地下洞式數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)概述

摘 要：地下洞式數(shù)據(jù)中心利用其天然的地理優(yōu)勢足以應(yīng)對重大災(zāi)害和極端天氣對數(shù)據(jù)安全的威脅，提供了傳統(tǒng)地上式數(shù)據(jù)中心無法比擬的安全性和彈性。目前我國對洞式數(shù)據(jù)中心的研究尚處于起步階段，現(xiàn)結(jié)合實(shí)際工程，介紹和探討了地下洞式數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)中電氣專業(yè)設(shè)計(jì)的相關(guān)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：地下洞式數(shù)據(jù)中心;電氣設(shè)計(jì);供電電源;配電系統(tǒng)

中圖分類號：TM02 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.002

0 ? ?引言

地下洞式數(shù)據(jù)中心，顧名思義就是將數(shù)據(jù)中心建設(shè)于山體的隧洞之中。隧洞周圍深厚的巖石和穩(wěn)固的山體結(jié)構(gòu)為其提供了天然的地理優(yōu)勢，足以應(yīng)對極端的環(huán)境變化和突發(fā)的重大災(zāi)害對數(shù)據(jù)中心安全的威脅。同時(shí)，山體結(jié)構(gòu)中的溫濕度等環(huán)境狀態(tài)更容易維持穩(wěn)定，對需要在穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)運(yùn)行的數(shù)據(jù)機(jī)柜及服務(wù)器非常有利。所以，地下洞式數(shù)據(jù)中心作為重要的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，成為我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新方向。

目前，我國對地下洞式數(shù)據(jù)中心的研究尚處于起步階段。本文結(jié)合實(shí)際工程，依據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范，對地下洞式數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計(jì)中的一些要點(diǎn)和關(guān)鍵問題進(jìn)行介紹和探討。

1 ? ?設(shè)計(jì)要點(diǎn)及主要內(nèi)容

地下洞式數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)以國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[1-7]為依據(jù)，主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：機(jī)房等級劃分、設(shè)備模塊化、負(fù)荷分類與分級、供電電源、配電系統(tǒng)及運(yùn)行方式、照明設(shè)計(jì)、線纜敷設(shè)、防雷接地等。

2 ? ?地下洞式數(shù)據(jù)中心的級別

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)中心時(shí)，只有先確定設(shè)計(jì)對象的等級，才能根據(jù)規(guī)范合理地設(shè)計(jì)?；诘叵露词綌?shù)據(jù)中心的優(yōu)勢及定位，目前的工程均將其定為A級數(shù)據(jù)中心。因此，本文以A級為數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)等級，對地下洞式數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行一定的概述和分析。

3 ? ?設(shè)備模塊化設(shè)計(jì)

由于隧洞空間建設(shè)成本較高，因此為了合理且最大限度地利用空間，地下洞式數(shù)據(jù)中心的建設(shè)思路及發(fā)展方向是采用標(biāo)準(zhǔn)化的方艙模塊進(jìn)行組合堆疊，從而提高數(shù)據(jù)中心的出柜率、可靠性等各項(xiàng)指標(biāo)。

在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，結(jié)合整個(gè)數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的架構(gòu)及層級，將電氣系統(tǒng)中的中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、自備應(yīng)急電源系統(tǒng)及IT設(shè)備供電系統(tǒng)等進(jìn)行模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化：設(shè)計(jì)統(tǒng)一規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)的中壓電力方艙模塊、低壓電力方艙模塊、柴油發(fā)電機(jī)方艙模塊、IT方艙模塊等模塊化設(shè)施，并將各方艙在洞內(nèi)進(jìn)行合理組合和堆疊。

方艙，就是采用集裝箱結(jié)構(gòu)，由鋼材構(gòu)建，考慮綜合運(yùn)輸可靠性及模塊內(nèi)承重需求，底座、支撐立柱和頂蓋采用焊接方式形成穩(wěn)固的一體化框架。方艙模塊，就是對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行合理的系統(tǒng)及布局設(shè)計(jì)后，將其安裝在方艙內(nèi)，成為相關(guān)的功能模塊。如低壓電力方艙模塊，是將變壓器、低壓進(jìn)出線柜、有源濾波柜、無功補(bǔ)償柜、UPS等設(shè)備合理地布置在方艙中，并做到整個(gè)項(xiàng)目的統(tǒng)一設(shè)計(jì)，使其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化。

