数据中心机房电气系统的探讨.doc

1、数据中心机房电气系统的探讨摘要 本文阐述了数据中心机房电气的设计特点,探讨供配电系统负荷分级、供电电源、柴油发电机设置、UPS 系统、自动转换开关(ATSE)的选择、照明系统、防雷与接地系统。 关键词：数据中心 柴油发电机设置 自动转换开关(ATSE)照明系统 中图分类号：TB857 文献标识码： A 绪论 近几年来，随着信息化产业的不断发展，计算机及服务器在各行各业的广泛应用，使得数据中心机房的项目数量、规模大幅增长。数据中心机房由于使用需求的重要性，交叉学科很多，与大多民用建筑的配电有很多不同之处，本文将讨论数据中心电气设计的经常会遇到几个问题，让我们能更注重细节，优化我们的设计。 供配电

2、系统 数据中心机房供配电系统由高压配电、变压器、配电柜、线缆传输、UPS 系统、空调制冷系统配电、照明配电、列头柜、机架 PDU 等环节组成。机房分级 数据中心机房的等级分为 A 级、B 级、C 级。A 级为容错型；B 级为冗余型；C 级为基本型。 符合下列情况之一的电子信息系统机房应为 A 级： 电子信息系统运行中断将造成重大的经济损失； 电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序严重混乱。 符合下列情况之一的电子信息系统机房应为 B 级： 电子信息系统运行中断将造成较大的经济损失； 电子信息系统运行中断将造成公共场所秩序混乱。 不属于 A 级或 B 级的电子信息系统机房应为 C 级。 负荷分级

3、 符合下列情况之一时，应为一级负荷： 中断供电将造成人身伤亡； 中断供电将造成重大影响或重大损失； 中断供电将破坏有重大影响的用电单位的正常工作，或造成公共场所秩序严重混乱。例如：重要通信枢纽、重要的经济信息中心、特级或甲级体育建筑、国宾馆、承担重大国事活动的回堂、经常用于重要国事活动的大量人员集中的公共场所等的重要用电负荷。 在一级负荷中，当中断供电将发生中毒、爆炸和火灾等情况的负荷，以及特别重要场所的不允许中断供电的负荷，应为特别重要的负荷。 负荷下列情况之一时，应为二级负荷： 中断供电将造成较大影响或损失； 中断供电将影响重要用电单位的正常工作或造成公共场所秩序混乱。不属于一级和二级的用

4、电负荷应为三级负荷。 以数据中心机房 A 级为例，用电设备的负荷等级，按其性质分为： 一级负荷：数据中心机房内 IT 设备、精密空调和制冷设备、应急照明、消防、安防、机房环境监控等负荷。 二级负荷：IT 设备机房一般照明、办公、会议等场所。 三级负荷：其余不属于一、二级负荷的为三级负荷。 供电电源 以数据中心机房 A 级为例，供电电源要求两个独立电源供电，两个电源不应同时受到损坏，并要设置柴油发电机作为后备电源。后备柴油发电机的基本容量，应包括不间断电源系统的基本容量、空调和制冷设备的基本容量、应急照明和消防等涉及生命安全的负荷容量。 柴油发电机设置 以数据中心机房 A 级为例，UPS 设备和

5、空调设备必须有柴油发电机作为备用电源，且应有设备冗余。在市政断电的情形下，数据中心机房 UPS在 ms 级起动以满足电子信息设备的电力需求，此时柴油发电机起动和并机，一路供电至冷水机组、水泵等动力设施；另一路经 UPS、PDU 供电至电子信息设备。实际设计到大型数据中心时，柴油发电机的容量往往达到上万千瓦，由于 400V 配电柜的水平母排最大做到 8000A，低压框架开关最大 6300A，无法解决汇流问题，只能采用设备分组的方式解决。符合国家标准电子信息系统机房设计规范GB50174-2008 的相关规定，A级数据中心机房柴油发电机按组设置冗余，这样如果采用 400V 柴油发电机组，单组的设备

6、成本较低，但是系统成本较高，压降和可靠性也不同，所以应尽量考虑使用高压柴油发电机组。 如选用 10KV 柴油发电机组后，应注意以下几个问题： 短路电流：当选用 10KV 机组后，由于线路非常短，系统阻抗小，故短路电流较大。采用高压配电设备提高短路耐受电流的方式不是根本上解决问题的好方式，应该要求柴油发电机生产厂商安排配电系统短路电流配置发电机输出阻抗或短路电流实测数据后，校验一下配电设备的短路耐受性能。 考虑假负载的测试位置和路由：银联对银行数据中心管理有测试演练要求，提到采用带负载切换，但实际使用中通常不会真正采用 UPS 负荷和精密空调负荷来做切换演练，这就需要采用假负载。所以实际设计中，

