數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)的探討

潘寧俊 徐凱熙 施永杰

（1.鎮(zhèn)江市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 2.國(guó)家中低壓配電設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）

0 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和云計(jì)算等新興技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，各級(jí)政府加大了智能交通和智慧城市的建設(shè)力度，一批數(shù)據(jù)中心提上了建設(shè)日程。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)一般采用列頭柜＋電纜的方式［1］，成本較高，靈活性較低。當(dāng)前，以數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽為主干形成的新型配電系統(tǒng)，具有經(jīng)濟(jì)性好、靈活性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，已成為解決數(shù)據(jù)中心內(nèi)機(jī)房供配電發(fā)展的一種新方式［2］。作為一種新型設(shè)施，數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)的選取對(duì)于產(chǎn)品性能和產(chǎn)品質(zhì)量的體現(xiàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽是一種具有特殊用途的母線(xiàn)槽，需要通過(guò)CCC認(rèn)證才可以銷(xiāo)售，該產(chǎn)品應(yīng)該符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 7251.6—2015［3］的規(guī)定要求，其重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)需要依據(jù)產(chǎn)品特征、使用環(huán)境，再根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條款選取，使其能夠充分體現(xiàn)出產(chǎn)品性能。本文針對(duì)數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)展開(kāi)探討，分析GB／T 7251.6—2015［3］的相應(yīng)條款對(duì)產(chǎn)品的約束，指出技術(shù)參數(shù)選擇的依據(jù)，并以一款400A的數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽為例說(shuō)明重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)的選擇方法。

1 結(jié)構(gòu)分類(lèi)

母線(xiàn)槽是指導(dǎo)體系統(tǒng)形成的封閉成套設(shè)備，一般由絕緣材料、殼體、導(dǎo)體材料組成。從結(jié)構(gòu)上看，數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽可分為滑軌式和直列式。

所謂滑軌式，是指采用環(huán)繞方式布置導(dǎo)體，在中間形成連續(xù)的空間通道，在底部開(kāi)槽，這種結(jié)構(gòu)可以支持在任意點(diǎn)位插接取電?；壥侥妇€(xiàn)槽的插接箱在母線(xiàn)槽的下方安裝，可以做到即插即用?；壥侥妇€(xiàn)槽為模塊化結(jié)構(gòu)，支持分步實(shí)施、擴(kuò)展和重構(gòu)，支持器件的分項(xiàng)采購(gòu)和部署。

所謂直列式，是指采用上下并列平行方式來(lái)布置導(dǎo)體，左右兩側(cè)可密集或間隔布置插孔，從而接入分支回路。直列式母線(xiàn)槽結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但由于其插接箱是固定的，無(wú)法根據(jù)需求靈活移動(dòng)，而且插接箱在左右水平方向安裝，插接口的數(shù)量有限，不方便擴(kuò)容。另外，直列式母線(xiàn)槽的插接箱占用較大空間，既不易更換，也不方便維護(hù)。因此，直列式母線(xiàn)槽適合一次性固定配置的部署。

2 額定電流

額定電流是非常重要的技術(shù)參數(shù)，它是由制造商宣稱(chēng)的電流值，在一定的條件下通以額定電流時(shí)，母線(xiàn)槽各部件的溫升不能超過(guò)規(guī)定的限值。

首先，額定電流與使用條件有密切的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，上述的一定條件是指母線(xiàn)槽工作的正常使用條件或特殊使用條件，結(jié)合GB／T 7251.6—2015［3］和GB／T 7251.1—2013［4］，正常使用條件主要包括周?chē)諝鉁囟?，濕度條件，它們均包括戶(hù)內(nèi)和戶(hù)外兩種情況，數(shù)據(jù)中心末端配電一般安裝在戶(hù)內(nèi)；污染等級(jí)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的污染等級(jí)一般為1級(jí)或2級(jí)；海拔高度，一般不超過(guò)2000m；特殊使用條件主要包括溫度、氣壓的急劇變化；空氣、煙霧、塵埃等嚴(yán)重污染；強(qiáng)電磁場(chǎng)等等。數(shù)據(jù)中心使用的末端配電母線(xiàn)槽一般不適用特殊使用條件。

其次，額定電流要受溫升的限制，一般通過(guò)溫升試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和確定。溫升試驗(yàn)時(shí)，母線(xiàn)槽通以額定電流致使導(dǎo)體發(fā)熱，通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等多種方式進(jìn)行熱交換，最后與周?chē)h(huán)境建立熱平衡。當(dāng)母線(xiàn)槽所有部件的溫度每小時(shí)變化不超過(guò)1K時(shí)，可以認(rèn)為母線(xiàn)槽處于近似的熱穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)母線(xiàn)槽溫度與環(huán)境溫度的差值稱(chēng)為溫升，導(dǎo)體溫升不能超過(guò)70K的溫升限值。特別需要注意的是，母線(xiàn)槽水平安裝和垂直安裝時(shí)會(huì)得到較大差別的溫升值。一般來(lái)說(shuō)，只要設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的溫升可以控制在較低的水平，圖1是400A數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的水平溫升試驗(yàn)照片，其最高溫升為48K。

圖1 數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽水平溫升試驗(yàn)

3 額定沖擊耐受電壓

額定沖擊耐受電壓Uimp是容易被忽略的重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)，它是由制造商宣稱(chēng)的以表征母線(xiàn)槽耐受瞬時(shí)過(guò)電壓的能力。額定沖擊耐受電壓Uimp的選擇與額定工作電壓和過(guò)電壓類(lèi)別密切相關(guān)。額定工作電壓是母線(xiàn)槽制造商宣稱(chēng)的電壓值，它與額定電流共同確定母線(xiàn)槽的使用參數(shù)，對(duì)多相電路來(lái)說(shuō)，指的是相間電壓。對(duì)于配電電路水平的母線(xiàn)槽來(lái)說(shuō)，過(guò)電壓類(lèi)別為III。GB／T 7251.6—2015［3］在5.2.4條款中說(shuō)明，按照GB／T 7251.1—2013［4］的表G.1來(lái)選擇Uimp。

