A級IDC機房制冷系統(tǒng)配電分析

華信咨詢設計研究院有限公司 方學問 韓劍峰

近年來隨著云計算技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也逐漸變大，開始出現(xiàn)幾百到上千個機柜的中型數(shù)據(jù)中心。單機柜功率密度不斷提高，5kW、7kW、10kW 甚至幾十kW 功率機柜已逐步成為常規(guī)配置。高功率密度化對空調(diào)系統(tǒng)的制冷及機房散熱提出了更高的要求，空調(diào)系統(tǒng)短時間的供冷中斷都會造成IT 設備過熱宕機，如何保障數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)的能長期、持續(xù)、穩(wěn)定的為數(shù)據(jù)中心機房提供所需的環(huán)境溫度、濕度，為制冷與空調(diào)提供電力支持的供配電系統(tǒng)是制冷與空調(diào)設施的重要組成。

1 數(shù)據(jù)中心空調(diào)系統(tǒng)概述

傳統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)采用集中式冷源，冷水機組制冷效率高，冷卻塔放置位置靈活，可有效控制噪音并利于建筑立面美觀。發(fā)改環(huán)資（2019）1054號《綠色高效制冷行動方案》中提到鼓勵使用液冷服務器、熱管背板、間接式蒸發(fā)冷卻、行級空調(diào)、自動噴淋等高效制冷系統(tǒng)，因地制宜采用自然冷源等制冷方式，推動與機械制冷高效協(xié)同，可大幅提升數(shù)據(jù)中心能效水平。

當數(shù)據(jù)中心規(guī)模較大且建設地的水資源供應有保證時，數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)宜采用水冷式冷凍水系統(tǒng)。目前大部分數(shù)據(jù)中心采用典型的空調(diào)水冷系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)基本都是由以下三大部分組成：由冷卻塔+冷卻水泵+冷卻水供水及回水管路組成的空調(diào)冷卻水系統(tǒng)；由冷水機組+冷凍水泵+冷凍水供水、回水管路組成的空調(diào)冷凍水系統(tǒng)；由分水器+末端空調(diào)+集水器+冷凍水泵組成的空調(diào)制冷量分配系統(tǒng)。

2 數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)配電分析

2.1 數(shù)據(jù)中心的分級

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的使用性質(zhì)、數(shù)據(jù)丟失或網(wǎng)絡中斷在經(jīng)濟或社會上造成的損失或影響程度數(shù)據(jù)中心應劃分為A、B、C 三級。A 級數(shù)據(jù)中心的要求包括電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成重大的經(jīng)濟損失和電子信息系統(tǒng)運行中斷將造成公共場所秩序嚴重混亂。

2.2 負荷等級及供電要求

《數(shù)據(jù)中心設計規(guī)范 GB50174-2017》規(guī)定：A 級數(shù)據(jù)中心的供電電源應按一級負荷中特別重要的負荷考慮。A 級數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)配電應采用放射式配電系統(tǒng)，雙路電源（其中至少一路為應急電源），末端切換，其中末端冷凍水泵需采用不間斷電源系統(tǒng)供電；《民用建筑電氣設計標準 GB51348-2019》規(guī)定：當主體建筑中有一級負荷中的特別重要負荷時，確保其正常運行的空調(diào)設備宜為一級負荷；《數(shù)據(jù)中心制冷與空調(diào)設計標準T/CECS 487-2017》規(guī)定：A 級數(shù)據(jù)中心應由雙重電源供電并應設置備用電源。需設置連續(xù)供冷裝置的數(shù)據(jù)中心，冷凍水末端循環(huán)泵、主機房的末端空調(diào)風機、散熱量較高的不間斷電源間的末端空調(diào)風機等設備應采用雙路電源供電，末端切換，至少一路電源應由不間斷電源供電。當制冷系統(tǒng)的放冷泵與末端冷凍水循環(huán)泵不共用時，放冷泵也應設置不間斷電源。

為避免電力中斷引起制冷與空調(diào)操控系統(tǒng)的控制器數(shù)據(jù)丟失、狀態(tài)混亂或恢復時間過長，不間斷電源供電可保證控制器的記錄和分析過程處于預設范圍[1]。根據(jù)冷卻設施的功能要求明確規(guī)定控制閥電力故障時的狀態(tài)，閥門狀態(tài)設置錯誤易導致冷卻設施運行失常，不滿足冷卻要求，因此控制閥門電源采用不間斷電源可減少或避免此類故障。

