王二超，陶軍偉，尹利華，李 恒

（河南數(shù)字中原數(shù)據(jù)有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來(lái)，隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及區(qū)塊鏈等眾多數(shù)字經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型超大型數(shù)據(jù)中心的安全可靠性也越來(lái)越多的被用戶關(guān)注。有相關(guān)資料表明，2016年數(shù)據(jù)中心平均宕機(jī)成本約74萬(wàn)美元，較2010年增長(zhǎng)37%。2017年5月，英國(guó)航空公司數(shù)據(jù)中心突然發(fā)生電力中斷，在3天內(nèi)總計(jì)取消672個(gè)航班，致使75 000名乘客無(wú)法正常出行，損失超過(guò)1億英鎊。供配電作為數(shù)據(jù)中心最重要的系統(tǒng)，其本身的安全可靠性是衡量一個(gè)數(shù)據(jù)中心安全可靠的最重要因素之一。

1 大型數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)架構(gòu)

對(duì)于大型數(shù)據(jù)中心，在配電系統(tǒng)架構(gòu)上，變壓器通常采用2N模式配置，這也是國(guó)標(biāo)A級(jí)數(shù)據(jù)中心對(duì)變配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中通常會(huì)在2N系統(tǒng)的兩臺(tái)變壓器中增加聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，而如何選擇變壓器出線開(kāi)關(guān)和聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的極數(shù)，保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，是接下來(lái)要討論的主要問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)極數(shù)選擇的考量因素

在討論數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)開(kāi)關(guān)極數(shù)選擇之前，筆者事先搜集了各標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范以及論文中關(guān)于三極開(kāi)關(guān)和四極開(kāi)關(guān)的應(yīng)用結(jié)論，具體如下。

TN-C-S和TN-S系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，應(yīng)采用切斷相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的四極開(kāi)關(guān)，正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)采用四極開(kāi)關(guān)[1]。在TN-C系統(tǒng)中不應(yīng)將保護(hù)接地中性導(dǎo)體隔離，嚴(yán)禁將保護(hù)接地中性導(dǎo)體接入開(kāi)關(guān)電器[2]。在電路中需為防止電流流經(jīng)不期望的路徑，可選用具有斷開(kāi)中性極的開(kāi)關(guān)電器。在兩進(jìn)線一母聯(lián)的電氣系統(tǒng)中，當(dāng)主進(jìn)開(kāi)關(guān)帶有RCD保護(hù)時(shí)，應(yīng)采用四極母聯(lián)開(kāi)關(guān)。末端電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)極數(shù)的選擇與兩電源回路的接地系統(tǒng)類別、兩電源回路是否出自一組配電盤(pán)、系統(tǒng)接地的設(shè)置方式、電源回路有無(wú)RCD、電氣裝置內(nèi)敏感信息設(shè)備的位置以及自備發(fā)電機(jī)站內(nèi)發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)等情況相關(guān)，應(yīng)視具體情況來(lái)決定采用四極開(kāi)關(guān)還是三極開(kāi)關(guān)[3]。

2.1 斷零風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，尤其是部分采用0.4 kV輸入的設(shè)備，斷零可能會(huì)燒毀設(shè)備。排除施工質(zhì)量和線纜質(zhì)量等原因，斷零事故產(chǎn)生的最大原因是在開(kāi)關(guān)選擇時(shí)采用了四極開(kāi)關(guān)，而開(kāi)關(guān)觸頭之間的電阻主要包括膜電阻和收縮電阻。在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中，零線上不平衡電流一般較小，在開(kāi)關(guān)開(kāi)合過(guò)程中，零線上產(chǎn)生的電弧燃燒會(huì)遠(yuǎn)弱于火線上產(chǎn)生的電弧燃燒，從而導(dǎo)致零線上的電阻過(guò)大甚至不導(dǎo)電，造成“斷零”燒設(shè)備的現(xiàn)象。

