數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)接地方式探究

劉藝偉

（維諦技術(shù)有限公司北京分公司，北京 100026）

0 引言

目前數(shù)據(jù)中心主流的供配電架構(gòu)有2N架構(gòu)、DR架構(gòu)、RR架構(gòu)，根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計規(guī)范》，目前A級數(shù)據(jù)中心采用的電氣架構(gòu)基本是2N架構(gòu)。同時規(guī)范規(guī)定，數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的接地形式宜采用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)[1]。在目前的設(shè)計中由于規(guī)范的不同要求以及成本的限制，2N架構(gòu)下的接地形式有多種，本文僅對2N架構(gòu)下的接地形式進行初步探討。

1 數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)介紹

數(shù)據(jù)中心典型的2N架構(gòu)如圖1所示，必要時變壓器低壓側(cè)和UPS輸出側(cè)都有接地需求，故分別對變壓器低壓側(cè)和UPS輸出側(cè)的接地形式進行討論。

圖1 典型2N供配電系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)A級數(shù)據(jù)中心設(shè)計要求，2N系統(tǒng)中的變壓器、UPS及低壓配電柜需要進行物理隔離，分別放置于不同的房間內(nèi)。

數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)的接地方式在規(guī)范中有著相對明確的規(guī)定，但在實際設(shè)計和建設(shè)過程中還是有很多不同的接地形式，對于比較特殊的數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)的供電方式，需根據(jù)實際情況的不同對接地形式進行更多詳細(xì)的分析。

2 變壓器低壓側(cè)及低壓柜接地方式分析

2.1 一點接地

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計規(guī)范》的要求，多電源變壓器的中性點不直接接地，而是采用在低壓柜內(nèi)將PEN連接至接地點，然后接地點再與PE排進行連接形成的一點接地系統(tǒng)[2]（圖2）。

圖2 多電源一點接地系統(tǒng)

在2N架構(gòu)體系下，低壓側(cè)兩個進線斷路器及母聯(lián)斷路器均需采用3極。

14D504《接地裝置安裝》也根據(jù)上述要求給出了相關(guān)做法。

主進線斷路器及母聯(lián)斷路器采用3P，不存在斷零的風(fēng)險，在正常運行模式和一路失電情況下均沒有雜散電流（圖3、圖4）。

圖3 一點接地正常工作時電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖4 一點接地一路失電工作時電流流向示意圖（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

但對于A級數(shù)據(jù)中心，2N系統(tǒng)分別位于不同的變配電室內(nèi)時，一點接地一般在低壓主斷路器柜或母線聯(lián)絡(luò)柜內(nèi)，必然在一個變配電室內(nèi)，而另外一個變配電室則沒有接地，如果在有中性點接地的變配電室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或其他事故，導(dǎo)致主中性點接地發(fā)生斷線，則將導(dǎo)致事故擴大化，有悖于2N架構(gòu)保障數(shù)據(jù)中心供電高可靠性的初衷。在實際項目設(shè)計過程中，也需要注意這方面的影響。

2.2 獨立接地

對于數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)2N電氣架構(gòu)的TN-S系統(tǒng)，架構(gòu)采用單母線分段運行方式時，這種運行方式并非并列運行的兩套電壓系統(tǒng)，大部分情況下兩套系統(tǒng)是完全獨立工作的，目前很多設(shè)計都是兩套系統(tǒng)各自的變壓器中性點直接接地。

GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》7.5.3-1要求電源轉(zhuǎn)換功能開關(guān)應(yīng)作用于所有帶電導(dǎo)體，且不得使所連接電源并聯(lián)[3]，TN-S系統(tǒng)屬于三相四線制系統(tǒng)，母聯(lián)斷路器具有電源轉(zhuǎn)換功能，按照規(guī)范要求應(yīng)采用4極斷路器。

15D202-3《UPS與EPS電源裝置的設(shè)計與安裝》也建議母聯(lián)斷路器采用4極。

此時，低壓側(cè)兩個主進線斷路器及母聯(lián)斷路器均需采用4極，這樣在正常運行和一路市電失去的情況下每個變壓器都是一點接地，不存在雜散電流（圖5、圖6），在接地安全性和規(guī)范性上不存在問題。

圖5 各自變壓器單獨接地正常工作時電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖6 各自變壓器單獨接地一路市電失電時電流流向示意圖（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

但在有一路市電失電后，主斷路器斷開，母聯(lián)斷路器合閘的切換過程中，存在短暫的斷零時間，中性線電壓會變化，可能會對末端IT設(shè)備造成影響，斷零一般持續(xù)2～4 s時間，相線和中性線之間的電壓不會發(fā)生變化，IT設(shè)備外殼本身做了接地，內(nèi)部都是直流供電，是否會造成很大影響值得配電側(cè)和IT服務(wù)器側(cè)進行統(tǒng)一探討。