同時(shí)，在進(jìn)行模塊化的方艙設(shè)計(jì)時(shí)，各方艙模塊需要滿足可上下堆疊、空調(diào)通風(fēng)、密封性、可拼接等要求。

4 ? ?負(fù)荷分類與分級

4.1 ? ?負(fù)荷分類

地下洞式數(shù)據(jù)中心工程的負(fù)荷種類繁多，主要可分為如下幾類：

（1）IT設(shè)備：位于運(yùn)營商機(jī)房、機(jī)房模塊內(nèi)用于信息傳輸、處理和存儲的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲設(shè)備等。

（2）輔助設(shè)備：為IT負(fù)荷正常運(yùn)行提供支持的輔助設(shè)備，包括機(jī)房空調(diào)、機(jī)房照明、安防設(shè)備、控制設(shè)備等。

（3）消防設(shè)備：消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)、報(bào)警系統(tǒng)、應(yīng)急照明等。

（4）公區(qū)照明及其他設(shè)備：一般辦公及其相關(guān)的非重要用電負(fù)荷。

（5）機(jī)房日常清掃、維護(hù)設(shè)備。

4.2 ? ?負(fù)荷分級

根據(jù)負(fù)荷重要性，參照規(guī)范[1，4]確定地下洞式數(shù)據(jù)中心各類負(fù)荷的等級：

（1）一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷：IT設(shè)備、輔助設(shè)備;

（2）一級負(fù)荷：消防設(shè)備、公區(qū)照明;

（3）二級負(fù)荷：一般辦公負(fù)荷、機(jī)房日常清掃及維護(hù)設(shè)備。

5 ? ?供電電源設(shè)計(jì)

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)共設(shè)置三種供電電源，分別為：市電電源、自備應(yīng)急電源、不間斷電源。

5.1 ? ?市電電源

市電電源是數(shù)據(jù)中心的主電源，為數(shù)據(jù)中心的設(shè)備提供電力供給。根據(jù)規(guī)范，地下洞式數(shù)據(jù)中心的市電電源不僅需要滿足2N的容錯(cuò)架構(gòu)，還必須滿足雙重電源的要求。其中，雙重電源的要求在規(guī)范《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019）第3.2.8條的條文說明中有詳細(xì)介紹與解釋。在方案設(shè)計(jì)階段就需要對建設(shè)點(diǎn)的供電情況進(jìn)行合理的調(diào)查與分析，將用電容量、回路數(shù)量及雙重電源的需求提交給當(dāng)?shù)氐墓╇姴块T，保證后期的設(shè)計(jì)與建設(shè)階段能有滿足要求的雙重電源供給。

5.2 ? ?自備應(yīng)急電源

在A級數(shù)據(jù)中心中，必須配置自備應(yīng)急電源以防止突發(fā)情況導(dǎo)致市電中斷，造成數(shù)據(jù)中心癱瘓。

由于柴油發(fā)電機(jī)組的操作性較高，所以在地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中將柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源，同時(shí)根據(jù)規(guī)范要求，柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該按照N+1的架構(gòu)進(jìn)行冗余配置。地下洞式數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)的選擇可按照表1進(jìn)行。

5.3 ? ?不間斷電源

為了保障數(shù)據(jù)中心運(yùn)行可靠穩(wěn)定，UPS不間斷電源被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)。UPS電源的作用主要包括中斷保護(hù)（可靠性）和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對電子信息設(shè)備的影響（抗干擾性）。

在洞式數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目UPS設(shè)備的選型中，一般采用三相交流引入、三相交流輸出IGBT整流型不間斷電源設(shè)備，為保證系統(tǒng)的可靠性，要求采用大容量高頻塔式或模塊化UPS。

根據(jù)規(guī)范要求，為洞式數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置2N的容錯(cuò)架構(gòu)，系統(tǒng)電池備用時(shí)間不應(yīng)小于15 min。同時(shí)，為了保證洞內(nèi)各輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為洞內(nèi)的制冷、安防等系統(tǒng)亦配置了不間斷電源系統(tǒng)，并按基本容量N配置。

6 ? ?配電系統(tǒng)及運(yùn)行方式

6.1 ? ?高壓配電系統(tǒng)