2.2 雜散電流

IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定從變壓器中性點(diǎn)引出的中性線必須絕緣，且只能在低壓配電盤(pán)內(nèi)與接地的PE母排連接從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接地。這點(diǎn)以外的中性線不得再在其他處接地，中性線電流只能通過(guò)本回路的中性線返回電源。如果中性線電流通過(guò)其他并聯(lián)回路返回電源，則這部分電流被稱作為雜散電流。雜散電流能引起如下的電氣災(zāi)害。

雜散電流可感應(yīng)雜散電磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)能夠干擾敏感信息技術(shù)設(shè)備的正常工作，也可能因不正規(guī)通路或?qū)щ姴涣级蚧穑鸹馂?zāi)。其如果以大地為通路，將會(huì)因電化學(xué)反應(yīng)腐蝕混凝土鋼筋、接地極以及金屬管道等。此外，當(dāng)雜散電流流經(jīng)非正常路徑時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致帶有RCD保護(hù)的主進(jìn)線開(kāi)關(guān)誤動(dòng)或拒動(dòng)，從而擴(kuò)大事故范圍。采用不同極數(shù)的聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)和出線開(kāi)關(guān)對(duì)接地的方式選也不一樣，因此在雜散電流方面也會(huì)出現(xiàn)不同的表征。

2.3 人身安全

標(biāo)稱的工頻安全電壓為50 V。在兩臺(tái)相互聯(lián)絡(luò)的變壓器系統(tǒng)中，當(dāng)1臺(tái)變壓器故障需要檢修時(shí)，另外1臺(tái)變壓器承載全部的用電負(fù)荷。此時(shí)，如果運(yùn)行變壓器因三相不平衡或單相對(duì)零短路導(dǎo)致N線帶電，那么就會(huì)對(duì)故障變壓器處的檢修人員造成一定的人身安全隱患。而采用四級(jí)開(kāi)關(guān)是消除此類隱患的最佳措施。

2.4 單點(diǎn)故障

數(shù)據(jù)中心建設(shè)的從業(yè)人員通常都會(huì)注意到，在Uptime評(píng)級(jí)過(guò)程中，單點(diǎn)故障是一個(gè)很重要的考量因素，尤其是在T4等級(jí)的數(shù)據(jù)中心，幾乎要求所有的聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)都有物理隔離。而在過(guò)往的實(shí)際案例中，Uptime組織基本上沒(méi)有關(guān)注過(guò)相互聯(lián)絡(luò)的兩套低壓配電系統(tǒng)的接地狀況（相互容錯(cuò)的兩套低壓配電系統(tǒng)實(shí)際上可以不做聯(lián)絡(luò)）的原因是多種多樣的，包括IEC要求、GB要求、行業(yè)規(guī)范要求以及通常做法等。因此，在實(shí)施過(guò)程中，有些相互聯(lián)絡(luò)的兩套低壓配電系統(tǒng)（TN-S系統(tǒng)）會(huì)采用在某個(gè)低壓配電盤(pán)處一點(diǎn)接地的做法，而這個(gè)一點(diǎn)接地又與T4等級(jí)的評(píng)級(jí)原則是相互沖突的，這就是所謂的單點(diǎn)故障。當(dāng)唯一的接地點(diǎn)因?yàn)槭鹿蕯嚅_(kāi)時(shí)，相互容錯(cuò)的低壓配電系統(tǒng)整體將會(huì)出現(xiàn)火線對(duì)地懸浮，從而造成大范圍的故障隱患，這是在數(shù)據(jù)中心建設(shè)過(guò)程中應(yīng)極力避免的問(wèn)題。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益

