試論數(shù)據(jù)中心的高低壓配電系統(tǒng)

張志敏

安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 安徽 合肥 230000

引言

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174—2017的規(guī)定，數(shù)據(jù)中心可分為A、B、C三個(gè)級(jí)別，我們應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)中心的管理要求、用戶性質(zhì)及其在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中的重要性確定其級(jí)別，不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心應(yīng)靈活的設(shè)計(jì)相應(yīng)的高低壓配電系統(tǒng)。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)由雙重電源供電，變壓器采用2N配置，容錯(cuò)配置的變配電設(shè)備應(yīng)分別布置在不同的物理隔間內(nèi)；B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜由雙重電源供電，變壓器采用N+1配置；C級(jí)數(shù)據(jù)中心可由兩回線路供電，變壓器采用N配置。

本文所述的高低壓配電系統(tǒng)僅包含負(fù)荷需求、10kV外市電、10kV配電系統(tǒng)、10/0.4kV變壓器配置、變壓器配套的0.4kV配電系統(tǒng)、變配電室。

1 負(fù)荷需求

1.1 負(fù)荷分類

數(shù)據(jù)中心的用電負(fù)荷應(yīng)根據(jù)其對(duì)供電可靠性的要求及中斷供電將造成的社會(huì)影響、經(jīng)濟(jì)損失程度、人身傷害或其相應(yīng)的重要性，將用電負(fù)荷或設(shè)備分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)負(fù)荷，負(fù)荷分類還應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008的標(biāo)準(zhǔn)。

以某數(shù)據(jù)中心（A級(jí)）工程為例進(jìn)行負(fù)荷分類分析。

（1）一級(jí)負(fù)荷

1）機(jī)房?jī)?nèi)機(jī)柜、配電柜用電負(fù)荷（重要）；

2）機(jī)房?jī)?nèi)配套專用空調(diào)負(fù)荷（重要）；

3）應(yīng)急照明等消防用電負(fù)荷；

4）機(jī)房監(jiān)控用電負(fù)荷。

（2）二級(jí)負(fù)荷

電梯、機(jī)房照明、插座等。

（3）三級(jí)負(fù)荷

公共區(qū)域照明、插座等。

1.2 負(fù)荷計(jì)算

數(shù)據(jù)中心機(jī)房以高密度數(shù)據(jù)類設(shè)備為主的高能耗密度數(shù)據(jù)機(jī)房，根據(jù)機(jī)房工藝、機(jī)房空調(diào)、不間斷電源、建筑電氣等專業(yè)提供的設(shè)備耗電需求進(jìn)行市電引入容量計(jì)算，同時(shí)還應(yīng)考慮到變壓器分配不平衡狀態(tài)和合理利用率[1]。

以某數(shù)據(jù)中心為例進(jìn)行負(fù)荷統(tǒng)計(jì)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

機(jī)房機(jī)架負(fù)荷=機(jī)架數(shù)×單機(jī)柜功耗=268×5+236×3=2048kW；

空調(diào)負(fù)荷=機(jī)架數(shù)×單機(jī)柜功耗=21×33+16×8=821kW；

電池充電負(fù)荷=250kW；

電梯、消防、建筑照明插座等=390kW；

總負(fù)荷=2048kW+821kW+250kW+390kW=3509kW；

主用變壓器安裝總?cè)萘?總負(fù)荷×綜合系數(shù)/功率因數(shù)/變壓器負(fù)載率=3509×0.85/0.95/0.85=3693.68kVA；

如上計(jì)算所示，該項(xiàng)目機(jī)房?jī)?nèi)負(fù)荷（機(jī)柜、空調(diào)及電池負(fù)荷）在此項(xiàng)目總負(fù)荷中所占比重約89%，其余負(fù)荷如電梯、消防、建筑照明插座等所占比重約11%。

2 10kV外市電引入

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174—2017的規(guī)定，A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)從兩座不同的變電站或同一變電站不同段母線分別引入兩路10kV電源，且兩路10kV電源不應(yīng)同時(shí)出現(xiàn)有計(jì)劃?rùn)z修停電；B級(jí)數(shù)據(jù)中心宜引入兩路10kV電源（10kV專用線路或公用線路），若只能引入一路10kV電源時(shí)，需增設(shè)柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源；C級(jí)數(shù)據(jù)中心若不具備引入10kV電源條件，可就近引入380V電源。

根據(jù)表1.2.1計(jì)算結(jié)果，某數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)引入兩路容量均為4000kVA外市電電源，當(dāng)其中一路外市電斷電時(shí)，另一路外市電應(yīng)能滿足局站的全部負(fù)荷用電。在勘察設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的方案中兩路市電電源的敷設(shè)路徑在多條市政道路中發(fā)生匯合，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)論證，為避免新建高架橋或者道路發(fā)生塌陷等引起兩路市電線路同時(shí)損壞的情況，兩路市電通過(guò)不同路由敷設(shè)進(jìn)入局站，此舉雖增加了建設(shè)成本，但確提高了用電可靠性[2]。

3 10kV配電系統(tǒng)

單路外市電電源供電的數(shù)據(jù)中心10kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單母線（不分段）接線；雙路（主、備電源）外市電電源供電的數(shù)據(jù)中心10kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單母線分段接線，也可以采用單母線（不分段）接線。

10kV配電裝置一般包括：計(jì)量柜、PT柜、進(jìn)線總柜、出線柜、母聯(lián)柜、隔離柜、直流屏、市電/發(fā)電切換柜（若項(xiàng)目采用10kV柴油發(fā)電機(jī)組）。

