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        以北方某數(shù)據(jù)中心為例簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)

        2017-04-12 00:00:00馬睿

        【摘要】數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行是保證數(shù)據(jù)中心正常工作非常關(guān)鍵的要素之一,本文以北方某數(shù)據(jù)中心為例從中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、后備電源保障系統(tǒng)、電氣照明系統(tǒng)以及防雷接地系統(tǒng)等方面簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)。

        【關(guān)鍵詞】變配電系統(tǒng);柴油發(fā)電機(jī);低壓配電;UPS;照明標(biāo)準(zhǔn);防雷接地

        數(shù)據(jù)中心是全球互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施,當(dāng)代我們熟知的政府機(jī)構(gòu)、教育機(jī)構(gòu),金融機(jī)構(gòu),電子商務(wù)機(jī)構(gòu)等都離不開數(shù)據(jù)中心的支持,可以說數(shù)據(jù)中心推動(dòng)著當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步,云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、VR等的普及也離不開數(shù)據(jù)中心的支持可以認(rèn)為數(shù)據(jù)中心將與人類未來的生活息息相關(guān)。數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)是保證其可靠運(yùn)行關(guān)鍵系統(tǒng)之一,電氣系統(tǒng)的合理性,可靠性,穩(wěn)定性,節(jié)能性等是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心的重要指標(biāo),下文將以北方某數(shù)據(jù)中心為例簡(jiǎn)析數(shù)據(jù)中心的電氣系統(tǒng)。

        1、項(xiàng)目概況

        本項(xiàng)目位于華北較為寒冷地區(qū),機(jī)房等級(jí)按《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008 A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì),數(shù)據(jù)中心為兩棟建筑,一棟為數(shù)據(jù)機(jī)房,一棟為動(dòng)力中心(主要放置中壓柴油發(fā)電機(jī),空調(diào)冷水機(jī)組等)。

        2、電氣設(shè)計(jì)原則

        (1)變配電房的規(guī)劃布置盡量靠近負(fù)荷中心,減小供電半徑,有利于節(jié)能及節(jié)約投資;

        (2)結(jié)合工藝及建筑的規(guī)劃設(shè)置變配電房,變配電房的規(guī)劃充分考慮“可靠性”、“經(jīng)濟(jì)性”、“可擴(kuò)充性”、“便于管理維護(hù)”等原則,使機(jī)房PUE值達(dá)到最 優(yōu);

        (3)所有配電柜及相應(yīng)的配電線路,均以用電峰值為其設(shè)計(jì)負(fù)荷;

        3、供電可靠性保證

        本項(xiàng)目按《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008 A級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì),采取以下措施保證機(jī)房設(shè)備供電系統(tǒng)的可靠性:

        (1)采用兩路10kV市電為主用電源、柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源以及UPS作為不間斷電源供電;

        (2)變壓器及供配電系統(tǒng)采用M(1+1)方式的配置共5組(10臺(tái))10kV/380V變壓器;

        (3)重要回路由兩回路供電,由兩臺(tái)不同的變壓器,不同的保證母線段采取放射式供電,兩回路供電線路及出線開關(guān)均可實(shí)現(xiàn)互為備份。

        4、設(shè)計(jì)范圍

        (1)10kV高壓配電系統(tǒng);(2)10/0.4kV配電系統(tǒng);(3)備用發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng);

        (4)動(dòng)力系統(tǒng);(5)照明系統(tǒng);(6)防雷保護(hù)、安全措施及接地系統(tǒng)。(7)電源分界點(diǎn)為高壓配電房電源進(jìn)線柜內(nèi)進(jìn)線開關(guān)的進(jìn)線端。高壓開關(guān)房屬城市供電部門負(fù)責(zé)設(shè)計(jì),高壓開關(guān)房?jī)?nèi)設(shè)備由供電局負(fù)責(zé)選型。

        5、變、配電系統(tǒng)

        (1)負(fù)荷分級(jí):

        一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷:機(jī)房IT設(shè)備用電負(fù)荷;

        一級(jí)負(fù)荷:消防負(fù)荷:消防中心用電、消防水泵、消防電梯、防排煙風(fēng)機(jī)、消防應(yīng)急照明等消防用電,機(jī)房專用空調(diào)負(fù)荷,機(jī)房保證照明等;

