大型数据中心低压配电系统开关极数选择

2021-01-25王二超陶军伟尹利华

通信电源技术 2020年18期

王二超，陶军伟，尹利华，李恒

（河南数字中原数据有限公司，河南郑州 450000）

0 引言

近年来，随着5G、物联网、云计算、大数据以及区块链等众多数字经济的快速发展，大型超大型数据中心的安全可靠性也越来越多的被用户关注。有相关资料表明，2016年数据中心平均宕机成本约74万美元，较2010年增长37%。2017年5月，英国航空公司数据中心突然发生电力中断，在3天内总计取消672个航班，致使75 000名乘客无法正常出行，损失超过1亿英镑。供配电作为数据中心最重要的系统，其本身的安全可靠性是衡量一个数据中心安全可靠的最重要因素之一。

1 大型数据中心配电系统架构

对于大型数据中心，在配电系统架构上，变压器通常采用2N模式配置，这也是国标A级数据中心对变配电系统的设计要求。国内数据中心配电系统中通常会在2N系统的两台变压器中增加联络开关，而如何选择变压器出线开关和联络开关的极数，保证系统的安全性和可靠性，是接下来要讨论的主要问题。

2 数据中心配电系统开关极数选择的考量因素

在讨论数据中心配电系统开关极数选择之前，笔者事先搜集了各标准、规范以及论文中关于三极开关和四极开关的应用结论，具体如下。

TN-C-S和TN-S系统中的电源转换开关，应采用切断相导体和中性导体的四极开关，正常供电电源与备用发电机之间的电源转换开关应采用四极开关[1]。在TN-C系统中不应将保护接地中性导体隔离，严禁将保护接地中性导体接入开关电器[2]。在电路中需为防止电流流经不期望的路径，可选用具有断开中性极的开关电器。在两进线一母联的电气系统中，当主进开关带有RCD保护时，应采用四极母联开关。末端电源转换开关极数的选择与两电源回路的接地系统类别、两电源回路是否出自一组配电盘、系统接地的设置方式、电源回路有无RCD、电气装置内敏感信息设备的位置以及自备发电机站内发电机台数等情况相关，应视具体情况来决定采用四极开关还是三极开关[3]。

2.1 断零风险

对配电系统来说，尤其是部分采用0.4 kV输入的设备，断零可能会烧毁设备。排除施工质量和线缆质量等原因，断零事故产生的最大原因是在开关选择时采用了四极开关，而开关触头之间的电阻主要包括膜电阻和收缩电阻。在现实运行中，零线上不平衡电流一般较小，在开关开合过程中，零线上产生的电弧燃烧会远弱于火线上产生的电弧燃烧，从而导致零线上的电阻过大甚至不导电，造成“断零”烧设备的现象。

2.2 杂散电流

IEC标准规定从变压器中性点引出的中性线必须绝缘，且只能在低压配电盘内与接地的PE母排连接从而实现系统接地。这点以外的中性线不得再在其他处接地，中性线电流只能通过本回路的中性线返回电源。如果中性线电流通过其他并联回路返回电源，则这部分电流被称作为杂散电流。杂散电流能引起如下的电气灾害。

杂散电流可感应杂散电磁场，该磁场能够干扰敏感信息技术设备的正常工作，也可能因不正规通路或导电不良而打火，引起火灾。其如果以大地为通路，将会因电化学反应腐蚀混凝土钢筋、接地极以及金属管道等。此外，当杂散电流流经非正常路径时，可能会导致带有RCD保护的主进线开关误动或拒动，从而扩大事故范围。采用不同极数的联络开关和出线开关对接地的方式选也不一样，因此在杂散电流方面也会出现不同的表征。

2.3 人身安全

标称的工频安全电压为50 V。在两台相互联络的变压器系统中，当1台变压器故障需要检修时，另外1台变压器承载全部的用电负荷。此时，如果运行变压器因三相不平衡或单相对零短路导致N线带电，那么就会对故障变压器处的检修人员造成一定的人身安全隐患。而采用四级开关是消除此类隐患的最佳措施。

2.4 单点故障

数据中心建设的从业人员通常都会注意到，在Uptime评级过程中，单点故障是一个很重要的考量因素，尤其是在T4等级的数据中心，几乎要求所有的联络系统都有物理隔离。而在过往的实际案例中，Uptime组织基本上没有关注过相互联络的两套低压配电系统的接地状况（相互容错的两套低压配电系统实际上可以不做联络）的原因是多种多样的，包括IEC要求、GB要求、行业规范要求以及通常做法等。因此，在实施过程中，有些相互联络的两套低压配电系统（TN-S系统）会采用在某个低压配电盘处一点接地的做法，而这个一点接地又与T4等级的评级原则是相互冲突的，这就是所谓的单点故障。当唯一的接地点因为事故断开时，相互容错的低压配电系统整体将会出现火线对地悬浮，从而造成大范围的故障隐患，这是在数据中心建设过程中应极力避免的问题。

2.5 经济效益

笔者咨询了若干低压开关厂家，包括合资品牌及国内高端品牌。在其他电气参数一致的前提下，四极开关通常会比三极开关的价格高20%～30%，而在大型数据中心低压配电系统中，采用四极开关的位置是及其有限的，对数据中心配电系统乃至整体的造价影响较小。因此，经济效益在开关极数选择中仅作为一个考量因素，不作为重要因素。

3 低压配电系统不同极数开关选择分析

分析两台变压器联络系统，其系统采用常规的“三合二”逻辑，这种情况下选用不同极数开关一共有4种情况。第一种为主进线开关采用三极开关，联络开关采用四极开关；第二种为主进线开关采用三极开关，联络开关采用三极开关；第三种为主进线开关采用四极开关，联络开关采用四极开关；第四种为主进线开关采用四极开关，联络开关采用三极开关[4]。

从断零风险、杂散电流、人身安全、单点故障以及经济效益几方面进行分析，另外也分析单台变压器故障时系统切换对下游设备的影响，主要是分析对主流高频UPS运行的影响。在进行分析前，应对常见的大型数据中心配电系统做一些常见的条件约束。配电系统采用TN-S系统，配电室实现等电位联结，不考虑两个开关同时出问题的叠加故障，另外系统正常运行时，主进线开关A和B均闭合，联络开关断开，检修系统计划或某一变压器故障时，主进线开关A和B一开一闭，联络开关闭合。待分析的电气系统如图1所示。

图1 待分析的电气系统

表1 配电系统对比表

根据以上内容，形成的配电系统对比表如表1所示。

因为断零风险和单点故障通常会引起大范围的故障，对数据中心配电系统的影响较大，因此在建设过程中应避免出现这两个问题。通过表1可以看出，当采用“主进开关三极，联络开关三极，且变压器零线分别接地”和“主进开关三极，联络开关四极，且变压器零线分别接地”的设计时，可以完美的避开断零风险和单点故障。同时，这两种设计在正常运行时，若联络开关采用三极开关，可能会造成杂散电流。综上，建议数据中心在设计建造过程中采用“主进开关三极，联络开关四极，且变压器零线分别接地”的方式。