数据中心设计多电源系统变压器点接地方式探讨

本文讨论大型数据中心多电源系统的变压器0.4kV侧中性点接地方式实际应用中的常见问题,主要包括0.4kV侧中性点接地、低压母联柜平面布置。结合规范和项目案例,为大型数据中心规划、设计、施工阶段的电气工程提供参考建议。

一 引言

随着数据中心发展日趋成熟,建设工程的增长率已减缓,零售型和批发型的建设方愈加重视合规性、可靠性、绿色、节能、碳中和等品质。大型数据中心的电气架构趋于相同,但各子系统架构细节,很多点需要仔细斟酌。本文通过对大型数据中心多电源系统的变压器0.4kV侧中性点接地方式探讨,从实施阶段的采购、设计、施工等维度探讨工程中的实际问题,为项目规划设计提供可行建议,保证电气整体架构的安全合理性。

二 数据中心配电系统标准

GB50174-2017《数据中心设计规范》规定:A级数据中心应满足容错要求[1]。A级数据中心配电架构应具有两套或两套以上的系统,在同一时刻,至少有一套系统在正常工作。按容错系统配置的基础设施,在经受住一次严重的突发设备故障或人为操作失误后,仍能满足电子信息设备正常运行的基本需求。A级数据中心供配电系统架构主要有三种:2N、DR、RR。我国内A级大型数据中心供配电系统主要以2N架构居多。数据中心应由专用配电变压器或专用回路供电,变压器宜采用干式变压器,变压器宜靠近负荷布置。数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备,其配电系统应采用TN-S系统。本文主要以2N供配电架构,低压配电系统为TN-S系统为基础作探讨分析。

三 数据中心规划设计时的常见问题

3.1关于多电源系统变压器0.4kV侧中性点接地方式探讨

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、供电架构可靠性降低,两者均会导致数据中心的运行品质下降。实际工程案例中配电变压器中性点无非采用一点接地亦或直接接地,避免中性导体产生分流,以下针对变压器0.4kV侧中性点接地方式展开探讨。

大型数据中心实际运行期间变压器运行策略主要见表1。

变压器0.4kV侧中性点在直接接地系统中有时接地电流太大,严重损坏电气设备和线路,致使系统工作不稳定,且对电信线路造成强烈干扰。变压器0.4kV侧中性点直接接地,为了应对杂散电流问题,通常变压器进线断路器QA1、QA2及母联断路器QA3采用4P极性配置方案。图1为多电源系统变压器中性点直接接地接线做法。

根据上述变压器运行场景策略,分析多电源系统变压器在中性点直接接地系统在切换场景策略时,电气装置N线上电流的流向,如图1中红色箭头路径所示，只有一个流通路径，无杂散电流。但在场景4条件下，N线与PE线会断开，若下游有UPS电气设备，则会产生断零故障。另外在场景1向场景2切换或场景1向场景3且换时，同样会出现断零故障。

GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》[3]第7.1.2条规定:对于具有多电源的TN系统,应避免工作电流流过不期望的路径;不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接;电源中性点间相互连接的导体与PE之间,应只一点连接,并应设置在总配电屏内。多电源系统变压器中性点一点接地方式的主要目的是避免中性导体产生分流和在线路周围产生电磁场及电磁干扰,通常变压器进线断路器QA1、QA2及母联断路器QA3采用3P极性配置方案。图2为多电源系统变压器中性点一点接地接线做法。   根据上述变压器运行场景策略,分析多电源系统变压器在中性点一点接地系统在切换场景策略时,电气装置N线上的电流的流向,如图2中红色箭头路径所示,只有一个流通路径,无杂散电流。场景模式切换过程中,系统N线始终与PE线连接,不会产生断零故障。　
　　

  3.2关于低压柜母联柜平面布置探讨   实际工程案例中,数据中心配变电所的母联柜设备布置有两种方式。 布置方案1:进线柜与母联柜相邻布置(图3); 　　

