数据中心低压配电系统设计有关问题探析

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1、数据中心低压配电系统设计有关问题探析1概述数据中心在国内外正在迅猛地发展，作为能源消耗大户，2006年，德国数据中心的电能消耗在8.67TWh，而到2010年，德国数据中心的电能消耗上升至12.9TWh，电能消耗增加约50%。2006年统计数据显示，全世界有3000万台IT服务器机柜，消耗大量的电能，而且每年正以50%～60%的速度增长。预计到2020年，数据中心电能消耗将达到全球电能总消耗量的1.5%，成为世界上最大的能源消耗行业。因此，数据中心巨大的电能消耗，引发的CO2排放，已越来越引起公众的关注。数据中心的业内专家

2、很重视有关能源管理和供配电设计方面的技术问题，有些已成为国内的热门话题。数据中心的配电向服务器等IT设备输送安全可靠的、不间断电能的同时，还要向保障IT设备正常运行的辅助设施（冷却、空调、楼宇自动化、照明等）系统安全可靠地供电。数据中心总的电能消耗与IT设备的电能消耗之比称PUE（电能使用效率），目前国内的水平大于2，说明了数据中心的服务器等IT设备电能消耗不到数据中心总电能消耗的50%。需要采取主动能效（节能）方式，降低辅助设施的能耗，以提高数据中心的电能使用效率，使国内的PUE值由2向1的方向持续不断地迈进。数据中心配

3、电系统设计的主要任务是确定低压供配电系统方案，处理好接地系统，解决EMC和抗干扰问题，正确选择保护电器实现选择性保护配合等。2低压配电接地系统的确定数据中心低压配电设计的基本原则是IT设备应在友好的配电系统环境中运行，确保IT设备安全可靠地工作。数据中心的IT设备通常是非线性负载，UPS属谐波源，在数据中心配电系统的中性线上，除了3相不平衡电流外，还叠加有3次和3倍频次谐波电流，见图1。如配电系统允许电流总谐波畸变率THDi=5%的话，以1000kVA、10/0.4kV的变压器为例（额定电流为1443A），则在中性线上会出

4、现约220A（3×1443×5%）的3次谐波电流，为避免中性线（以下简称N线）电流过载，要求N线截面至少应等于相线的截面。TN-C系统由于N线和保护线（以下简称PE线）合二为一称PEN线，配电系统运行的3相不平衡电流（50Hz）和谐波电流（150Hz或以上）在PEN线上产生电压降，PEN线上的该电位使一部分N线电流分流到大地中去，造成严重的EMC问题。TN-S系统由于N线与PE线分开，正常工况状态下，连接设备外壳和大地的PE线无电流通过，配电系统的负荷电流由N线返回电源中性点，N线电流不会分流到大地中去。为了使数据中心的E

5、MC环境友好，配电系统一定要采用TN-S系统。事实上，对TN-S系统的认识，并非这么简单。首先，TN-S系统的N线上，因为有电流产生了电压降，造成终端设备处的N线与PE线有电位差（即所谓的零－地电压），故常在终端采用重复接地的方式，试图消除N线与PE线之间的电位差。很显然，这是一种错误的处理方法，因为：一是N线不允许重复接地；二是人为地把N线上的不平衡电流和谐波电流引向大地，造成严重的EMC问题。其次，数据中心通常是多电源系统，即系统中有变压器、发电机和UPS，3种电源设备，各自的中性点都要接地。一个完整的配电系统有可能出

6、现多点接地的现象，多点接地的后果是使N线与大地之间有可能构成环路，使N线上的电流分流到大地中，产生EMC问题。图2（a）是配电系统正常运行时，由于两变压器中性点接地，N线与PE线通过大地构成环路，使一个电源N线上的工作电流也会分流通过另一个电源的中性点，从PE线返回（见带红色箭头的虚线）；图2（b）是电气装置发生接地故障时，由于两变压器中性点接地，N线与PE线通过大地构成环路，使一个电源的接地故障电流通过PE线分流至另一个电源的中性点（见带红色箭头的虚线），有可能使该动作的RCD1不动作，而不该动作的RCD2误动作。从图2

7、可看出：只要消除环路，也就消除了环流，就能很好地解决EMC问题。有两种解决方法：一种是采用一点接地；另一种是母线联络开关采用4极开关，使N线有一个断点，无法构成环路，也就可靠地消除了环流。一点接地见图3，工作电流由N线经PEN线返回电源，接地故障电流由PE线经一点接地点、PEN线返回电源。从图中的红色虚线可看出：接地故障电流由PE线返回一点接地极后直接通过PEN线返回电源，不会产生EMC问题。数据中心低压配电系统中有以变压器作为电源设备的正常供电系统（简称NPS），有以柴油发电机作为电源设备的冗余供电系统（简称RPS），还

8、有以UPS作为电源设备的不间断供电系统（简称UPS）。必须把3个系统融合为一个完善的供电系统，才能使数据中心的IT设备和辅助设施电气设备运行在友好的EMC环境中。关键是如何采取措施使一个电源系统的N线电流和接地故障电流局限于自己的系统中，不跑到其他的电源系统中去。美国行业协会（UptimeInstitu