一点接地系统在数据中心的应用分析

孟 强

(华东建筑设计研究总院，上海 200002)

0 引言

随着数据中心行业的发展日趋成熟，中国数据中心业务市场的增长率已逐步放缓，数据中心的建设更注重可靠性、绿色节能等品质方面的追求。2018年至今，北京、上海、深圳相继出台关于数据中心建设的指导文件，对建设规模、PUE、高新技术的应用均提出了更高的要求。

在数据中心项目中，杂散电流产生的杂散电磁干扰会影响电子信息设备正常运行，UPS断零故障会直接导致UPS宕机、降低供电可靠性，两者均会直接降低数据中心的运行品质。工程中广泛采用的变压器中性点直接接地方式，无法同时解决杂散电流和UPS断零问题。因此，本文通过与一点接地系统的对比分析，指出一点接地是更简单、有效、经济的解决方案，应在工程中推广使用，再结合数据中心备用电源的特点，给出对应多电源一点接地系统的构架。

1 杂散电流与UPS断零

1.1 杂散电流

杂散电流是指中性线电流通过不正规的并联通路返回电源的电流，可能会引起火灾、腐蚀金属管道、产生杂散电磁场干扰电子信息设备的正常工作等危害。

杂散电流的产生原因与解决方案包括：(1)施工错误，如在电气装置内N线与PE线接反、N线被重复接地、N线绝缘破损故障接地等，应通过规范施工工艺、提高施工质量避免错误的发生，并加强运维管理；(2)接地故障时，PE线成为不正规的通路产生杂散电流，若保护电器在规定时间内切断故障，杂散电流通路消失，短时间内杂散电流产生的干扰可忽略不计；(3)系统多点接地导致中性线电流有不正规的通路，需根据系统接地方式合理匹配开关设备才能予以解决，以下将重点分析此问题。

1.2 高频UPS断零

高频UPS是数据中心中最常用的交流不间断电源装置，其典型系统构架如图1所示。根据T/CECS 486-2017《数据中心供配电设计规程》第6.2.3条“UPS设备主路输入(整流器输入)和静态旁路的输入宜分别引自不同的上级输入开关”，在TN-S配电系统下，高频UPS的零电位参考点由配电系统中性线提供，为节约线缆，通常主路为三根相线，旁路线缆为三根相线、N线及PE线。UPS系统一旦失去零电位参考点，会发生转蓄电池供电甚至宕机故障，极大影响数据中心供电的可靠性。

图1 高频UPS系统图

UPS断零故障的产生与解决方案包括：(1)线缆故障，如N线电缆接头安装不牢靠、N线绝缘破损故障接地等，应通过规范施工工艺、提高施工质量避免故障的发生，并加强运维管理；(2)供配电系统运行模式切换导致UPS断零，需根据系统接地方式合理匹配开关设备才能予以解决，以下将重点分析此问题。

2 双电源接地系统

2.1 双电源一点接地系统

以双重电源供电的A级数据中心为例，两台变压器为一组，组成双电源系统为负载供电。为防止工作电流通过不期望的路径产生杂散电流，根据GB/T 16895.1-2008《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》第312.2.1.2条“不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接；在诸电源中性点间相互连接的导体(PEN)与PE导体之间，应只连接一次，这一连接应设置在总配电屏内”，即应采用双电源一点接地系统，如图2所示，QF1～3均采用3P开关。

图2 双电源一点接地系统图

(1)杂散电流问题分析

1)运行模式1：双路市电正常，两台变压器分别运行，QF1、QF2闭合，QF3断开；系统为一点接地，电气装置N线上的电流如图2中虚线箭头路径所示，只有一个流通路径，无杂散电流。

2)运行模式2：变压器T2侧失电，系统由变压器T1供电，QF1、QF3闭合，QF2断开；系统为一点接地，电气装置N线上的电流如图中虚线箭头路径所示，只有一个流通路径，无杂散电流。

3)运行模式3：变压器T1侧失电，系统由变压器T2供电，QF2、QF3闭合，QF1断开；系统为一点接地，无杂散电流。

4)运行模式4：双路市电失电，变压器退出运行，QF1～3断开，UPS下负荷由UPS供电；系统为一点接地，无杂散电流。

(2)UPS断零问题分析

在上述4种运行模式下及4种模式切换过程中，系统N线始终与PE线连接，不会产生UPS断零故障。值得注意的是，UPS的主旁路均应采用3P开关。

2.2 双电源多点接地系统

与上文2.1相同，A级数据中心中两台变压器为一组，按GB 50303-2002(旧版规范，已作废)《建筑电气工程施工质量验收规范》第5.1.2条“接地装置引出的接地干线与变压器的低压侧中心点直接连接；接地干线与箱式变电所的N母线和PE母线直接连接；变压器箱体、干式变压器的支架或外壳应接地(PE)”，即变压器中性点直接接地、双电源多点接地系统，如图3所示。

根据开关采用3P、4P的不同，系统有三种配置方案，每种方案有四种运行模式(如上文2.1所述)，对应杂散电流问题分析汇总如表1所示。

(1)杂散电流问题分析

以方案2(QF1～2为3P、QF3为4P)为例。

1)运行模式1：双路市电正常，两台变压器分别运行，QF1、QF2闭合，QF3断开；N线在QF3处被断开，两台变压器各成系统，均为一点接地，电气装置N线上的电流如3图实线箭头路径所示，只有一个流通路径，无杂散电流。