        二級(jí)負(fù)荷:機(jī)房配套用房照明,普通排風(fēng)風(fēng)機(jī),普通空調(diào)風(fēng)柜等;

        三級(jí)負(fù)荷:不屬于一、二級(jí)負(fù)荷的其他負(fù)荷。

        6、柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)

        (1)本工程采用柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源,發(fā)電機(jī)采用N配置;共須安裝5臺(tái)1800kW/2000kVA高壓柴油發(fā)電機(jī)組,為本工程一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷提供用電保證。

        (2)柴油發(fā)電機(jī)在市電故障停電后,能在15秒內(nèi)自動(dòng)啟動(dòng),向本工程保證高壓母線段供電。采取有效措施防止市電與發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行。

        (3)并機(jī)總技術(shù)要求

        發(fā)電機(jī)主要為機(jī)房 IT 負(fù)荷、空調(diào)制冷系統(tǒng)、消防供電系統(tǒng)以及應(yīng)急照明提供應(yīng)急電源保障容量。發(fā)電機(jī)組的并機(jī)容量首先應(yīng)滿足以下三個(gè)條件:

        a發(fā)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)行額定功率大于或等于穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算功率;

        b發(fā)電機(jī)的備用運(yùn)行功率大于或等于負(fù)荷的尖峰功率;

        c在最大的電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí),發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)電壓降不大于 15%~20%。

        其次,數(shù)據(jù)中心配置有大量的不間斷電源,它的特性是非線性負(fù)載,在供電線路上會(huì)產(chǎn)生諧波,使發(fā)電機(jī)輸出電壓波形產(chǎn)生失真。由于發(fā)電機(jī)組相對(duì)電網(wǎng)是有限容量系統(tǒng),多臺(tái)發(fā)電機(jī)并機(jī)系統(tǒng)除了滿足穩(wěn)定負(fù)荷需求外,還需考慮負(fù)載特性(電能質(zhì)量)、啟動(dòng)性能、沖擊負(fù)載(冷凍機(jī)組和水泵的啟動(dòng)電流、變壓器投入時(shí)的激磁電流)對(duì)發(fā)電機(jī)使用的影響。

        (4)中壓ATS系統(tǒng)要求:

        中壓ATS根據(jù)設(shè)定的各負(fù)荷出線重要等級(jí),由重要性由最低向重要性最高的順序,逐次跳開母線各負(fù)載出線斷路器;然后,合油機(jī)進(jìn)線斷路器,根據(jù)接收到的并網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量,按照負(fù)荷出線重要性等級(jí),由重要性最高向重要性最低順序逐次合上允許數(shù)量的出線斷路器。

        7、高、低壓供電系統(tǒng)及運(yùn)行方式

        (1)高壓供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        a 本工程高壓供電系統(tǒng)采用兩路10kV專線市電電源,采用單母線運(yùn)行方式,正常供電時(shí),兩路電源同時(shí)供電。

        b 10kV斷路器采用真空斷路器短路電流為31.5kA,在10kV出線開關(guān)柜內(nèi)裝設(shè)氧化鋅避雷器作為真空斷路器的操作過電壓保護(hù)。

        c當(dāng)市電失電后,啟動(dòng)高壓柴油發(fā)電機(jī)組,保證重要負(fù)荷用電。

        d高壓斷路器校驗(yàn)

        【動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)】

        已知:

        三相短路沖擊電流ich = 6.23(kA)

        額定峰值耐受電流imax =60(kA)

        校驗(yàn):

        Ich≤Imax,動(dòng)穩(wěn)定校驗(yàn)合格!

        【熱穩(wěn)定校驗(yàn)】

        已知:

        額定短時(shí)耐受電流It = 31.5(kA)

        額定短時(shí)持續(xù)時(shí)間t =4(s)

        短路電流熱效應(yīng)Qt =0.5(kA2.s)

        校驗(yàn):

        Qt≤It×It×t,熱穩(wěn)定校驗(yàn)合格!