布置方案2:母联柜在低压成套柜最末端布置(图4)。　　
　　

GB/T16895.10-2010《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》规定:变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应是绝缘的,这种导体的功能类似于PEN,然而不得将其与用电设备连接,为此需在其上或其旁设置警示牌。GB/T50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》[3]规定:对于具有多电源的TN系统,应避免工作电流流过不期望的路径;不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接;电源中性点间相互连接的导体与PE之间,应只一点连接,并应设置在总配电屏内。  

配电室平面布置图(图4)中多电源系统变压器为一点接地方式,PEN导体在母联柜内做一点接地,用电设备在一个接地点之前接入配电系统,PEN导体与用电设备直接连接。当发生接地故障时,PEN导体上流过故障电流,此时接入PEN导体的用电设备的中性线上可能出现危险故障电压,危及人身安全。   配电室平面布置图(图3)中多电源系统变压器为一点接地方式,PEN导体在母联柜内做一点接地,用电设备在一个接地点之后接入配电系统,PEN导体在一个接地点分为PE导体和N导体,PEN导体不与用电设备直接连接。当发生接地故障时,直接泄入大地,不会危及人身安全。   显然配电室平面布置图(图3)与多电源TN系统单母线分段接线为一点接地的接线方式更加匹配,实际工程应按照配电室平面布置图(图3)执行。　

  四 数据中心案例应用分析 　　

某大型A级数据中心项目案例中,备用电源采用高压柴油发电机组,10kV柴油发电机组接至10kV并机母线后给变压器供电,采用2N配电架构系统,其变压器0.4kV侧中性点采用图2所示一点接地系统,两台变压器集中一点接地,三台断路器均采用3P,PEN导体在母联柜内做一点接地。图5为实际案例母联柜内一点接地增设N-PE铜排解决方案。低压柜母联柜布置方式采用按照配电室平面布置图(图3)执行。

多电源系统变压器中性点的一点接地与直接接地,除在杂散电流、UPS断零问题上有较大差别外,断路器选用、系统接地线缆都会对工程造价产生影响。

如上述举例,总容量为20000kVAA级数据中心项目,供电架构系统为2N,变压器数量为8×2500kVA,变压器的出线断路器数量为8×5000A,母联断路器数量为4×4000A。若多电源变压器中性点直接接地系统时,变压器进线和母联断路器的极性为4P,市面一线品牌的框架空气断路器5000A/4P和4000A/4P售价约10万/台,总造价金额为120万。若多电源系统变压器中性点一点接地系统时,变压器进线和母联断路器的极性为3P,市面一线品牌的框架空气断路器5000A/3P和4000A/3P售价约7万/台,总造价金额为84万。
 

两种接地方式造价相差36万,值得注意,此处还未计算接地电缆的造价。多电源系统变压器中性点直接接地方式,极性4P断路器的使用增加造价,仅在某些运行模式解决杂散电流问题。而多电源系统变压器中性点一点接地方式,不仅无杂散电流和UPS断零问题,且断路器、线缆、工程安装的费用均较低。

五 结语 　　

多电源变压器中性点一点接地,无论是从电气原理或工程实践;还是相关规范、工程造价等各维度,都值得在数据中心工程中广泛推广应用的系统接地方式。值得注意的是,多电源系统变压器中性点方式要遵守当地《10kV及以下业扩受电工程典型设计》及施工地所属的供电部门审核意见为准,以免工程实施受阻。

参考文献

[1]GB50174-2017数据中心设计规范[S].2018.　　

[2]18DX009数据中心工程设计与安装[S].2018.　　

[3]GB/T50065-2011交流电气装置的接地设计规范[S].2012.　　

[4]GB/T16895.10-2010低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护[S].2011. 　

作者简介

刘斌，男,现任鹏城金云科技有限公司电气系统架构师。从业以来一直从事柴发动力、数据中心电气架构规划及交付相关方向,主导多个大型数据中心项目的电气规划,涉及境外店商平台、国内互联网头部企业、金融证券领域等,积累了丰富的项目经验。

编辑：黄飞