數(shù)據(jù)中心末端配電系統(tǒng)要求對(duì)瞬時(shí)過(guò)電壓具有較高的耐受能力，所以有很多制造商將母線(xiàn)槽的Uimp選為10kV，這給試驗(yàn)驗(yàn)證帶來(lái)挑戰(zhàn)。沖擊耐受電壓試驗(yàn)時(shí)，要求對(duì)母線(xiàn)槽的每個(gè)極施加5次1.2／50μs的沖擊電壓，試驗(yàn)過(guò)程中有擊穿放電則認(rèn)為不合格。較高的沖擊耐受電壓值，要求母線(xiàn)槽具有較大的電氣間隙值，具體要求見(jiàn)GB／T 7251.1—2013［4］的表1，這對(duì)設(shè)計(jì)提出更高的要求。圖2是400A數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其電氣間隙值可以達(dá)到16mm，圖3和圖4分別是其正極性和負(fù)極性的沖擊耐受電壓試驗(yàn)波形圖，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽可以耐受10kV的沖擊電壓。

圖2 數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖3 10kV U imp的正極性波形

圖4 10kV U imp的負(fù)極性波形

4 額定短時(shí)耐受電流

額定短時(shí)耐受電流是一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)，它是母線(xiàn)槽制造商宣稱(chēng)的，用電流和時(shí)間定義的母線(xiàn)槽能夠耐受的短時(shí)電流（有效值）。額定短時(shí)耐受電流一般需要通過(guò)短路耐受強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，試驗(yàn)時(shí)母線(xiàn)槽產(chǎn)品應(yīng)能承受短時(shí)間、大電流所形成的電動(dòng)力和熱應(yīng)力的作用后，其功能不被破壞，這是一種電動(dòng)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的綜合考核。短時(shí)耐受試驗(yàn)過(guò)程中，通有短時(shí)大電流的母線(xiàn)槽導(dǎo)體在其周?chē)纬纱艌?chǎng)，而處于磁場(chǎng)中的各載流導(dǎo)體受到機(jī)械力的作用，這種電動(dòng)力會(huì)產(chǎn)生極大的破壞作用。

短時(shí)耐受電流還具有瞬時(shí)加熱的特征：電流數(shù)值大，但是持續(xù)時(shí)間短。在這非常短的時(shí)間內(nèi)，由短路電流所產(chǎn)生的熱量無(wú)法散出，幾乎全部用來(lái)升高導(dǎo)體自身的溫度。因此，產(chǎn)品溫度在很少的時(shí)間內(nèi)快速上升。短路試驗(yàn)是實(shí)際短路情況的模擬，當(dāng)輸、配電線(xiàn)路發(fā)生短路時(shí)，電流猛增至額定電流的幾十倍甚至上百倍，對(duì)電力系統(tǒng)中的輸配電設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)烈熱沖擊，當(dāng)溫度超過(guò)一定限度時(shí)，連接部位可能會(huì)發(fā)生熔焊、變形，機(jī)械強(qiáng)度降低，絕緣材料也處于加速老化的過(guò)程，絕緣性能迅速下降，因此對(duì)絕緣產(chǎn)生很大的破壞作用。

圖5是額定電流為400A的數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽Icw＝25kA，t＝1s的短時(shí)耐受電流試驗(yàn)的電流波形。GB／T 7251.6—2015［3］規(guī)定在短路試驗(yàn)后，母線(xiàn)槽產(chǎn)品的電氣間隙和爬電距離仍應(yīng)符合規(guī)定，絕緣性能也要滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)的變形不應(yīng)影響正常使用，特別是可移式部件應(yīng)能夠正常插入或移植，防護(hù)等級(jí)不能有明顯的削弱。在優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理選擇、多次試驗(yàn)驗(yàn)證后，該型400A的數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽通過(guò)了短時(shí)耐受試驗(yàn)。

圖5 25k A 1s三相短時(shí)耐受電注試驗(yàn)波形圖

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心是國(guó)家確定的“新基建”七大領(lǐng)域之一，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中起到重要作用。作為數(shù)據(jù)中心的能量供給器，具有模塊化、集成化特點(diǎn)，將使數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟(jì)性，更強(qiáng)的靈活性，更高的可靠性，通過(guò)提供數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽的重點(diǎn)技術(shù)參數(shù)的選擇方法，將使數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)與數(shù)據(jù)中心具有更優(yōu)良的匹配性。

現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心末端配電母線(xiàn)槽正朝著智能化的方向快速發(fā)展。依據(jù)GB／T 7251.8—2020［5］進(jìn)行智能化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，其智能單元可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓、電流、頻率、功率、功率因數(shù)、開(kāi)關(guān)量狀態(tài)等相關(guān)電氣參數(shù)和溫度數(shù)據(jù)，其預(yù)留的RS-485通信接口，還能夠用于狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)。另外，通過(guò)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效降低母線(xiàn)槽的溫升值，可以達(dá)到降低線(xiàn)路損耗的效果，還可以在回路中加入浪涌和過(guò)載保護(hù)，可以防止過(guò)電壓和過(guò)電流，從而提供更安全的配電環(huán)境。這些安全性、節(jié)能性、智能化的技術(shù)參數(shù)將是下一步的重要研究對(duì)象。