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　　傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)

　　在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)當中，數(shù)據(jù)中心的主進線先至配電柜(配電柜一般額定功率為50~500kW)，配電柜一般配有大型電力變壓器用以轉(zhuǎn)換電壓或改善電力質(zhì)量。然后，配電柜將主進線分配成一定數(shù)量的分支電路(一般額定功率為1.5~15kW)為IT設(shè)備配電。每臺IT機柜使用一條或多條分支電路。IT機柜的布線通常要求使用硬管或軟管，一般部署在高架地板之下。

　　在傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)推出之時數(shù)據(jù)中心內(nèi)僅有數(shù)量非常少的大型IT設(shè)備。那時，除了對IT設(shè)備進行重要升級時執(zhí)行計劃宕機外，很少會對此進行變更。

　　面臨的挑戰(zhàn)

　　當下，數(shù)據(jù)中心用電方面已然發(fā)生了巨大變化，特別是面臨著功率密度升高、獨立IT設(shè)備數(shù)量不斷增加、需要在現(xiàn)有IT設(shè)施部署的基礎(chǔ)上添減設(shè)備等難題，而這些難題給傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)帶來了很大的挑戰(zhàn)。較之過去數(shù)據(jù)中心內(nèi)寥寥數(shù)個大型IT設(shè)備，現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心內(nèi)可能裝有上千臺帶有獨立電源線的插接設(shè)備，這就需要更多的電源插座。

　　在數(shù)據(jù)中心生命周期內(nèi)，機柜內(nèi)的IT設(shè)備更換頻繁，常常需要更改功率或在機柜處增減插座。由于功率需求的變化，處于運作中的數(shù)據(jù)中心時常要在不*附近IT負載的情況下添加電路。單位機柜功率密度顯著提高，單位機柜內(nèi)部的支電路數(shù)量也相應(yīng)增多，大量電線導管充塞地板下的通風空間，會導致氣流阻塞，也加大了更改布線的難度。分支電路斷路器連接的IT設(shè)備數(shù)量常常遠不只一臺，這就很難估算分支電路尺寸或判斷是否臨界過載。現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心普遍安裝雙路供電系統(tǒng)，必須確保所有電路負載均不超過50%.

　　然而，目前尚沒有任何辦法對其進行監(jiān)控或規(guī)劃。雖然人們已經(jīng)普遍意識到了這些問題，市場上也出現(xiàn)了各種相應(yīng)的產(chǎn)品，但由于仍使用了傳統(tǒng)的配電架構(gòu)，導致一些新建的數(shù)據(jù)中心處于以下窘境：數(shù)據(jù)中心操作員不得不帶電更換電路(熱作業(yè));操作員無法判斷哪些電路臨界過載，或當一條電路斷電時哪些電路可能過載;地板下的供冷空間被大量的纜線阻塞，減少了現(xiàn)代IT設(shè)備的通風量;配電柜的占地面積過大，對地板承重能力要求過高;由于沒有足夠的分支電路，配有大型變壓器的配電柜無法得到充分利用;配有大型變壓器的配電柜產(chǎn)生大量廢熱，必須對其制冷，導致數(shù)據(jù)中心效率降低。

　　優(yōu)化配電架構(gòu)以應(yīng)對數(shù)據(jù)中心發(fā)展需求

　　優(yōu)化目標

　　通過優(yōu)化，可打造高效、可擴展、可重新配置的數(shù)據(jù)中心配電架構(gòu)，其具備以下特征：可在運行的系統(tǒng)中安全新增或變更電路;無需在地板下敷設(shè)纜線;可對所有的電路功率進行監(jiān)控;可遠程監(jiān)控所有斷路器狀態(tài);可隨時對IT區(qū)域或相關(guān)配電區(qū)域進行部署;IT機柜僅通過一根線纜滿足所有功率需求;IT人員可自行更換使用IT機柜上的插座型號;可對每條支電路的容量及冗余進行管理;無需使用過量的銅線;效率高。

　　大型數(shù)據(jù)中心場景

　　對于較大的數(shù)據(jù)中心，在安裝一組機柜時，小型的模塊化配電柜也會被同時安裝，并插接上方的母線槽。不同于傳統(tǒng)斷路器面板的導線線頭事先未經(jīng)過處理，模塊化配電柜使用的是安裝有預(yù)先端接防電擊斷路器模塊的背板。模塊化配電柜內(nèi)起初并未安裝分支電路模塊。從模塊化配電柜到IT機柜的電源電路均使用軟線纜連接，這些線纜需在現(xiàn)場插接到模塊化配電柜的正面，以滿足每臺機柜的不同需要。IT機柜的分支電路線纜為預(yù)先端接，同時配有可插接模塊化配電柜防電擊背板的斷路器模塊。對于需要使用專門分支電路的設(shè)備而言，例如大多數(shù)的刀片服務(wù)器，一根配電柜線纜內(nèi)含有1～3個分支電路，這些線路直接插接刀片服務(wù)器，無需額外機柜級配電柜(比如配電盤)。當機柜內(nèi)的設(shè)備進行混合部署時，可使用提供額定電流且可更換插座的機柜式配電柜。在該系統(tǒng)中，新增IT機柜行配備有配電柜以及所有配套分支電路電線、條形機柜插座，可在1h內(nèi)安裝完成，無需任何切線或端接操作。