10kV配電系統(tǒng)一般可分為單電源單母線（不分段）接線、雙電源單母線（不分段）接線、10kV雙電源單母線分段接線3種接線方式。

如圖3.1所示，某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用的是雙電源單母線分段接線的主接線形式，正常供電時(shí)，由10kVⅠ段母線向Ⅰ、Ⅱ段母線供電；當(dāng)10kVⅠ段母線斷電時(shí)，由10kVⅡ段母線向Ⅰ、Ⅱ段母線供電；當(dāng)10kVⅠ、Ⅱ段母線均斷電時(shí)，由10kV柴油發(fā)電機(jī)組向Ⅰ、Ⅱ段母線供電，10kVⅠ、Ⅱ段的市電/發(fā)電切換柜應(yīng)與市電進(jìn)線總柜設(shè)置互鎖裝置，避免發(fā)電向市電“倒送電”事故[3]。

圖3 .1 10kV雙電源單母線分段接線（某數(shù)據(jù)中心）

4 10/0.4kV變壓器

10/0.4kV變壓器應(yīng)采用低損耗、低噪音的節(jié)能干式變壓器，接線組別宜選用D,yn11，與其他設(shè)備同室安裝時(shí)應(yīng)加裝保護(hù)外殼，保護(hù)外殼的防護(hù)等級(jí)不應(yīng)低于IP2X；變壓器安裝位置要求盡量靠近負(fù)荷中心，可完全獨(dú)立運(yùn)行。

A級(jí)數(shù)據(jù)中心變壓器按2N配置，每套變壓器的長(zhǎng)期工作負(fù)載率不宜超過(guò)47.5%；B級(jí)數(shù)據(jù)中心變壓器按N+1（1≤N≤3）配置；C級(jí)數(shù)據(jù)中心變壓器按N配置；N+1/N配置的變壓器長(zhǎng)期工作負(fù)載率不宜超過(guò)85%，不宜低于其額定容量的50%。

5 0.4kV配電系統(tǒng)

變壓器采用N配置的數(shù)據(jù)中心0.4kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單母線（不分段）接線；變壓器采用2N/N+1配置的數(shù)據(jù)中心0.4kV配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單母線分段接線。

0.4kV配電裝置一般包括：進(jìn)線總柜、無(wú)功補(bǔ)償柜、出線柜、聯(lián)絡(luò)柜、市電/發(fā)電切換柜（若項(xiàng)目采用0.4kV柴油發(fā)電機(jī)組）。

0.4kV配電系統(tǒng)一般可分為單母線（不分段）接線、單母線分段接線2種接線方式。

在變壓器低壓側(cè)設(shè)功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置，無(wú)功補(bǔ)償裝置應(yīng)采用成套裝置且具備自動(dòng)投切功能，補(bǔ)償后功率因數(shù)不應(yīng)低于0.95。

圖5 .1 0.4kV單母線分段接線（某數(shù)據(jù)中心）

如圖5.1所示，某數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)采用4臺(tái)2000kVA干式變壓器，用電安裝總?cè)萘繛?000kVA，每2臺(tái)2000kVA變壓器組成一套2N系統(tǒng)，共計(jì)2套2N系統(tǒng)。某數(shù)據(jù)中心0.4kV配電系統(tǒng)采用的是單母線分段接線，正常供電時(shí)，斷開(kāi)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，0.4kVⅠ段主變向Ⅰ段母線供電，0.4kVⅡ段主變向Ⅱ段母線供電，每臺(tái)變壓器的長(zhǎng)期工作負(fù)載率不宜超過(guò)47.5%；當(dāng)其中1臺(tái)主變斷電時(shí)，閉合聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，由另外1臺(tái)主變向0.4kVⅠ、Ⅱ段母線供電。某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目柴發(fā)系統(tǒng)采用的是10kV柴油發(fā)電機(jī)組，故其0.4kV配電系統(tǒng)不需設(shè)市電/發(fā)電切換柜。

6 變配電室

變配電室設(shè)置應(yīng)滿足下列條件

（1）便于外市電電源進(jìn)線；

（2）接近負(fù)荷中心；

（3）不得設(shè)在地勢(shì)低洼或可能積水的區(qū)域，不得設(shè)在積水區(qū)域的正下方；

（4）當(dāng)供電半徑較長(zhǎng)、用電負(fù)荷較大時(shí)，宜分散設(shè)置變配電室；

（5）應(yīng)考慮設(shè)備搬運(yùn)通道、平臺(tái)或孔洞，設(shè)備布置應(yīng)滿足操作、維護(hù)的要求，安全凈距應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《20kV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50053和《低壓配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50054的規(guī)定。

某數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目變配電室設(shè)在通信樞紐樓室內(nèi)一層，由于此項(xiàng)目為A級(jí)數(shù)據(jù)中心，所以容錯(cuò)配置的變配電設(shè)備應(yīng)分別布置在不同的物理隔間內(nèi)，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了2座變配電室，分別將雙路市電對(duì)應(yīng)的10kV配電裝置、2N配置的變壓器及其0.4kV配電裝置分別設(shè)在變配電室A和變配電室B，以達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174—2017的要求。

圖6 .1 變配電室電氣平面布置（某數(shù)據(jù)中心）

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)中心這一類基建如雨后春筍般崛起，針對(duì)不同級(jí)別的數(shù)據(jù)中心，我們應(yīng)科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)相應(yīng)的高低壓配電系統(tǒng)，才能保障數(shù)據(jù)中心有序、良好的運(yùn)行。另外在論證數(shù)據(jù)中心高低壓配電系統(tǒng)方案時(shí)，除考慮項(xiàng)目建設(shè)成本，更應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的供電可靠性以及后期維護(hù)的便利性。