2.3 冷源系統(tǒng)配電電源情況及配電架構(gòu)分析

2.3.1 冷源系統(tǒng)配電電源情況分析

冷水機組按電壓等級分有高壓機組(10kV)、低壓機組(380V)，一般情況下因低壓電機受限于電纜及電機線圈載流量問題容量受限，相比之下高壓機組可做到單機容量更大，冷水機組按4臺3用1備配置。冷凍水泵、冷卻水泵及冷卻塔采用380V 低壓，分別按4臺3用1備配置。

2.3.2 配電電源系統(tǒng)分析

10/0.4 kV 變電所高壓側(cè)采用單母線獨立運行，兩段母線間不設聯(lián)絡，兩路10kV 電源同時工作，分別向兩段母線供電。采用10kV 柴油發(fā)電機作為備用電源。兩路電源的備用和切換功能由計算機綜合繼電保護裝置完成；變壓器低壓側(cè)采用單母線分段運行，開關與主開關之間設閉鎖裝置，當一臺變壓器故障或檢修退出運行時聯(lián)絡開關自動閉合，另一臺變壓器能負擔全部負荷；外電網(wǎng)一旦停電，UPS能在設備所允許的極短時間內(nèi)(微秒至毫秒級)自動從備用能源經(jīng)逆變器變換成電壓、頻率和相位都與原供電電源相同的電能繼續(xù)向冷凍水泵、冷機控制系統(tǒng)級閥門供電，滿足數(shù)據(jù)機房的連續(xù)制冷系統(tǒng)。

2.3.3 配電系統(tǒng)架構(gòu)分析

2.3.3.1 冷源系統(tǒng)選用高壓冷水機組+冷卻塔+冷卻水泵+冷凍水泵系統(tǒng)

10kV 高壓冷水機組運行特點：機組啟動時啟動電流小，對電網(wǎng)的沖擊較小。在機組運行時運行電流小，會節(jié)省一定的電能及配電級數(shù)；冷水機組的電機運轉(zhuǎn)時都會對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波干擾，諧波電流會使變壓器、電動機等損耗增加、溫度上升、絕緣加速老化。高壓啟動柜需采用耐高壓元器件，電器等級要求嚴格，防電弧、耐擊穿性能等，要求等級高。

高壓冷水機組的啟動方式比較：直接啟動。啟動電流大（約5～7倍的額定電流），電壓降幅較大，對供電系統(tǒng)有較大點沖擊，數(shù)據(jù)中心很少采用直接啟動方式；電抗器降壓啟動：啟動時串入電抗器，以限制和降低電機啟動時的電流和電網(wǎng)壓降，當電機運行穩(wěn)定且電流達到一定值時，切除電抗器變?yōu)殡姍C直接啟動模式，最大啟動電流為3～4倍額定電流，由于啟動過程電機端電壓也下降，易導致轉(zhuǎn)矩不夠，出現(xiàn)一個二次沖擊的過程；自耦變壓器啟動：

動機啟動時利用自耦變壓器來降低加在電動機定子繞組上的啟動電壓。待電動機啟動后再使電動機與自耦壓器脫離，從而在全壓下正運行。最大啟動電流為3～4倍額定電流，該方法可按容許的啟動電流和所需的啟動轉(zhuǎn)矩來選擇自耦變壓器副邊的不同抽頭實現(xiàn)降壓啟動；變頻啟動：調(diào)速范圍轉(zhuǎn)寬，可從零轉(zhuǎn)速到工頻轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)進行平滑調(diào)節(jié)。頻率的調(diào)整是根據(jù)電機在低頻下的壓頻比系數(shù)進行電壓和頻率的輸出，在低轉(zhuǎn)速下電機不僅是發(fā)熱量低且輸入電壓低，將使電機絕緣老化速度降低。