　　小型數(shù)據(jù)中心場景

　　300kW以下的小型數(shù)據(jù)中心可采用簡化架構(gòu)，其組成元件及工作原理與大型數(shù)據(jù)中心相同。對于只允許使用一到兩個配電柜的小型數(shù)據(jù)中心，用傳統(tǒng)導管及電線將模塊化配電柜直接連接至關(guān)鍵母線的方法往往更加經(jīng)濟。小型數(shù)據(jù)中心也可以采取一種更為簡化的方案，即將模塊化配電柜直接集成于UPS系統(tǒng)，構(gòu)成一個可安放于IT房間并與IT機柜排成一行的緊湊部署方案。這樣便可省去利用主母線布線環(huán)節(jié)，同時也無需額外準備電源安置空間。至于很小的數(shù)據(jù)中心或形狀不規(guī)則的數(shù)據(jù)中心，采用小型模塊化配電單元則極為適合。

　　改造、升級應(yīng)用場景

　　現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心的升級往往涉及許多個數(shù)據(jù)中心項目，擴容或安裝高密度區(qū)域項目是其中最為普遍的。相比安裝傳統(tǒng)配電柜，模塊化配電系統(tǒng)的安裝過程要來得簡單方便許多，尤其適用于這些改造項目。在為現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心安裝新的傳統(tǒng)配電柜時會面臨一連串挑戰(zhàn)，而模塊化配電系統(tǒng)卻可將多數(shù)的挑戰(zhàn)難題一并“解決”。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，模塊化配電柜可與現(xiàn)有傳統(tǒng)配電柜共處運行。在這些改造方案中，傳統(tǒng)配電柜的安裝常常受限于各種歷史局限，不使用吊頂母線槽元件，每個配電柜均由傳統(tǒng)管道及電線連接至主母線。模塊化配電柜在升級傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心時最重要的優(yōu)勢為：由于線纜均置于吊頂線纜槽之內(nèi)，其安裝不會加劇地板下氣流阻塞現(xiàn)象。

　　配電監(jiān)控

　　在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中，可能有數(shù)以百計的斷路器處于負載狀態(tài)。而經(jīng)過優(yōu)化的配電系統(tǒng)采用更高容量的機柜供電，其斷路器數(shù)量較之一般系統(tǒng)減少20%～40%.即使這樣，系統(tǒng)中仍存在諸多電路，這些電路可分為4個級別：UPS主母線、配電柜輸入、分支電路、插座。模塊化配電系統(tǒng)采用內(nèi)置電流及能源監(jiān)控，可對各個級別的每條線路做到了如指掌。除此之外，配電柜的分支電路斷路器也處于監(jiān)控之中，以便實時掌握其工作狀態(tài)。所有監(jiān)控均通過簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議(SNMP)公開標準協(xié)議進行通訊。容量管理軟件可對系統(tǒng)中每條電路實施監(jiān)控，增強安全系數(shù)，驗證冗余并對現(xiàn)有容量進行確認。①XX企業(yè)的二臺30kVAUPS,電池是12V/65Ah,其中一臺發(fā)生電池起火冒煙。煙霧非常大,整個配電室全是煙霧,電氣工作人員帶防毒用具進入配電室進行操作,因未見明火,消防隊到現(xiàn)場沒有處置,由電氣工作人員進行操作,用風機排煙。現(xiàn)場情況是UPS轉(zhuǎn)旁路工作,有幾塊電池燒壞。圖1為電池燒壞的場景。

　　UPS經(jīng)過檢查,有過載和變換器故障報警。經(jīng)過測試后,啟動UPS運行正常,UPS設(shè)備沒有損壞。電池柜分為五層,其中四層放置電池,一層放置電池開關(guān)。電池組檢查,共有4塊電池損壞,發(fā)生在電池柜內(nèi)同一層(第三層)。設(shè)備投入生產(chǎn)幾個月,現(xiàn)場分析,電池底部開裂使電解液流出造成電池回路與地短路。

　�、谀晨蒲袉挝坏囊慌_200kVAUPS,一塊電池爆炸,造成UPS內(nèi)部起火,將UPS燒壞。

　　2 事故分析

　　在UPS設(shè)計和施工安裝時,通常是將電池架或電池柜的架體與地線連接,以保證電氣安全�？墒钱旊姵赝鈿ら_裂電解液流出時,會造成電池對地線構(gòu)成回路,致使發(fā)生電池組和UPS故障,甚至嚴重故障。

　　當電池漏液不嚴重時,會造成整流器電流過載,整流器關(guān)閉,逆變器停機,UPS轉(zhuǎn)旁路工作,不會造成斷電。一般情況下清除故障,并且更換新電池后,設(shè)備可以恢復正常工作。但電池漏液嚴重,并且電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地的短路,就會造成大事故。

