數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)多電源系統(tǒng)變壓器點(diǎn)接地方式探討

本文討論大型數(shù)據(jù)中心多電源系統(tǒng)的變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)接地方式實(shí)際應(yīng)用中的常見(jiàn)問(wèn)題,主要包括0.4kV側(cè)中性點(diǎn)接地、低壓母聯(lián)柜平面布置。結(jié)合規(guī)范和項(xiàng)目案例,為大型數(shù)據(jù)中心規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工階段的電氣工程提供參考建議。

一 引言

隨著數(shù)據(jù)中心發(fā)展日趨成熟,建設(shè)工程的增長(zhǎng)率已減緩,零售型和批發(fā)型的建設(shè)方愈加重視合規(guī)性、可靠性、綠色、節(jié)能、碳中和等品質(zhì)。大型數(shù)據(jù)中心的電氣架構(gòu)趨于相同,但各子系統(tǒng)架構(gòu)細(xì)節(jié),很多點(diǎn)需要仔細(xì)斟酌。本文通過(guò)對(duì)大型數(shù)據(jù)中心多電源系統(tǒng)的變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)接地方式探討,從實(shí)施階段的采購(gòu)、設(shè)計(jì)、施工等維度探討工程中的實(shí)際問(wèn)題,為項(xiàng)目規(guī)劃設(shè)計(jì)提供可行建議,保證電氣整體架構(gòu)的安全合理性。

二 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)

GB50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:A級(jí)數(shù)據(jù)中心應(yīng)滿足容錯(cuò)要求[1]。A級(jí)數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)應(yīng)具有兩套或兩套以上的系統(tǒng),在同一時(shí)刻,至少有一套系統(tǒng)在正常工作。按容錯(cuò)系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)設(shè)施,在經(jīng)受住一次嚴(yán)重的突發(fā)設(shè)備故障或人為操作失誤后,仍能滿足電子信息設(shè)備正常運(yùn)行的基本需求。A級(jí)數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)架構(gòu)主要有三種:2N、DR、RR。我國(guó)內(nèi)A級(jí)大型數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)主要以2N架構(gòu)居多。數(shù)據(jù)中心應(yīng)由專(zhuān)用配電變壓器或?qū)Ｓ没芈?a target="_blank">供電,變壓器宜采用干式變壓器,變壓器宜靠近負(fù)荷布置。數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的接地型式宜采用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)。本文主要以2N供配電架構(gòu),低壓配電系統(tǒng)為T(mén)N-S系統(tǒng)為基礎(chǔ)作探討分析。

三 數(shù)據(jù)中心規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)的常見(jiàn)問(wèn)題

3.1關(guān)于多電源系統(tǒng)變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)接地方式探討

在數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目中,雜散電流產(chǎn)生的雜散電磁干擾會(huì)影響電子信息設(shè)備正常運(yùn)行,UPS斷零故障會(huì)直接導(dǎo)致UPS宕機(jī)、供電架構(gòu)可靠性降低,兩者均會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行品質(zhì)下降。實(shí)際工程案例中配電變壓器中性點(diǎn)無(wú)非采用一點(diǎn)接地亦或直接接地,避免中性導(dǎo)體產(chǎn)生分流,以下針對(duì)變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)接地方式展開(kāi)探討。

大型數(shù)據(jù)中心實(shí)際運(yùn)行期間變壓器運(yùn)行策略主要見(jiàn)表1。

變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)在直接接地系統(tǒng)中有時(shí)接地電流太大,嚴(yán)重?fù)p壞電氣設(shè)備和線路,致使系統(tǒng)工作不穩(wěn)定,且對(duì)電信線路造成強(qiáng)烈干擾。變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)直接接地,為了應(yīng)對(duì)雜散電流問(wèn)題,通常變壓器進(jìn)線斷路器QA1、QA2及母聯(lián)斷路器QA3采用4P極性配置方案。圖1為多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)直接接地接線做法。