不同开关配置方式及不同模式下的杂散电流 表1

图3 双电源多点接地系统图

2)运行模式2：变压器T2侧失电，系统由变压器T1供电，QF1、QF3闭合，QF2断开；N线在QF3处被连接，系统为两点接地，电气装置N线上的电流如图3箭头路径所示，有多个流通路径，有杂散电流；值得注意的是，虚线箭头路径仅示出了其中一种，N线电流还可能流经与接地装置连接的金属管道、接地扁钢等。

3)运行模式3：变压器T1侧失电，系统由变压器T2供电，QF2、QF3闭合，QF1断开；系统为多点接地，有杂散电流。

4)运行模式4：双路市电失电，变压器退出运行，QF1～3断开，UPS下负荷由UPS供电；系统为一点接地，无杂散电流。

(2)UPS断零问题分析

1)方案1、方案2，在4种运行模式下及4种模式切换过程中，系统N线始终与PE连接，不会产生UPS断零故障。

2)方案3，在模式1～3下，N线始终与PE线连接，无UPS断零故障；在模式4下，N线与PE线断开，会发生UPS断零故障。

3)方案3，在模式1向模式3转换时，需先断开QF1再合上QF3，在此过程中N线与PE线断开，会发生UPS断零故障，通常此过程会持续数秒至数十秒；模式1向模式2转换时，同理，会发生UPS断零故障。

2.3 综合对比分析

双电源一点接地系统与多点接地系统除了在杂散电流、UPS断零问题上有较大差别外，开关的选用、系统接地线缆的数量都会对工程造价产生影响，两种接地方式的综合对比分析如表2所示。

两种接地方式综合对比分析 表2

由表2可知，双电源多点接地系统，无法同时满足无杂散电流、无UPS断零故障的实际使用需求；4P开关的使用增加了工程造价，但是仅能在某些运行模式下解决杂散电流问题；由于采用了变压器中性点直接接地的方式，接地线缆是一点接地系统的两倍，线缆费用高。而双电源一点接地系统不仅无杂散电流和UPS断零问题，而且开关、线缆的费用均较低。

现行版GB 50303-2015《建筑电气工程施工质量验收规范》第5.1.2条“柜、台、箱、盘等配电装置应有可靠的防电击保护；装置内保护接地导体(PE)排应有裸露的连接外部保护接地导体的端子，并应可靠连接”，也取消了原2002版规范中对变压器中性点直接接地的要求。国标图集14D504《接地装置安装》第93～95页给出了多电源一点接地系统的示例。因此，一点接地不论是从理论分析、国家标准还是工程造价角度，都是值得在工程中广泛推广使用的系统接地方式。

3 多电源一点接地系统

在数据中心中，备用电源多采用柴油发电机组，10kV柴油发电机组接至10kV母线后给变压器供电，其低压配电系统仍可采用图2所示的一点接地系统；0.4kV柴油发电机组需在0.4kV侧与市电进行切换，根据柴油发电机组的位置不同，一点接地系统构架需做相应的调整。以下以两台变压器和一台柴油发电机组切换为例介绍多电源一点接地系统，实际项目中的柴油发电机组配置方案可参考18DX009《数据中心工程设计与安装》第35页的其他方案。

3.1 发电机距变压器较近

柴油发电机组距变压器较近时，如发电机房与变电所在同一栋建筑内毗邻，可共用一组低压配电柜，发电机组与变压器通过双电源自动转换装置(ATS)进行切换，如图4所示。

图4 发电机距变压器较近时的多电源一点接地系统图

变压器、发电机组均引出A、B、C及PEN线，经ATS转换后接至低压配电柜，QF1～4均采用3P开关，PEN线与PE线在低压配电柜内只连接一次，电气装置N线电流只有一个流通路径，系统各种情况下均无杂散电流。值得注意的是，电源是经过ATS转换后供至UPS装置，ATS需要采用均有中性线重叠功能的装置，以保证在电源切换时，不产生UPS断零故障。

3.2 发电机距变压器较远

发电机组运行时振动、噪声大，而且对进排风的要求高，为减小其对数据中心的影响，可采用室外集装箱式柴发机组或独立的柴油发电机建筑。此时，发电机距变压器较远，两者间的联络母线阻抗增大，如果发电机需经变电所内一点接地而实现其系统接地，则过大的故障回路阻抗对短路电流的限制将降低发电机过电流防护动作的灵敏度。因此，发电机组与变压器宜作为两个独立的一点接地系统考虑，此时多电源一点接地系统如图5所示。

图5 发电机距变压器较远时的多电源一点接地系统图

两台变压器组成一个一点接地系统，发电机组为另一个一点接地系统，通过双电源自动转换装置(ATS)进行切换后供给数据中心电气装置。QF1～6均采用3P开关，各种运行模式下，电气装置N线电流只有一个路径返回电源，均无杂散电流产生。同时，为保证UPS装置不发生断零故障，ATS需采用具有中性线重叠功能的装置。

4 结束语