高壓冷水機組配電案例分析：在選用高壓冷水機組+冷卻塔+冷卻水泵+冷凍水泵系統(tǒng)時，由于某市供電局要求高壓不設置母聯(lián)，本系統(tǒng)的4臺高壓冷水機組的電源分別由10kV 的母聯(lián)段供電，每臺冷水機組供電分別設置末端雙電源切換柜，采用高壓變頻啟動方式，考慮到電能質(zhì)量對電網(wǎng)的影響，變頻器整流輸入應符合IEEE519-1992及GB/T14549-93標準對電壓失真和電流失真的要求。滿負荷運行時，電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率均應小于2%。在30～100%的調(diào)速范圍內(nèi)，變頻系統(tǒng)在不外加任何功率因素補償?shù)那闆r下輸入端功率因數(shù)須達到0.95以上。

2.3.3.2 冷源系統(tǒng)選用低壓冷水機組+冷卻塔+冷卻水泵+冷凍水泵系統(tǒng)

低壓冷水機組及水泵運行特點：在低壓冷水機組及水泵運行時運行電流大，線路的壓降大；在設備啟動時啟動電流大，對系統(tǒng)沖擊大；在低壓冷水機組及水泵供電系統(tǒng)中,由于D，yn11接線組別的三相電力變壓器的存在，利用一次側(cè)繞組的三角形接法為3次及3的倍數(shù)次諧波電流提供了環(huán)流通路，使其不注入電網(wǎng),注入電網(wǎng)的只有7、11、13等次諧波電流，可降低諧波電流對10kV 電力系統(tǒng)的影響。

低壓冷水機組的啟動方式比較：降壓啟動啟動電流小，但啟動轉(zhuǎn)矩也小，啟動時間長、繞組溫升高、啟動電器復雜，只在啟動條件不滿足全壓啟動條件時，才采用降壓啟動。低壓電機常規(guī)啟動方式有自耦變壓器降壓啟動、軟啟動器啟動、星一三角啟動等；采用變頻器控制的電動機具有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能。由于變頻器本身就是用于電動機調(diào)速的裝置.因此控制電動機的轉(zhuǎn)速是其基本功能，啟動過程可實現(xiàn)任意控制，啟動電流小、啟動轉(zhuǎn)矩大。

低壓冷凍水系統(tǒng)配電案例分析：在數(shù)據(jù)中心設置4套冷水系統(tǒng)，冷水機組、冷卻水泵、冷卻塔及冷凍水泵均采用3用1備，冷水機組、冷卻水泵及冷卻塔采用市電供電，考慮到低壓系統(tǒng)設置母聯(lián)開關，同種設備2臺電源分別由低壓2段母線直供，另外2臺采用末端雙電源切換供電。當任一段母線出現(xiàn)故障或者任一臺設備出現(xiàn)故障，均能保證3臺主要設備正常運行，避免發(fā)生單點故障。4臺冷凍水泵采用一路市電、一路UPS 供電，2路電源在每臺配電柜末端切換后供電。

每臺水泵均采用變頻啟動方式，需在負荷側(cè)裝設濾波裝置。為減少電源的干擾，可在變頻器輸入側(cè)設置輸入濾波器，為減少電磁噪聲，可在變頻器輸出側(cè)設置輸出濾波器；同時濾波器外殼應和變頻器外殼牢固連在一起并可靠接地，其目的是建設接觸電阻，提高濾波效果。另外，為抑制變頻器輸入側(cè)諧波電流、改善功率因數(shù)，在輸入端串聯(lián)交流電抗器；為改善變頻器輸出電流質(zhì)量，可在輸出側(cè)串聯(lián)交流電抗器。

在低壓冷凍水系統(tǒng)供電系統(tǒng)中采用變電站集中設置帶動態(tài)無功補償裝置，使系統(tǒng)的功率因數(shù)達到0.95以上,達到電網(wǎng)的要求。

A 級數(shù)據(jù)中心冷源系統(tǒng)供配電系統(tǒng)設計時，對不同的負荷應依據(jù)其性質(zhì)進行分類、分級，并采用不同的供電方案。冷源系統(tǒng)電源采用雙路供電，對于重要的冷凍水泵、冷源控制系統(tǒng)配置UPS 電源，當柴油發(fā)電機組作為備用電源時，不間斷電源系統(tǒng)的電池備用時間宜不小于15min。配電系統(tǒng)避免單一節(jié)點，具備容錯功能，保證IDC 設備的連續(xù)制冷。