　　下面按不同電路和拓撲結(jié)構(gòu),對造成事故的因果關(guān)系進行分析。

　　(1) SCR結(jié)構(gòu)整流器

　　SCR結(jié)構(gòu)整流器的原理圖如圖2所示。

　　當電池漏液嚴重,并且電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地短路,發(fā)生因電流太大致使整流器的SCR被擊穿,無法關(guān)閉回路,引起交流電流流入直流系統(tǒng),造成電解電容器(Cx)損壞,并使電解電容器的電解液噴出,因電解電容器中電解液的導電性引起UPS內(nèi)部電氣的短路,故障擴大使其損毀,嚴重時設(shè)備內(nèi)部發(fā)生著火。

　　SCR整流器(相控),都是角形工作方式,當全波整流時，標準電壓380V整流得到540V左右的直流電壓。而當電池組中間某一點與地線短路，增加新的電流回路(如圖2中的實線電流所示)，則整流器的接線方式就變成星形工作方式，而整流器輸出為622V左右的直流電壓，這種升壓的結(jié)果將造成電池組和電解電容器過壓，進而引起嚴重的過電流。SCR擊穿后將無法關(guān)閉整流器，并且交流電流會流入直流電路中，這就會使電池因過電壓充電而損壞甚至起火或爆炸。直流電解電容器也會因電壓升高而損壞，并使電解電容器的電解液噴出，因電解電容器中電解液的導電性引起UPS內(nèi)部電氣的短路,故障擴大，致使其損毀,更嚴重時設(shè)備內(nèi)部著火。

　　(2) IGBT結(jié)構(gòu)整流器

　　IGBT結(jié)構(gòu)整流器的原理圖如圖3所示。

　　圖中TB1、TB2、TB3構(gòu)成整流電路,C1x和C2x為濾波電容器,提供直流供電,而TB4構(gòu)成一個Buck/Boost電路結(jié)構(gòu),電路在市電正常時供給電池組充電(電路工作在Buck方式)。當市電故障時,電池組向C1x和C2x供電,并保障直流母線電壓的穩(wěn)定(電路工作在Boost方式)。

　　在市電正常工作情況下,電池漏液嚴重并有電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地短路時,增加了新的電流回路(如圖3中的實線電流所示),就會有大電流經(jīng)過TB4(電路工作在Buck方式),LM檢測到超過設(shè)定電流時,將會通過控制邏輯電路關(guān)閉TB4中IGBT的工作,使其構(gòu)不成電流的回路。從而降低電池組和UPS設(shè)備損壞的程度。

　　在電池漏液嚴重造成對地短路時,因TB4的二極管的存在,電池組與逆變器及濾波回路放電回路構(gòu)成電流通路,因此在一些UPS制造商設(shè)計時考慮到此,設(shè)計輸入/輸出及電池開關(guān)時采用接觸器或空氣開關(guān)安裝脫扣器,便于電路異常時,分斷回路,保護設(shè)備的安全。在電路中有異常時,有效地轉(zhuǎn)換到旁路工作,不使后端負荷設(shè)備斷電。這樣的設(shè)計可以對UPS進一步進行保護。

　　3 電池架或電池柜安裝問題

　　為電氣和人身安全考慮,所有的電氣設(shè)備外殼均接地線。下面提供幾種電池架或電池框的安裝方式。處理好電池安裝及運行維護保養(yǎng)的工作很重要。

　�、僭缭谏鲜兰o70年代引進的UPS配套的電池柜,每四塊電池固定在一個電池托盤(絕緣材料制成)。這樣,電池致使產(chǎn)生漏液也不會造成對地短路的問題。

　�、赬X國大使館的UPS電池柜的每層托板為絕緣材料制成,電池不與金屬架體接觸,有效地解決了電池漏液所造成的對地短路問題。

　�、鄱鄶�(shù)供應(yīng)商和一些使用者,因各種原因?qū)㈦姵刂苯臃旁阼F架上,這樣一來,電池漏液或電池的短路開裂,會使電池組的部分電極與地線連接,造成事故。

　　④也有電池架體上放置絕緣材料或架體不接地線。

　　4 結(jié)束語

　　隨著時代的進步,電路的設(shè)計更加先進全面,但像電池漏液與地構(gòu)成短路這種小概率的事故也要重視。否則,發(fā)生事故會造成很大的損失。為此,提出如下建議:

　�、僭谠O(shè)計方案時,把這些因素考慮進去,可以從絕緣和電氣控制保護等多種方法并用,特別是大型數(shù)據(jù)中心,更要重視;

　�、陔姵氐睦匣�是事故的主因之一,控制好電池工作的環(huán)境溫度,使電池不要因溫度過高而提前老化,訂好制度提前進行更換;

　　③重視運行保障工作,對所用設(shè)備功能了解清楚,電池底部的漏液不易發(fā)現(xiàn),細小的變化會引發(fā)大的故障。