根據(jù)上述變壓器運(yùn)行場(chǎng)景策略,分析多電源系統(tǒng)變壓器在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)在切換場(chǎng)景策略時(shí),電氣裝置N線上電流的流向,如圖1中紅色箭頭路徑所示，只有一個(gè)流通路徑，無(wú)雜散電流。但在場(chǎng)景4條件下，N線與PE線會(huì)斷開(kāi)，若下游有UPS電氣設(shè)備，則會(huì)產(chǎn)生斷零故障。另外在場(chǎng)景1向場(chǎng)景2切換或場(chǎng)景1向場(chǎng)景3且換時(shí)，同樣會(huì)出現(xiàn)斷零故障。

GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]第7.1.2條規(guī)定:對(duì)于具有多電源的TN系統(tǒng),應(yīng)避免工作電流流過(guò)不期望的路徑;不應(yīng)在變壓器的中性點(diǎn)或發(fā)電機(jī)的星形點(diǎn)直接對(duì)地連接;電源中性點(diǎn)間相互連接的導(dǎo)體與PE之間,應(yīng)只一點(diǎn)連接,并應(yīng)設(shè)置在總配電屏內(nèi)。多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地方式的主要目的是避免中性導(dǎo)體產(chǎn)生分流和在線路周?chē)a(chǎn)生電磁場(chǎng)及電磁干擾,通常變壓器進(jìn)線斷路器QA1、QA2及母聯(lián)斷路器QA3采用3P極性配置方案。圖2為多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地接線做法。 ? 根據(jù)上述變壓器運(yùn)行場(chǎng)景策略,分析多電源系統(tǒng)變壓器在中性點(diǎn)一點(diǎn)接地系統(tǒng)在切換場(chǎng)景策略時(shí),電氣裝置N線上的電流的流向,如圖2中紅色箭頭路徑所示,只有一個(gè)流通路徑,無(wú)雜散電流。場(chǎng)景模式切換過(guò)程中,系統(tǒng)N線始終與PE線連接,不會(huì)產(chǎn)生斷零故障。　
　　

? 3.2關(guān)于低壓柜母聯(lián)柜平面布置探討 ? 實(shí)際工程案例中,數(shù)據(jù)中心配變電所的母聯(lián)柜設(shè)備布置有兩種方式。 布置方案1:進(jìn)線柜與母聯(lián)柜相鄰布置(圖3); 　　

布置方案2:母聯(lián)柜在低壓成套柜最末端布置(圖4)?！　?br /> 　　

GB/T16895.10-2010《低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》規(guī)定:變壓器的中性點(diǎn)或發(fā)電機(jī)的星形點(diǎn)之間相互連接的導(dǎo)體應(yīng)是絕緣的,這種導(dǎo)體的功能類(lèi)似于PEN,然而不得將其與用電設(shè)備連接,為此需在其上或其旁設(shè)置警示牌。GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定:對(duì)于具有多電源的TN系統(tǒng),應(yīng)避免工作電流流過(guò)不期望的路徑;不應(yīng)在變壓器的中性點(diǎn)或發(fā)電機(jī)的星形點(diǎn)直接對(duì)地連接;電源中性點(diǎn)間相互連接的導(dǎo)體與PE之間,應(yīng)只一點(diǎn)連接,并應(yīng)設(shè)置在總配電屏內(nèi)。 ?

配電室平面布置圖(圖4)中多電源系統(tǒng)變壓器為一點(diǎn)接地方式,PEN導(dǎo)體在母聯(lián)柜內(nèi)做一點(diǎn)接地,用電設(shè)備在一個(gè)接地點(diǎn)之前接入配電系統(tǒng),PEN導(dǎo)體與用電設(shè)備直接連接。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),PEN導(dǎo)體上流過(guò)故障電流,此時(shí)接入PEN導(dǎo)體的用電設(shè)備的中性線上可能出現(xiàn)危險(xiǎn)故障電壓,危及人身安全。 ? 配電室平面布置圖(圖3)中多電源系統(tǒng)變壓器為一點(diǎn)接地方式,PEN導(dǎo)體在母聯(lián)柜內(nèi)做一點(diǎn)接地,用電設(shè)備在一個(gè)接地點(diǎn)之后接入配電系統(tǒng),PEN導(dǎo)體在一個(gè)接地點(diǎn)分為PE導(dǎo)體和N導(dǎo)體,PEN導(dǎo)體不與用電設(shè)備直接連接。當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí),直接泄入大地,不會(huì)危及人身安全。 ? 顯然配電室平面布置圖(圖3)與多電源TN系統(tǒng)單母線分段接線為一點(diǎn)接地的接線方式更加匹配,實(shí)際工程應(yīng)按照配電室平面布置圖(圖3)執(zhí)行?！?/p>