        (2)低壓配電系統(tǒng)

        a 變壓器低壓側(cè)采用單母線分段方式運(yùn)行。T1、T3、T5、T7、T9分別與T2、T4、T6、T8、T10變壓器之間設(shè)母聯(lián)開關(guān)。

        b 低壓配電系統(tǒng)采用AC 380V,AC 380V配電系統(tǒng)采用放射式與樹干式相結(jié)合的方式,對(duì)于單臺(tái)容量較大的負(fù)荷或重要負(fù)荷采用放射式供電;對(duì)于照明及一般負(fù)荷采用樹干式與放射式相結(jié)合的供電方式。

        8、設(shè)備選型如下

        (1)戶內(nèi)式變壓器按節(jié)能型干式變壓器設(shè)計(jì),設(shè)強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng);接線為 D,Yn11,保護(hù)罩由廠家配套供貨,防護(hù)等級(jí)不低于IP30.

        (2)高壓配電柜按金屬鎧裝移開式中置柜進(jìn)行設(shè)計(jì),斷路器額定電流1250A,分?jǐn)嗄芰?1.5kA;采用直流操作。高壓電纜采用上進(jìn)上出接線方式。

        (3)斷路器最大短路電流計(jì)算:

        變壓器阻抗電壓百分比:Uk%=6(ST≤2500

        KVA),Uk%=8(ST=2500KVA);

        變壓器電阻忽略不計(jì),電抗:額定電壓:Ur=0.4KV,

        采用2500KVA變壓器時(shí),ST=2.5MVA 得到XT=0.01024

        短路電流

        采用2000KVA變壓器時(shí),ST=2MVA 得到XT=0.00614

        短路電流

        采用1250KVA變壓器時(shí),ST=1.25MVA 得到XT=0.00384

        短路電流

        低壓配電柜依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)抽屜柜,落地式安裝進(jìn)行設(shè)計(jì);根據(jù)上述計(jì)算與2500KVA和2000KVA變壓器配套配電柜斷路器分?jǐn)嗄芰?5kA以上,與1250KVA變壓器配套配電柜斷路器分?jǐn)嗄芰?0kA以上,進(jìn)出線電纜采用上進(jìn)上出的接線方式。

        柴油發(fā)電機(jī)組為應(yīng)急自啟動(dòng)型,應(yīng)急啟動(dòng)裝置及相關(guān)成套設(shè)備由廠家配套供貨

        9、10kV繼電保護(hù)裝置的設(shè)置

        (1)進(jìn)線采用過流、速斷、零序保護(hù);

        (2)出線采用過流、速斷、零序保護(hù);

        (3)變壓器設(shè)置過流、速斷、溫度保護(hù)。

        (4)發(fā)電機(jī)設(shè)置過流、速斷、零序、溫度、差動(dòng)保護(hù)。

        10、電能計(jì)量裝置

        采用高壓集中計(jì)量,在每路10 kV電源進(jìn)線處設(shè)置專用計(jì)量裝置,并可根據(jù)要求設(shè)置低壓電力分表。

        11、功率因素補(bǔ)償方式

        采用低壓集中自動(dòng)補(bǔ)償方式,在變配電所低壓側(cè)設(shè)功率因數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償裝置,補(bǔ)償后功率因素達(dá)0.96以上。

        12、諧波治理

        由于諧波分布的多變性和諧波工程計(jì)算的復(fù)雜性,因此在進(jìn)行變電所設(shè)計(jì)時(shí)要適當(dāng)預(yù)留濾波設(shè)備安裝位置,待系統(tǒng)正式運(yùn)行后根據(jù)對(duì)諧波的實(shí)測(cè)和分析,再采取相應(yīng)的、有效的諧波治理措施。

        對(duì)于變頻設(shè)備采用IGBT整流,或加裝消諧裝置,防止諧波涌入電力系統(tǒng);

        對(duì)于UPS等根據(jù)后期通信工藝的要求,采用IGBT整流或就地設(shè)置諧波吸收裝置,使諧波含量負(fù)荷電網(wǎng)的要求。

        13、照明系統(tǒng)

        (1)照度標(biāo)準(zhǔn)、主要場(chǎng)所照明功率密度值按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行。主要場(chǎng)所照明功率密度值見下表:

        其他場(chǎng)所按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》GB50034-2013執(zhí)行。

