A级IDC机房制冷系统配电分析

华信咨询设计研究院有限公司 方学问 韩剑峰

近年来随着云计算技术的快速发展，数据中心的规模也逐渐变大，开始出现几百到上千个机柜的中型数据中心。单机柜功率密度不断提高，5kW、7kW、10kW 甚至几十kW 功率机柜已逐步成为常规配置。高功率密度化对空调系统的制冷及机房散热提出了更高的要求，空调系统短时间的供冷中断都会造成IT 设备过热宕机，如何保障数据中心空调系统的能长期、持续、稳定的为数据中心机房提供所需的环境温度、湿度，为制冷与空调提供电力支持的供配电系统是制冷与空调设施的重要组成。

1 数据中心空调系统概述

传统的冷冻水系统采用集中式冷源，冷水机组制冷效率高，冷却塔放置位置灵活，可有效控制噪音并利于建筑立面美观。发改环资（2019）1054号《绿色高效制冷行动方案》中提到鼓励使用液冷服务器、热管背板、间接式蒸发冷却、行级空调、自动喷淋等高效制冷系统，因地制宜采用自然冷源等制冷方式，推动与机械制冷高效协同，可大幅提升数据中心能效水平。

当数据中心规模较大且建设地的水资源供应有保证时，数据中心冷源系统宜采用水冷式冷冻水系统。目前大部分数据中心采用典型的空调水冷系统，其结构基本都是由以下三大部分组成：由冷却塔+冷却水泵+冷却水供水及回水管路组成的空调冷却水系统；由冷水机组+冷冻水泵+冷冻水供水、回水管路组成的空调冷冻水系统；由分水器+末端空调+集水器+冷冻水泵组成的空调制冷量分配系统。

2 数据中心冷源系统配电分析

2.1 数据中心的分级

根据数据中心的使用性质、数据丢失或网络中断在经济或社会上造成的损失或影响程度数据中心应划分为A、B、C 三级。A 级数据中心的要求包括电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失和电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。

2.2 负荷等级及供电要求

《数据中心设计规范 GB50174-2017》规定：A 级数据中心的供电电源应按一级负荷中特别重要的负荷考虑。A 级数据中心冷源系统配电应采用放射式配电系统，双路电源（其中至少一路为应急电源），末端切换，其中末端冷冻水泵需采用不间断电源系统供电；《民用建筑电气设计标准 GB51348-2019》规定：当主体建筑中有一级负荷中的特别重要负荷时，确保其正常运行的空调设备宜为一级负荷；《数据中心制冷与空调设计标准T/CECS 487-2017》规定：A 级数据中心应由双重电源供电并应设置备用电源。需设置连续供冷装置的数据中心，冷冻水末端循环泵、主机房的末端空调风机、散热量较高的不间断电源间的末端空调风机等设备应采用双路电源供电，末端切换，至少一路电源应由不间断电源供电。当制冷系统的放冷泵与末端冷冻水循环泵不共用时，放冷泵也应设置不间断电源。

为避免电力中断引起制冷与空调操控系统的控制器数据丢失、状态混乱或恢复时间过长，不间断电源供电可保证控制器的记录和分析过程处于预设范围[1]。根据冷却设施的功能要求明确规定控制阀电力故障时的状态，阀门状态设置错误易导致冷却设施运行失常，不满足冷却要求，因此控制阀门电源采用不间断电源可减少或避免此类故障。

2.3 冷源系统配电电源情况及配电架构分析

2.3.1 冷源系统配电电源情况分析

冷水机组按电压等级分有高压机组(10kV)、低压机组(380V)，一般情况下因低压电机受限于电缆及电机线圈载流量问题容量受限，相比之下高压机组可做到单机容量更大，冷水机组按4台3用1备配置。冷冻水泵、冷却水泵及冷却塔采用380V 低压，分别按4台3用1备配置。

2.3.2 配电电源系统分析

10/0.4 kV 变电所高压侧采用单母线独立运行，两段母线间不设联络，两路10kV 电源同时工作，分别向两段母线供电。采用10kV 柴油发电机作为备用电源。两路电源的备用和切换功能由计算机综合继电保护装置完成；变压器低压侧采用单母线分段运行，开关与主开关之间设闭锁装置，当一台变压器故障或检修退出运行时联络开关自动闭合，另一台变压器能负担全部负荷；外电网一旦停电，UPS能在设备所允许的极短时间内(微秒至毫秒级)自动从备用能源经逆变器变换成电压、频率和相位都与原供电电源相同的电能继续向冷冻水泵、冷机控制系统级阀门供电，满足数据机房的连续制冷系统。