筆者咨詢了若干低壓開(kāi)關(guān)廠家，包括合資品牌及國(guó)內(nèi)高端品牌。在其他電氣參數(shù)一致的前提下，四極開(kāi)關(guān)通常會(huì)比三極開(kāi)關(guān)的價(jià)格高20%～30%，而在大型數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)中，采用四極開(kāi)關(guān)的位置是及其有限的，對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)乃至整體的造價(jià)影響較小。因此，經(jīng)濟(jì)效益在開(kāi)關(guān)極數(shù)選擇中僅作為一個(gè)考量因素，不作為重要因素。

3 低壓配電系統(tǒng)不同極數(shù)開(kāi)關(guān)選擇分析

分析兩臺(tái)變壓器聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)，其系統(tǒng)采用常規(guī)的“三合二”邏輯，這種情況下選用不同極數(shù)開(kāi)關(guān)一共有4種情況。第一種為主進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用三極開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用四極開(kāi)關(guān)；第二種為主進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用三極開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用三極開(kāi)關(guān)；第三種為主進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用四極開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用四極開(kāi)關(guān)；第四種為主進(jìn)線開(kāi)關(guān)采用四極開(kāi)關(guān)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用三極開(kāi)關(guān)[4]。

從斷零風(fēng)險(xiǎn)、雜散電流、人身安全、單點(diǎn)故障以及經(jīng)濟(jì)效益幾方面進(jìn)行分析，另外也分析單臺(tái)變壓器故障時(shí)系統(tǒng)切換對(duì)下游設(shè)備的影響，主要是分析對(duì)主流高頻UPS運(yùn)行的影響。在進(jìn)行分析前，應(yīng)對(duì)常見(jiàn)的大型數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)做一些常見(jiàn)的條件約束。配電系統(tǒng)采用TN-S系統(tǒng)，配電室實(shí)現(xiàn)等電位聯(lián)結(jié)，不考慮兩個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)出問(wèn)題的疊加故障，另外系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，主進(jìn)線開(kāi)關(guān)A和B均閉合，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，檢修系統(tǒng)計(jì)劃或某一變壓器故障時(shí)，主進(jìn)線開(kāi)關(guān)A和B一開(kāi)一閉，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合。待分析的電氣系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 待分析的電氣系統(tǒng)

表1 配電系統(tǒng)對(duì)比表

根據(jù)以上內(nèi)容，形成的配電系統(tǒng)對(duì)比表如表1所示。

因?yàn)閿嗔泔L(fēng)險(xiǎn)和單點(diǎn)故障通常會(huì)引起大范圍的故障，對(duì)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的影響較大，因此在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)避免出現(xiàn)這兩個(gè)問(wèn)題。通過(guò)表1可以看出，當(dāng)采用“主進(jìn)開(kāi)關(guān)三極，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)三極，且變壓器零線分別接地”和“主進(jìn)開(kāi)關(guān)三極，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)四極，且變壓器零線分別接地”的設(shè)計(jì)時(shí)，可以完美的避開(kāi)斷零風(fēng)險(xiǎn)和單點(diǎn)故障。同時(shí)，這兩種設(shè)計(jì)在正常運(yùn)行時(shí)，若聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)采用三極開(kāi)關(guān)，可能會(huì)造成雜散電流。綜上，建議數(shù)據(jù)中心在設(shè)計(jì)建造過(guò)程中采用“主進(jìn)開(kāi)關(guān)三極，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)四極，且變壓器零線分別接地”的方式。

4 結(jié) 論

在造成數(shù)據(jù)中心癱瘓的原因中，供配電系統(tǒng)的產(chǎn)品選型和設(shè)計(jì)架構(gòu)的考慮欠妥所誘發(fā)的電氣癱瘓的危害性最大。本文的過(guò)程分析及結(jié)論主要是針對(duì)新建數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)，合理地采用不同極數(shù)開(kāi)關(guān)不僅能夠保證數(shù)據(jù)中心的正常運(yùn)行，而且能夠避免計(jì)劃?rùn)z修及故障切換時(shí)出現(xiàn)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)，保證新建數(shù)據(jù)中心可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。