切除時間完全可能超出上述驗算數(shù)值，所以采用-40×4熱鍍鋅扁鋼作環(huán)形接地體是不適宜的。此處的建議做法是將變配電室環(huán)形接地體材質(zhì)改為銅排，再根據(jù)供電系統(tǒng)短路電流計算和導(dǎo)體熱穩(wěn)定校驗選擇合適的尺寸規(guī)格。

隨著國家新基建政策的落實及大數(shù)據(jù)時代的到來，各地大大小小的數(shù)據(jù)中心如雨后春筍般涌現(xiàn)，關(guān)于其供電電源系統(tǒng)接地的做法，據(jù)筆者所知大部分任然采用的是國內(nèi)傳統(tǒng)的做法，沒有接軌IEC標準采用PEN線一點接地。其實關(guān)于該問題，早在十幾年前國內(nèi)該領(lǐng)域的著名專家王厚余老先生在其著作及論文中都已經(jīng)詳細闡述過，本文也汲取了前輩的觀點。筆者真切希望在該問題上我們能盡快接軌國際標準，等發(fā)現(xiàn)問題后再來整改將浪費大量人力物力，為時晚矣。

[1] GB50174-2017.數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范[S].

[2] IEC 60364-4-44：2015.低壓電氣裝置第4部分：安全防護第44章：電壓擾動和電磁干擾的防護[S].

[3] IEC 60364-1：2005.低壓電氣裝置第1部分：基本原則、一般特性評估、定義[S].

[4] GB/T 50065-2011.交流電氣裝置接地設(shè)計規(guī)范[S].

[5] 王厚余.建筑物電氣裝置600問[M].北京：中國電力出版社，2013.

[6] 王厚余.再論變電所的接地及雜散電流[J].建筑電氣，2011，30（3）：3-6.

（Guizhou Planning & Design Institute of Posts & Telecommunications Co.，Ltd. ?Guiyang Guizhou? 550001）

Based on the data center project， the paper expounds the problems that should be paid attention to in the data center multi power system grounding from the aspects of the characteristics of power load， the selection of the grounding mode of power supply system， the specific problems in the implementation， including the series of power switch， the selection of grounding conductor， etc， It has a high reference and guidance for the design and implementation of power system grounding in data center projects.

Data center;System grounding;Electromagnetic interference;Stray current;Switch pole number;Ring earth electrode