2.3.3 配电系统架构分析

2.3.3.1 冷源系统选用高压冷水机组+冷却塔+冷却水泵+冷冻水泵系统

10kV 高压冷水机组运行特点：机组启动时启动电流小，对电网的冲击较小。在机组运行时运行电流小，会节省一定的电能及配电级数；冷水机组的电机运转时都会对电网产生谐波干扰，谐波电流会使变压器、电动机等损耗增加、温度上升、绝缘加速老化。高压启动柜需采用耐高压元器件，电器等级要求严格，防电弧、耐击穿性能等，要求等级高。

高压冷水机组的启动方式比较：直接启动。启动电流大（约5～7倍的额定电流），电压降幅较大，对供电系统有较大点冲击，数据中心很少采用直接启动方式；电抗器降压启动：启动时串入电抗器，以限制和降低电机启动时的电流和电网压降，当电机运行稳定且电流达到一定值时，切除电抗器变为电机直接启动模式，最大启动电流为3～4倍额定电流，由于启动过程电机端电压也下降，易导致转矩不够，出现一个二次冲击的过程；自耦变压器启动：

动机启动时利用自耦变压器来降低加在电动机定子绕组上的启动电压。待电动机启动后再使电动机与自耦压器脱离，从而在全压下正运行。最大启动电流为3～4倍额定电流，该方法可按容许的启动电流和所需的启动转矩来选择自耦变压器副边的不同抽头实现降压启动；变频启动：调速范围转宽，可从零转速到工频转速的范围内进行平滑调节。频率的调整是根据电机在低频下的压频比系数进行电压和频率的输出，在低转速下电机不仅是发热量低且输入电压低，将使电机绝缘老化速度降低。

高压冷水机组配电案例分析：在选用高压冷水机组+冷却塔+冷却水泵+冷冻水泵系统时，由于某市供电局要求高压不设置母联，本系统的4台高压冷水机组的电源分别由10kV 的母联段供电，每台冷水机组供电分别设置末端双电源切换柜，采用高压变频启动方式，考虑到电能质量对电网的影响，变频器整流输入应符合IEEE519-1992及GB/T14549-93标准对电压失真和电流失真的要求。满负荷运行时，电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率均应小于2%。在30～100%的调速范围内，变频系统在不外加任何功率因素补偿的情况下输入端功率因数须达到0.95以上。

2.3.3.2 冷源系统选用低压冷水机组+冷却塔+冷却水泵+冷冻水泵系统

低压冷水机组及水泵运行特点：在低压冷水机组及水泵运行时运行电流大，线路的压降大；在设备启动时启动电流大，对系统冲击大；在低压冷水机组及水泵供电系统中,由于D，yn11接线组别的三相电力变压器的存在，利用一次侧绕组的三角形接法为3次及3的倍数次谐波电流提供了环流通路，使其不注入电网,注入电网的只有7、11、13等次谐波电流，可降低谐波电流对10kV 电力系统的影响。

低压冷水机组的启动方式比较：降压启动启动电流小，但启动转矩也小，启动时间长、绕组温升高、启动电器复杂，只在启动条件不满足全压启动条件时，才采用降压启动。低压电机常规启动方式有自耦变压器降压启动、软启动器启动、星一三角启动等；采用变频器控制的电动机具有良好的动态、静态性能。由于变频器本身就是用于电动机调速的装置.因此控制电动机的转速是其基本功能，启动过程可实现任意控制，启动电流小、启动转矩大。

低压冷冻水系统配电案例分析：在数据中心设置4套冷水系统，冷水机组、冷却水泵、冷却塔及冷冻水泵均采用3用1备，冷水机组、冷却水泵及冷却塔采用市电供电，考虑到低压系统设置母联开关，同种设备2台电源分别由低压2段母线直供，另外2台采用末端双电源切换供电。当任一段母线出现故障或者任一台设备出现故障，均能保证3台主要设备正常运行，避免发生单点故障。4台冷冻水泵采用一路市电、一路UPS 供电，2路电源在每台配电柜末端切换后供电。

每台水泵均采用变频启动方式，需在负荷侧装设滤波装置。为减少电源的干扰，可在变频器输入侧设置输入滤波器，为减少电磁噪声，可在变频器输出侧设置输出滤波器；同时滤波器外壳应和变频器外壳牢固连在一起并可靠接地，其目的是建设接触电阻，提高滤波效果。另外，为抑制变频器输入侧谐波电流、改善功率因数，在输入端串联交流电抗器；为改善变频器输出电流质量，可在输出侧串联交流电抗器。

在低压冷冻水系统供电系统中采用变电站集中设置带动态无功补偿装置，使系统的功率因数达到0.95以上,达到电网的要求。

A 级数据中心冷源系统供配电系统设计时，对不同的负荷应依据其性质进行分类、分级，并采用不同的供电方案。冷源系统电源采用双路供电，对于重要的冷冻水泵、冷源控制系统配置UPS 电源，当柴油发电机组作为备用电源时，不间断电源系统的电池备用时间宜不小于15min。配电系统避免单一节点，具备容错功能，保证IDC 设备的连续制冷。