地下洞式數(shù)據(jù)中心的高壓電源建議為10 kV。根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷容量，10 kV電源可以由市政電網(wǎng)直接按提資要求（雙重電源）供給或者在場區(qū)內(nèi)自建110 kV（或220 kV）變電站降壓后提供。兩組10 kV電源不僅需要滿足雙重電源的要求，還需要采用兩路電源同時(shí)工作、互為備用的方案，當(dāng)一路電源突發(fā)故障時(shí)，另一路電源能夠完全滿足數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行要求。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的要求，地下洞式數(shù)據(jù)中心高壓配電系統(tǒng)的設(shè)備集中設(shè)置于標(biāo)準(zhǔn)的中壓方艙內(nèi)，并將此中壓方艙設(shè)置于整個(gè)項(xiàng)目的負(fù)荷中心，為各區(qū)域的低壓電力艙提供高壓電源。

10 kV系統(tǒng)設(shè)置單母線分段的結(jié)構(gòu)：同組兩路市電電源分別接至兩段母線，母線間設(shè)分段母聯(lián)斷路器（母聯(lián)具備自投手復(fù)、手投手復(fù)功能），同時(shí)，運(yùn)行時(shí)兩個(gè)進(jìn)線斷路器、母聯(lián)分段斷路器間設(shè)置聯(lián)鎖，保證只能有兩個(gè)斷路器同時(shí)閉合。

6.2 ? ?柴油發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)

依據(jù)規(guī)范并結(jié)合具體情況，地下洞式數(shù)據(jù)中心的后備柴油發(fā)電機(jī)容量應(yīng)包含洞內(nèi)所有負(fù)荷的容量，包括UPS系統(tǒng)（含IT設(shè)備和輔助設(shè)備）的容量、公區(qū)照明及其他設(shè)備的容量、機(jī)房日常清掃及維護(hù)設(shè)備的容量。目前，在具體的地下洞式數(shù)據(jù)中心工程中，柴發(fā)機(jī)組總?cè)萘枯^大（均超過10 000 kW），故應(yīng)采用10 kV中壓機(jī)組。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的要求，項(xiàng)目中的柴發(fā)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的柴油發(fā)電機(jī)方艙，并集中設(shè)置于洞內(nèi)的動(dòng)力區(qū)域，且需要配置配套的油庫區(qū)域?yàn)椴癜l(fā)機(jī)組提供柴油的儲存及輸送功能。

同時(shí)，柴發(fā)機(jī)組按照規(guī)范要求應(yīng)設(shè)置N+1的冗余架構(gòu)。N+1臺中壓發(fā)電機(jī)組成系統(tǒng)并機(jī)，電源輸出至洞內(nèi)10 kV中壓方艙的配電柜內(nèi)與兩路市電電源進(jìn)行電氣互鎖，并在需要時(shí)從市電切換到發(fā)電機(jī)組供電。

6.3 ? ?低壓配電系統(tǒng)

地下洞式數(shù)據(jù)中心的低壓系統(tǒng)具有負(fù)荷種類繁多、供電形式多樣等特點(diǎn)，必須依照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)才能保持供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

第一，低壓變配電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置2N的容錯(cuò)架構(gòu)：配置同規(guī)格、同容量的變壓器，每兩臺為一組，兩臺變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān)，互為備用。同時(shí)，在地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)中應(yīng)將變壓器設(shè)置在每條洞的負(fù)荷中心，從而降低中性線與PE線之間的電位差。

第二，低壓系統(tǒng)的接地應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)，主接線采用單母線分段運(yùn)行。

第三，地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷種類較多，每種負(fù)荷應(yīng)采用符合規(guī)范要求的合理供電方式。

（1）IT設(shè)備：由兩路電源、兩回線路，集中設(shè)置2N在線式UPS系統(tǒng)，雙電源供電至設(shè)備。

（2）輔助設(shè)備：采用“一路市電+一路U電”的供電方式，由兩路電源、兩回線路，集中設(shè)置UPS系統(tǒng)，雙電源供電至設(shè)備。

（3）消防、公區(qū)照明等設(shè)備：由兩路市電電源供電并在末端自動(dòng)切換。

（4）一般辦公負(fù)荷、機(jī)房日常清掃等負(fù)荷：由一路市電電源供電。

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的要求，低壓配電系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備應(yīng)設(shè)置于標(biāo)準(zhǔn)的低壓電力方艙內(nèi)，其中包括變壓器、UPS、低壓進(jìn)出線柜、有源濾波及補(bǔ)償柜、氣體滅火和電力監(jiān)控柜等。方艙內(nèi)頂部考慮布置強(qiáng)電、弱電、光纖橋架等線路敷設(shè)的路由。同時(shí)，低壓電力方艙應(yīng)設(shè)置于各自供電范圍內(nèi)的負(fù)荷中心。