        (2)光源、燈具選擇、照明燈具的安裝及控制方式:

        a光源:一般場(chǎng)所為熒光燈或節(jié)能型光源,有裝修要求的場(chǎng)所視裝修要求而定,但其照度應(yīng)符合相關(guān)要求。

        b用于應(yīng)急照明的光源采用能快速點(diǎn)亮的光源。

        14、防雷與接地

        (1)防雷措施

        a本工程按二類防雷措施設(shè)防。建筑物電子信息系統(tǒng)雷電防護(hù)等級(jí)一級(jí)。

        b在機(jī)樓屋頂設(shè)避雷帶作為防直擊雷的接閃器,利用建筑物結(jié)構(gòu)柱子內(nèi)的主筋做引下線,利用結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋網(wǎng)做接地體。

        c為防側(cè)向雷擊,豎向敷設(shè)的金屬管道及金屬物的頂部和底部應(yīng)與防雷裝置連接。

        d為防雷電波浸入,電纜進(jìn)出線在進(jìn)出端應(yīng)將電纜的金屬外皮、鋼管等與電氣設(shè)備接地相連。

        e電子信息系統(tǒng)的箱體、殼體、機(jī)架等金屬組件應(yīng)與建筑物的共用接地網(wǎng)作等電位連接。

        f防雷接地、變壓器中性點(diǎn)接地及電氣設(shè)備保護(hù)接地等共用同一的接地裝置,要求接地電阻不大于1Ω,當(dāng)接地電阻達(dá)不到設(shè)計(jì)要求時(shí)應(yīng)在室外增設(shè)人工接地體。

        g本工程采用總等電位連聯(lián)結(jié)。在各電氣設(shè)備房、每層IT機(jī)房、衛(wèi)生間等處設(shè)局部等電位聯(lián)結(jié)。

        (3)機(jī)房接地保護(hù)措施

        a 計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)、有線電視引入端、電信引入端設(shè)過電壓保護(hù)裝置。

        強(qiáng)、弱電系統(tǒng)采用共用接地裝置。

        b IT機(jī)房、電信機(jī)房、監(jiān)控中心室等弱電設(shè)備用房的接地利用大樓的共用接地裝置,獨(dú)立設(shè)置引下線,采用40x4編織銅帶。穿PVC管保護(hù)。

        c防雷電感應(yīng)措施:

        為了保證本工程大樓內(nèi)的通信設(shè)備的安全,對(duì)通信設(shè)備及弱電設(shè)備供電系統(tǒng),依據(jù)設(shè)備終端的耐壓水平,分別采用2~4級(jí)的多級(jí)防雷措施,加裝浪涌保護(hù)裝置。

        采取聯(lián)合接地方式,設(shè)置專用直流邏輯接地、交流工作接地、安全保護(hù)接地、防雷保護(hù)、防靜電接地等;在機(jī)房適當(dāng)位置設(shè)置局部等電位接地端子箱,機(jī)房交流配電系統(tǒng)接地、計(jì)算機(jī)設(shè)備安全保護(hù)接地等采用電纜匯接至機(jī)房等電位接地端子箱,再接到大樓接地網(wǎng);機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)置銅帶等電位接地網(wǎng)。

        數(shù)據(jù)中心在現(xiàn)在設(shè)計(jì)中的電氣設(shè)計(jì)方式有很多種,以上只是簡(jiǎn)單介紹其中一種比較常見的電氣設(shè)計(jì)方式。隨著社會(huì)的發(fā)展數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)已經(jīng)不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的項(xiàng)目設(shè)計(jì)而且是一個(gè)社會(huì)話題,這個(gè)話題背后是人們對(duì)能源消耗的憂慮和對(duì)日益嚴(yán)峻的環(huán)境問題的擔(dān)心,所以雖然數(shù)據(jù)中心在今天已經(jīng)發(fā)展的比較成熟但是對(duì)于數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)還任重道遠(yuǎn)。此文旨在拋磚引玉,希望更多的人關(guān)注和探討數(shù)據(jù)中心在為來電氣設(shè)計(jì)中更加節(jié)能更加高效的方式。

        參考文獻(xiàn):

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        [2]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50052-2009,第1版,中國(guó)計(jì)劃出版社.

        [3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50174-2008,第1版,中國(guó)計(jì)劃出版社.

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