? 四 數(shù)據(jù)中心案例應(yīng)用分析 　　

某大型A級(jí)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目案例中,備用電源采用高壓柴油發(fā)電機(jī)組,10kV柴油發(fā)電機(jī)組接至10kV并機(jī)母線后給變壓器供電,采用2N配電架構(gòu)系統(tǒng),其變壓器0.4kV側(cè)中性點(diǎn)采用圖2所示一點(diǎn)接地系統(tǒng),兩臺(tái)變壓器集中一點(diǎn)接地,三臺(tái)斷路器均采用3P,PEN導(dǎo)體在母聯(lián)柜內(nèi)做一點(diǎn)接地。圖5為實(shí)際案例母聯(lián)柜內(nèi)一點(diǎn)接地增設(shè)N-PE銅排解決方案。低壓柜母聯(lián)柜布置方式采用按照配電室平面布置圖(圖3)執(zhí)行。

多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)的一點(diǎn)接地與直接接地,除在雜散電流、UPS斷零問(wèn)題上有較大差別外,斷路器選用、系統(tǒng)接地線纜都會(huì)對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生影響。

如上述舉例,總?cè)萘繛?0000kVAA級(jí)數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目,供電架構(gòu)系統(tǒng)為2N,變壓器數(shù)量為8×2500kVA,變壓器的出線斷路器數(shù)量為8×5000A,母聯(lián)斷路器數(shù)量為4×4000A。若多電源變壓器中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)時(shí),變壓器進(jìn)線和母聯(lián)斷路器的極性為4P,市面一線品牌的框架空氣斷路器5000A/4P和4000A/4P售價(jià)約10萬(wàn)/臺(tái),總造價(jià)金額為120萬(wàn)。若多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地系統(tǒng)時(shí),變壓器進(jìn)線和母聯(lián)斷路器的極性為3P,市面一線品牌的框架空氣斷路器5000A/3P和4000A/3P售價(jià)約7萬(wàn)/臺(tái),總造價(jià)金額為84萬(wàn)。
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兩種接地方式造價(jià)相差36萬(wàn),值得注意,此處還未計(jì)算接地電纜的造價(jià)。多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)直接接地方式,極性4P斷路器的使用增加造價(jià),僅在某些運(yùn)行模式解決雜散電流問(wèn)題。而多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地方式,不僅無(wú)雜散電流和UPS斷零問(wèn)題,且斷路器、線纜、工程安裝的費(fèi)用均較低。

五 結(jié)語(yǔ) 　　

多電源變壓器中性點(diǎn)一點(diǎn)接地,無(wú)論是從電氣原理或工程實(shí)踐;還是相關(guān)規(guī)范、工程造價(jià)等各維度,都值得在數(shù)據(jù)中心工程中廣泛推廣應(yīng)用的系統(tǒng)接地方式。值得注意的是,多電源系統(tǒng)變壓器中性點(diǎn)方式要遵守當(dāng)?shù)亍?0kV及以下業(yè)擴(kuò)受電工程典型設(shè)計(jì)》及施工地所屬的供電部門(mén)審核意見(jiàn)為準(zhǔn),以免工程實(shí)施受阻。

參考文獻(xiàn)

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[4]GB/T16895.10-2010低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)[S].2011. 　

作者簡(jiǎn)介

劉斌，男,現(xiàn)任鵬城金云科技有限公司電氣系統(tǒng)架構(gòu)師。從業(yè)以來(lái)一直從事柴發(fā)動(dòng)力、數(shù)據(jù)中心電氣架構(gòu)規(guī)劃及交付相關(guān)方向,主導(dǎo)多個(gè)大型數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目的電氣規(guī)劃,涉及境外店商平臺(tái)、國(guó)內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)、金融證券領(lǐng)域等,積累了豐富的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

編輯：黃飛

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