6.4 ? ?不間斷電源配電系統(tǒng)

設(shè)計(jì)中需要配置UPS的設(shè)備包括：IT設(shè)備、安防與控制設(shè)備及輔助設(shè)備。

配置UPS系統(tǒng)時(shí)，為了減少對IT設(shè)備的干擾，需要為IT設(shè)備單獨(dú)設(shè)置一組不間斷電源系統(tǒng)，不能與其他設(shè)備合用不間斷電源。其中，為了保證IT設(shè)備供電的可靠性與可擴(kuò)展性，同時(shí)也考慮到UPS在承受較低功率因數(shù)時(shí)存在不同程度的降容運(yùn)行，其輸出功率Pu應(yīng)滿足下列式子：

為IT設(shè)備供電時(shí)：

Pu>1.2Pit（1）

為輔助設(shè)備供電時(shí)：

Pu>1.3Pfz（2）

式中：Pu為UPS的輸出功率;Pit為IT設(shè)備的額定功率;Pfz為輔助設(shè)備的額定功率。

根據(jù)規(guī)范要求，地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)IT設(shè)備均由兩組UPS供電，兩組UPS按2N容錯(cuò)方式配置，為每組機(jī)架提供兩路UPS電源，正常工況下每組UPS只負(fù)擔(dān)一半負(fù)荷，故障工況時(shí)單組UPS負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷。

同時(shí)，為了保證洞內(nèi)各輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，建議為洞內(nèi)的制冷、安防及控制等系統(tǒng)亦配置不間斷電源系統(tǒng)，并按基本容量N配置，采用“一路市電+一路U電”的模式進(jìn)行配電。

7 ? ?照明設(shè)計(jì)

在洞式數(shù)據(jù)中心的照明設(shè)計(jì)中，首先需要對照明區(qū)域進(jìn)行劃分。以洞內(nèi)各區(qū)域的功能作為劃分依據(jù)，可以將洞內(nèi)的照明區(qū)域劃分為輔助區(qū)、工作區(qū)及檢修走道區(qū)域，不同的工作區(qū)域需要根據(jù)規(guī)范[1，7]設(shè)計(jì)合理的照度值，同時(shí)，工作區(qū)的照度均勻度、輔助區(qū)與工作區(qū)照度值的比值等均需要滿足規(guī)范[1，7]的要求。其次，整個(gè)洞內(nèi)的照明建議設(shè)計(jì)為智能控制：采用分布式計(jì)算機(jī)控制與管理的集散型控制系統(tǒng)，由控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控。第三，各功能區(qū)域均應(yīng)設(shè)置應(yīng)急照明及疏散指示照明，且采用集中電源集中控制型的系統(tǒng)。

8 ? ?線纜敷設(shè)設(shè)計(jì)

由于地下洞式數(shù)據(jù)中心的重要性，在線纜選擇時(shí)不僅要考慮其穩(wěn)定性和可靠性，還需要注意電氣防火。選擇線纜時(shí)，消防負(fù)荷采用無鹵低煙阻燃耐火交聯(lián)電纜或礦物絕緣電纜，非消防負(fù)荷采用無鹵低煙阻燃電纜，電纜耐壓等級和載流量（考慮溫度系數(shù)和并列系數(shù)）滿足使用要求。敷設(shè)時(shí)，洞內(nèi)電纜沿橋架敷設(shè)，出橋架后穿金屬管敷設(shè)，橋架做防銹防潮整體考慮。

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)有較多的非線性負(fù)荷與單相負(fù)荷，運(yùn)行中不僅容易產(chǎn)生諧波，而且較多的單相負(fù)荷也容易產(chǎn)生三相不平衡現(xiàn)象，故電力線路的中性線含三相諧波電流的疊加及三相負(fù)荷不平衡電流，實(shí)測往往等于或大于相線電流，因此所選線路的截面積應(yīng)滿足：