7、即使没有假负载，也要预留负载切换演练的配电柜和假负载设备电缆出线的路由，以备将来使用。 柴油机设备的供电：由于柴油发电机是整个数据中心机房的电源后备，建议控制系统和柴油发电机房照明的供电应尽量采用 UPS 供电，以确保市电市电的瞬间，柴油发电机的控制系统不能断电，能够保证其可靠启动。 三、UPS 系统 1、UPS 的配置 以数据中心机房 A 级为例，UPS 系统配置至少需要 2N，简单来说就是配置两组每组均能满足负载基本需求容量的 UPS 系统。正常运行时每组 UPS 带载 50%以下，当一组故障时，另一组能带全部负荷。即使两台UPS 同时发生故障，还可以用旁路供电。如果考虑可能的增容，系统输

8、出的开关可以按两台 UPS 的总容量设置，比较可靠的运行方式是带两台总容量的 70%80%。 2N 系统的优点：系统结果简单，为大多人理解并成功运行，运维管理方便，对于运行操作人员要求较低。 2N 系统的缺点：UPS 配置容量大，投资成本高，UPS 经常运行在30%40%的低负载状态下，这时的 UPS 效率偏低，UPS 损耗大，相应为UPS 制冷的空调耗能也将增加。 2、UPS 的选型 目前市场上的 UPS，无论进口还是国产，逆变器部分基本相同，功率器件都采用 IGBT，整流器部分差别比较大。 六脉冲整流器 功率器件采用可控硅，电路比较简单，成本较低，100KVA 以下的UPS 基本都采用此结

9、构形式。 十二脉冲整流器 相对于六脉冲整流器而言，增加了一组整流器和一个移相变压器，谐波含量降低了一半，建设了对电网的污染，成本增加了。 IGBT 整流器 由于 IGBT 是高频的功率器件，采用了脉宽调制技术，低次谐波的含量很小，所以输入功率因数接近于 1，电流谐波相对于六脉冲和十二脉冲整流器要小很多。 总之，UPS 的选型要综合下面几个因素：容量较小的(小于 80KVA)，单机运行，选择基本配置的 UPS 即可，可忽略它可能对电网产生的影响；大容量的 UPS 必须考虑其对电网可能产生的影响，应该要求输入功率因数大于 0.95，输入谐波小于 6%。无论选择哪一种类型的整流器，前端都需要增加滤波

10、器，整机运行效率是一个重要的参数，建议选择知名品牌。四、自动转换开关(ATSE)的选择 自动转换开关电器简称 ATSE，是由一个（或几个）转换开关电器和其他必须的电器组成，用于监视电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。ATSE 分 PC 级和 CB 级两个级别。PC级 ATSE：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的 ATSE。 CB 级 ATSE：配备过电流脱扣器的 ATSE，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。 数据中心机房绝大多数为 IT 设备，供电设备的特殊性，需要高可靠性的电源保障。而 ATSE 的可靠性，不能够从使用多久来衡量，而要看在各种电源故障下能

11、否可靠转换。如果未发生电源故障，就是使用十年，也不能够证明是可靠的 ATSE。 分析两个级别的 ATSE 不同特点，CB 级 ATSE 是：本体使用现成开关操作机构控制电路。CB 级 ATSE 机械联锁复杂：两个断路器+电动机和机械传动机构来操作断路器的把手分断和闭合来实现电路转换的。系统可靠性低：一个功能需要三个独立的单元共同配合完成，任何一个故障，都导致失败实际应用。一体化 PC 级 ATSE 是：整个开关都是完全按照国标要求设计制造，是本体开关没有借助现成的开关而完全重新开发设计的，并不是简单的把控制器捆绑在一起就叫一体化。 所以一体化结构 PC 级 ATSE 的可靠性高于 CB 级 A

12、TSE，所以采用一体化结构的 PC 级 ATSE 更适于在数据中心机房使用。并要符合国家标准电子信息系统机房设计规范GB50174-2008 的相关规定，即市电与柴油发电机的切换应采用具有旁路功能的自动转换开关。自动转换开关检修时，不应影响电源的切换。 五、照明系统 数据中心机房的功能分区，主机房包括服务器机房、网络机房、存储机房等；辅助区包括电信进线间、测试机房、IT 监控室、备件库、维修室等；支持区包括变配电室、发电机房、UPS 室、电池室、空调机房、新风机房、动力站房、环境动力监控值班室、消防设施用房、消防和安防控制室等；行政管理区包括工作人员办公室、门厅、值班室、盥洗室、更衣室等。照明

13、设计应结合机房的功能特点，符合国家标准建筑照明设计标准GB50034-2004 和电子信息系统机房设计规范GB50174-2008 的相关规定，主要场所照度标准如表 5-1 所示。 表 5-1 数据中心机房主要场所一般照明照度标准值及功率密度现行值 房间名称 照度标准值(lx) 功率密度现行值(W/) 服务器设备区 500 18 网络设备区 500 18 存储设备区 500 18 进线间 300 11 监控中心 500 18 测试区 500 18 打印室 500 18 备件库 300 11 数据中心机房照明光源采用光效高、显色性好的三基色 T5 或 T8 直管细管径荧光灯及紧凑型荧光灯。采用低

