试论数据中心的高低压配电系统

2021-05-16张志敏

科学与信息化 2021年12期

关键词：配电室接线分段

张志敏

安徽电信规划设计有限责任公司安徽合肥 230000

引言

根据现行国家标准《数据中心设计规范》GB50174—2017的规定，数据中心可分为A、B、C三个级别，我们应根据数据中心的管理要求、用户性质及其在经济和社会中的重要性确定其级别，不同级别的数据中心应灵活的设计相应的高低压配电系统。

A级数据中心应由双重电源供电，变压器采用2N配置，容错配置的变配电设备应分别布置在不同的物理隔间内；B级数据中心宜由双重电源供电，变压器采用N+1配置；C级数据中心可由两回线路供电，变压器采用N配置。

本文所述的高低压配电系统仅包含负荷需求、10kV外市电、10kV配电系统、10/0.4kV变压器配置、变压器配套的0.4kV配电系统、变配电室。

1 负荷需求

1.1 负荷分类

数据中心的用电负荷应根据其对供电可靠性的要求及中断供电将造成的社会影响、经济损失程度、人身伤害或其相应的重要性，将用电负荷或设备分为一级、二级、三级负荷，负荷分类还应符合现行国家标准《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008的标准。

以某数据中心（A级）工程为例进行负荷分类分析。

（1）一级负荷

1）机房内机柜、配电柜用电负荷（重要）；

2）机房内配套专用空调负荷（重要）；

3）应急照明等消防用电负荷；

4）机房监控用电负荷。

（2）二级负荷

电梯、机房照明、插座等。

（3）三级负荷

公共区域照明、插座等。

1.2 负荷计算

数据中心机房以高密度数据类设备为主的高能耗密度数据机房，根据机房工艺、机房空调、不间断电源、建筑电气等专业提供的设备耗电需求进行市电引入容量计算，同时还应考虑到变压器分配不平衡状态和合理利用率[1]。

以某数据中心为例进行负荷统计计算，计算公式如下：

机房机架负荷=机架数×单机柜功耗=268×5+236×3=2048kW；

空调负荷=机架数×单机柜功耗=21×33+16×8=821kW；

电池充电负荷=250kW；

电梯、消防、建筑照明插座等=390kW；

总负荷=2048kW+821kW+250kW+390kW=3509kW；

主用变压器安装总容量=总负荷×综合系数/功率因数/变压器负载率=3509×0.85/0.95/0.85=3693.68kVA；

如上计算所示，该项目机房内负荷（机柜、空调及电池负荷）在此项目总负荷中所占比重约89%，其余负荷如电梯、消防、建筑照明插座等所占比重约11%。

2 10kV外市电引入

根据现行国家标准《数据中心设计规范》GB50174—2017的规定，A级数据中心应从两座不同的变电站或同一变电站不同段母线分别引入两路10kV电源，且两路10kV电源不应同时出现有计划检修停电；B级数据中心宜引入两路10kV电源（10kV专用线路或公用线路），若只能引入一路10kV电源时，需增设柴油发电机组作为备用电源；C级数据中心若不具备引入10kV电源条件，可就近引入380V电源。

根据表1.2.1计算结果，某数据中心设计引入两路容量均为4000kVA外市电电源，当其中一路外市电断电时，另一路外市电应能满足局站的全部负荷用电。在勘察设计过程中，经济性最优的方案中两路市电电源的敷设路径在多条市政道路中发生汇合，经过设计论证，为避免新建高架桥或者道路发生塌陷等引起两路市电线路同时损坏的情况，两路市电通过不同路由敷设进入局站，此举虽增加了建设成本，但确提高了用电可靠性[2]。

3 10kV配电系统

单路外市电电源供电的数据中心10kV配电系统设计采用单母线（不分段）接线；双路（主、备电源）外市电电源供电的数据中心10kV配电系统设计采用单母线分段接线，也可以采用单母线（不分段）接线。