SN≥SL（3）

式中：SN為中性線截面積;SL為相線截面積。

此外，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將單相負(fù)荷均勻地分配在三相線路上，從而減小中性線電流和由三相負(fù)荷不平衡引起的電壓不平衡度。

9 ? ?防雷與接地設(shè)計(jì)

9.1 ? ?防雷電電磁脈沖

對于地下洞式數(shù)據(jù)中心，防雷電電磁脈沖是防雷工程的主要任務(wù)。雷電電磁脈沖產(chǎn)生的感應(yīng)浪涌電流會影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的正常工作，其產(chǎn)生的過電壓甚至能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

在地下洞式數(shù)據(jù)中心工程中采取的防止雷電電磁脈沖的主要措施包括：屏蔽、接地與等電位連接、浪涌保護(hù)器保護(hù)。

（1）屏蔽。屏蔽是防雷電電磁脈沖的基本措施，包括空間屏蔽和線路屏蔽?？臻g屏蔽，包括利用建筑金屬構(gòu)件與防雷裝置連接形成格柵型屏蔽大空間的建筑物屏蔽，也包括利用屏蔽性能更好的金屬構(gòu)件增加機(jī)房本體及其門、窗等構(gòu)件的屏蔽性能的機(jī)房屏蔽。線纜屏蔽，通過采用屏蔽電纜或金屬管并且在線路兩端及防雷區(qū)交界處做等電位連接的方法，從而降低系統(tǒng)中的感應(yīng)浪涌。

（2）接地與等電位連接。接地起到將防雷電流泄放入地的作用;等電位連接網(wǎng)絡(luò)將各設(shè)備間的電位差減至最小，從而減小由此產(chǎn)生的磁場。

（3）采用浪涌保護(hù)器組合限制浪涌。在數(shù)據(jù)中心內(nèi)，將不能進(jìn)行等電位連接的金屬導(dǎo)體，如電源線和數(shù)據(jù)線等，利用浪涌保護(hù)器與接地系統(tǒng)連接，起到限制浪涌電壓的作用。

9.2 ? ?接地設(shè)計(jì)

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)設(shè)置聯(lián)合接地體：變壓器中性點(diǎn)接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地、弱電系統(tǒng)等的接地共用統(tǒng)一接地體，接地電阻不大于1 Ω。同時(shí)，項(xiàng)目內(nèi)設(shè)置總等電位連接。

在隧洞兩側(cè)敷設(shè)通長的主接地銅排（采用規(guī)格為100×5的熱鍍鋅扁鋼），并經(jīng)LEB板和結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與洞壁結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋焊接連通。隧洞內(nèi)各類金屬管道、金屬線槽、集裝箱體外殼、建筑物金屬結(jié)構(gòu)就近與接地干線進(jìn)行連接。

在各方艙集裝箱內(nèi)設(shè)置通長的接地銅排（采用規(guī)格為25×5的熱鍍鋅扁鋼），方艙內(nèi)設(shè)備外殼采用6 mm2接地線與接地銅排可靠連接，接地銅排通過接地線（25×5熱鍍鋅扁鋼）接至方艙外部對應(yīng)的兩處接地端并與主接地干線連接。方艙集裝箱體外殼與內(nèi)殼的金屬構(gòu)件間應(yīng)可靠焊接，形成電氣的可靠連接。

洞內(nèi)各個(gè)接地端串聯(lián)形成環(huán)網(wǎng)，最終構(gòu)成一個(gè)整體的等電位接地網(wǎng)，該等電位接地網(wǎng)再通過接地體與接地網(wǎng)相連。

10 ? ?結(jié)語

地下洞式數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新突破，也是數(shù)據(jù)中心工程在“新基建”中的全新方向，它為大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息安全提供了傳統(tǒng)地上數(shù)據(jù)中心無法比擬的可靠保障。目前地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)和建設(shè)均處于起步階段，本文的要點(diǎn)概述是通過實(shí)際工程得到的經(jīng)驗(yàn)和總結(jié)。地下洞式數(shù)據(jù)中心是一個(gè)極為復(fù)雜的綜合工程，設(shè)計(jì)中的每個(gè)環(huán)節(jié)都需要研究和探索，唯有科學(xué)合理的設(shè)計(jì)才能保證數(shù)據(jù)中心的可靠、穩(wěn)定和安全。

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收稿日期：2022-02-21

作者簡介：羅文（1985—），男，貴州貴陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣工程。