2.3 其他接地方式

變壓器低壓側(cè)各自變壓器中性點直接接地，但兩個主進線斷路器采用3極、母聯(lián)斷路器均需采用4極，這種設(shè)計方式也時常出現(xiàn)，這樣在正常運行時是一點接地（圖7），在一路市電失去的情況下切換過程中沒有斷零的風(fēng)險，但在切換完成后運行變壓器存在兩個中性點接地，可能會存在雜散電流（圖8），雜散電流路徑為a→b→c→d→e。

圖7 各自變壓器單獨接地一路市電失電時電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖8 各自變壓器單獨接地一路市電失電時電流流向示意圖（（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

變壓器低壓側(cè)各自變壓器中性點直接接地，但兩個主進線斷路器采用3極、母聯(lián)斷路器均需采用3極，這種設(shè)計方式也時常出現(xiàn)，這樣在正常運行和在一路市電失去的情況下切換完成后運行變壓器均存在兩個中性點接地，可能會存在雜散電流，應(yīng)避免此種接地和斷路器選擇的形式出現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心雜散電流過大，會對數(shù)據(jù)中心整體的安全運行造成一定的隱患和風(fēng)險，因此在整體設(shè)計時就應(yīng)考慮這個配電系統(tǒng)的架構(gòu)，盡量避免和減小雜散電流。

2.4 其他規(guī)范要求

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》條文12.4.11-2，對于兩臺及以上變壓器，數(shù)據(jù)中心的2N架構(gòu)是典型的2臺變壓器為同一設(shè)備供電的模式。

（1）當(dāng)變壓器0.4 kV側(cè)中性點在各自變壓器的中性點處接地時，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器均應(yīng)選用4極斷路器；當(dāng)與其他變電所有低壓連接時，其他變電所也應(yīng)在各自變壓器的中性點處接地，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器也應(yīng)選用4極斷路器，每臺變壓器0.4 kV側(cè)中性線（N）利用絕緣導(dǎo)線引出后不允許再接地[3]。

（2）當(dāng)變壓器0.4 kV側(cè)中性點在低壓配電柜處接地時，不允許在中性點處再接地，每臺變壓器0.4 kV側(cè)中性線（PEN）利用絕緣導(dǎo)線接到各自的低壓配電柜電源中性線（N）母排上，所有低壓配電柜電源中性線（N）母排連接在一起后，只能與保護接地線一處連接，然后通過保護接地線（PE）再接地，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器均可選用3極斷路器，此種接地方式不能用于與其他變電所有低壓連接的變電所[3]。

以上規(guī)范并沒有要求2臺變壓器必須采用一點接地，而是接地方式與斷路器極數(shù)的選擇相對應(yīng)即可，每種接線方式都有各自的優(yōu)勢和缺點，要根據(jù)項目的情況和經(jīng)濟性的要求進行綜合分析，選擇更加恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞健?/p>

3 UPS輸出側(cè)接地方式分析

關(guān)于UPS輸出側(cè)是否重復(fù)接地需要根據(jù)目前UPS設(shè)備的實際性能進行不同的選擇。

目前高頻UPS機，電源輸入側(cè)的中性線（N）與輸出側(cè)的中性線（N）在UPS內(nèi)部貫通，并沒有斷開，因此使用高頻UPS時不需要對中性線進行重復(fù)接地。如果輸出開關(guān)和維修旁路斷路器采用4極，在進行維修旁路切換時有斷零的風(fēng)險，此種風(fēng)險要重點注意；如輸出開關(guān)和維修旁路斷路器采用3極，在進行維修旁路切換時沒有斷零的風(fēng)險，但當(dāng)負(fù)載不平衡時，中性線（N）如有電流流過，可能會有部分電流不經(jīng)過UPS的中性線（N），而流經(jīng)維修旁路的中性線，此時不會對設(shè)備造成影響，但需要在運維時特別注意。大部分時候中性線（N）電流都較小，流經(jīng)維修旁路中性線的電流也非常小，整體影響較小。

在使用工頻UPS機時，輸出側(cè)一般都配有隔離變壓器，因此建議輸出側(cè)的中性線（N）重復(fù)接地，保證中性線的電位處于正常水平。

4 結(jié)論

在同一個變配電室內(nèi)的2N架構(gòu)，建議采用一點接地，不僅滿足規(guī)范及使用要求，而且不存在斷零的問題，是值得推薦的一種接地方式。

在不同變配電室內(nèi)的2N架構(gòu)變配電系統(tǒng)，建議采用單獨接地方式，主進線斷路器和母聯(lián)斷路器均采用4P，以避免雜散電流，但在切換過程中存在短暫斷零，這是相對合理安全可靠的一種接地方式。

數(shù)據(jù)中心的整體設(shè)計與傳統(tǒng)工民建設(shè)計有所不同，因為其可靠性要求高，數(shù)據(jù)中心整體的電氣架構(gòu)相對較復(fù)雜，因此在設(shè)計過程中，接地形式的選擇和確定需要根據(jù)各個項目進行整體考慮，找到最適合的方法。