14、能耗、效率高的电子镇流器。机房灯具安装高度宜与线槽底部相平，布置在设备列架中间。采用配光合理、效率较高的灯具。机房内合理布置照明灯具开关，靠窗的灯具宜单独控制；机房内照明宜采用分区域控制，每个控制区域的灯具宜设置全开、半开两种控制方式。 工作区域内一般照明的照度均匀度不应小于 0.7，非工作区域内的一般照明照度值不宜低于工作区域内一般照明照度值的 1/3。 主机房和辅助区应设置备用照明，备用照明的照度值不应低于一般照明值的 10%；有人值守的房间，备用照明的照度值不应低于一般照明照度值的 50%；备用照明可为一般照明的一部分。 数据中心机房内不应采用 0 类灯具；当采用 I 类灯具时，灯具的供

15、电线路应有保护线，保护线应与金属灯具外壳电气连接。数据中心机房应设置通道疏散照明及疏散指示标志灯，主机房通道疏散照明的照度值不应低于 5lx，其他区域通道疏散照明的照度值不应低于 0.5lx。技术夹层内宜设置照明，并应采用单独支路或专用配电箱供电。 六、防雷与接地系统 数据中心机房的防雷与接地系统,应满足人身安全及电子信息系统正常运行的要求,并应符合现行国家标准建筑物防雷设计规范GB50057-2010 和电子信息系统机房设计规范GB50174-2008 的有关规定。 除了单独建设的数据中心机房外，一般的机房室随主体建筑设置的。随着建筑高度的降低，其电阻值和电压降均会减少，相对而言，其产生危害

16、的可能性也随之降低。因此，对于数据中心机房的位置，希望设置的层数不要过高，越低越好。 关于数据中心机房在建筑平面中所设置的位置，为减少雷电流、电场、感应电流等对设置在其附近的电子信息系统的影响，最有效的方法之一是将数据中心机房设置在建筑物的内区。若无法设置在内区，则考虑将机房内的信息系统供电的线路、插座及信息系统出入口等的设置，离开建筑物外墙，离开防雷引下线通过的柱子及周围一定的距离，即可降低雷电流产生强大磁场对机房中设备的损害。 建筑物防雷设计规范GB50057-2010 中建筑物防雷是采用接闪器、引下线和接地装置，建筑高度超过 45m 的钢筋混凝土结构、钢结构建筑物尚应采取防侧击的保护措施

17、，且建筑还需要考虑等电位保护措施。等电位联结对于信息系统的安全，起到了非常重要的作用。另外在做等电位联结的同时，对于数据中心机房还应设置局部等电位联结，这种做法对于雷击造成的不同接地系统之间的电压差起到良好的抑制作用。 对于数据中心机房主要房间的等电位联结，具体的做法可参考 IT 机房、空调机房、变配电所均应设计等电位联结。IT 机房活动地板下采用50mmX0.5mm 铜箔布成等电位接地网格，网格间距 0.6mX0.6m，并与均压等电位带相连。沿机房四周设置均压等电位带即 30mmX3mm 铜带在活动地板下成环状，金属吊顶板、金属龙骨、金属壁纸、不锈钢玻璃隔墙的金属框架等也用导线与其连接，均压

18、等电位带与预留接地体连接。 对于数据中心机房的接地，宜采用综合接地的形式，其综合接地电阻值的要求，以最小接地电阻为准，不宜均为小于或等于 1，而应视情况来定。 为了防止雷电电磁脉冲的影响，确保系统安全运行，均考虑设置浪涌保护器 SPD，这对系统安全起到重要作用。SPD 的选用应使其能够承受预期通过的雷电流，应能限制线路的过电压，且能熄灭雷电流通过后的工频电流。SPD 的电压保护值应始终小于被保护的冲击耐受电压值。至于要装设多少级 SPD，应根据被保护的信息系统设备的雷电电磁脉冲防护等级来确定。在变配电室低压母线上装设一级 SPD，UPS 输入配电柜、UPS输出总柜、机房空调配电总柜装二级 SPD，PDU 内装三级 SPD。所有其他与室外有关的配电设备和线路均装设一级 SPD。 结论 本文探讨了有关数据中心机房电气的几个主要系统设计，讨论了几个系统设计的一般方法，虽然涵盖了数据中心机房电气设计的一些基本要素，但限于篇幅还有很多内容没有深入讨论，需要我们在今后的设计中不断的总结以往的设计经验，不断的细化和深入。 参考文献 1中华人民共和国工业和信息化部.GB50174-2008 电子信息系统机房设计规范S.北京：中国计划出版社，2009. 2中华人民共和国建设部.GB50034-2004 建筑照明设计标准S.北