10kV配电装置一般包括：计量柜、PT柜、进线总柜、出线柜、母联柜、隔离柜、直流屏、市电/发电切换柜（若项目采用10kV柴油发电机组）。

10kV配电系统一般可分为单电源单母线（不分段）接线、双电源单母线（不分段）接线、10kV双电源单母线分段接线3种接线方式。

如图3.1所示，某数据中心项目设计采用的是双电源单母线分段接线的主接线形式，正常供电时，由10kVⅠ段母线向Ⅰ、Ⅱ段母线供电；当10kVⅠ段母线断电时，由10kVⅡ段母线向Ⅰ、Ⅱ段母线供电；当10kVⅠ、Ⅱ段母线均断电时，由10kV柴油发电机组向Ⅰ、Ⅱ段母线供电，10kVⅠ、Ⅱ段的市电/发电切换柜应与市电进线总柜设置互锁装置，避免发电向市电“倒送电”事故[3]。

图3 .1 10kV双电源单母线分段接线（某数据中心）

4 10/0.4kV变压器

10/0.4kV变压器应采用低损耗、低噪音的节能干式变压器，接线组别宜选用D,yn11，与其他设备同室安装时应加装保护外壳，保护外壳的防护等级不应低于IP2X；变压器安装位置要求尽量靠近负荷中心，可完全独立运行。

A级数据中心变压器按2N配置，每套变压器的长期工作负载率不宜超过47.5%；B级数据中心变压器按N+1（1≤N≤3）配置；C级数据中心变压器按N配置；N+1/N配置的变压器长期工作负载率不宜超过85%，不宜低于其额定容量的50%。

5 0.4kV配电系统

变压器采用N配置的数据中心0.4kV配电系统设计采用单母线（不分段）接线；变压器采用2N/N+1配置的数据中心0.4kV配电系统设计采用单母线分段接线。

0.4kV配电装置一般包括：进线总柜、无功补偿柜、出线柜、联络柜、市电/发电切换柜（若项目采用0.4kV柴油发电机组）。

0.4kV配电系统一般可分为单母线（不分段）接线、单母线分段接线2种接线方式。

在变压器低压侧设功率因数自动补偿装置，无功补偿装置应采用成套装置且具备自动投切功能，补偿后功率因数不应低于0.95。

图5 .1 0.4kV单母线分段接线（某数据中心）

如图5.1所示，某数据中心设计采用4台2000kVA干式变压器，用电安装总容量为8000kVA，每2台2000kVA变压器组成一套2N系统，共计2套2N系统。某数据中心0.4kV配电系统采用的是单母线分段接线，正常供电时，断开联络开关，0.4kVⅠ段主变向Ⅰ段母线供电，0.4kVⅡ段主变向Ⅱ段母线供电，每台变压器的长期工作负载率不宜超过47.5%；当其中1台主变断电时，闭合联络开关，由另外1台主变向0.4kVⅠ、Ⅱ段母线供电。某数据中心项目柴发系统采用的是10kV柴油发电机组，故其0.4kV配电系统不需设市电/发电切换柜。

6 变配电室

变配电室设置应满足下列条件

（1）便于外市电电源进线；

（2）接近负荷中心；

（3）不得设在地势低洼或可能积水的区域，不得设在积水区域的正下方；

（4）当供电半径较长、用电负荷较大时，宜分散设置变配电室；

（5）应考虑设备搬运通道、平台或孔洞，设备布置应满足操作、维护的要求，安全净距应符合现行国家标准《20kV及以下变电所设计规范》GB50053和《低压配电系统设计规范》GB50054的规定。

某数据中心项目变配电室设在通信枢纽楼室内一层，由于此项目为A级数据中心，所以容错配置的变配电设备应分别布置在不同的物理隔间内，该项目设计了2座变配电室，分别将双路市电对应的10kV配电装置、2N配置的变压器及其0.4kV配电装置分别设在变配电室A和变配电室B，以达到现行国家标准《数据中心设计规范》GB50174—2017的要求。