數據中心多電源系統的中性點接地方式探討

本文討論大型數據中心多電源系統的變壓器0.4kV側中性點接地方式實際應用中的常見問題,主要包括0.4kV側中性點接地、低壓母聯柜平面布置。結合規范和項目案例,為大型數據中心規劃、設計、施工階段的電氣工程提供參考建議。

一引言

隨著數據中心發展日趨成熟,建設工程的增長率已減緩,零售型和批發型的建設方愈加重視合規性、可靠性、綠色、節能、碳中和等品質。大型數據中心的電氣架構趨于相同,但各子系統架構細節,很多點需要仔細斟酌。本文通過對大型數據中心多電源系統的變壓器0.4kV側中性點接地方式探討,從實施階段的采購、設計、施工等維度探討工程中的實際問題,為項目規劃設計提供可行建議,保證電氣整體架構的安全合理性。

二數據中心配電系統標準

GB50174-2017《數據中心設計規范》規定:A級數據中心應滿足容錯要求[1]。A級數據中心配電架構應具有兩套或兩套以上的系統,在同一時刻,至少有一套系統在正常工作。按容錯系統配置的基礎設施,在經受住一次嚴重的突發設備故障或人為操作失誤后,仍能滿足電子信息設備正常運行的基本需求。A級數據中心供配電系統架構主要有三種:2N、DR、RR。我國內A級大型數據中心供配電系統主要以2N架構居多。數據中心應由專用配電變壓器或專用回路供電,變壓器宜采用干式變壓器,變壓器宜靠近負荷布置。數據中心低壓配電系統的接地型式宜采用TN系統。采用交流電源的電子信息設備,其配電系統應采用TN-S系統。本文主要以2N供配電架構,低壓配電系統為TN-S系統為基礎作探討分析。

三數據中心規劃設計時的常見問題

3.1關于多電源系統變壓器0.4kV側中性點接地方式探討

在數據中心項目中,雜散電流產生的雜散電磁干擾會影響電子信息設備正常運行,UPS斷零故障會直接導致UPS宕機、供電架構可靠性降低,兩者均會導致數據中心的運行品質下降。實際工程案例中配電變壓器中性點無非采用一點接地亦或直接接地,避免中性導體產生分流,以下針對變壓器0.4kV側中性點接地方式展開探討。

大型數據中心實際運行期間變壓器運行策略主要見表1。

變壓器0.4kV側中性點在直接接地系統中有時接地電流太大,嚴重損壞電氣設備和線路,致使系統工作不穩定,且對電信線路造成強烈干擾。變壓器0.4kV側中性點直接接地,為了應對雜散電流問題,通常變壓器進線斷路器QA1、QA2及母聯斷路器QA3采用4P極性配置方案。圖1為多電源系統變壓器中性點直接接地接線做法。

根據上述變壓器運行場景策略,分析多電源系統變壓器在中性點直接接地系統在切換場景策略時,電氣裝置N線上電流的流向,如圖1中紅色箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。但在場景4條件下，N線與PE線會斷開，若下游有UPS電氣設備，則會產生斷零故障。另外在場景1向場景2切換或場景1向場景3且換時，同樣會出現斷零故障。

GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》[3]第7.1.2條規定:對于具有多電源的TN系統,應避免工作電流流過不期望的路徑;不應在變壓器的中性點或發電機的星形點直接對地連接;電源中性點間相互連接的導體與PE之間,應只一點連接,并應設置在總配電屏內。多電源系統變壓器中性點一點接地方式的主要目的是避免中性導體產生分流和在線路周圍產生電磁場及電磁干擾,通常變壓器進線斷路器QA1、QA2及母聯斷路器QA3采用3P極性配置方案。圖2為多電源系統變壓器中性點一點接地接線做法。根據上述變壓器運行場景策略,分析多電源系統變壓器在中性點一點接地系統在切換場景策略時,電氣裝置N線上的電流的流向,如圖2中紅色箭頭路徑所示,只有一個流通路徑,無雜散電流。場景模式切換過程中,系統N線始終與PE線連接,不會產生斷零故障。

3.2關于低壓柜母聯柜平面布置探討

實際工程案例中,數據中心配變電所的母聯柜設備布置有兩種方式。布置方案1:進線柜與母聯柜相鄰布置(圖3);

布置方案2:母聯柜在低壓成套柜最末端布置(圖4)。

GB/T16895.10-2010《低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》規定:變壓器的中性點或發電機的星形點之間相互連接的導體應是絕緣的,這種導體的功能類似于PEN,然而不得將其與用電設備連接,為此需在其上或其旁設置警示牌。GB/T50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》[3]規定:對于具有多電源的TN系統,應避免工作電流流過不期望的路徑;不應在變壓器的中性點或發電機的星形點直接對地連接;電源中性點間相互連接的導體與PE之間,應只一點連接,并應設置在總配電屏內。

配電室平面布置圖(圖4)中多電源系統變壓器為一點接地方式,PEN導體在母聯柜內做一點接地,用電設備在一個接地點之前接入配電系統,PEN導體與用電設備直接連接。當發生接地故障時,PEN導體上流過故障電流,此時接入PEN導體的用電設備的中性線上可能出現危險故障電壓,危及人身安全。

配電室平面布置圖(圖3)中多電源系統變壓器為一點接地方式,PEN導體在母聯柜內做一點接地,用電設備在一個接地點之后接入配電系統,PEN導體在一個接地點分為PE導體和N導體,PEN導體不與用電設備直接連接。當發生接地故障時,直接泄入大地,不會危及人身安全。

顯然配電室平面布置圖(圖3)與多電源TN系統單母線分段接線為一點接地的接線方式更加匹配,實際工程應按照配電室平面布置圖(圖3)執行。

四數據中心案例應用分析

某大型A級數據中心項目案例中,備用電源采用高壓柴油發電機組,10kV柴油發電機組接至10kV并機母線后給變壓器供電,采用2N配電架構系統,其變壓器0.4kV側中性點采用圖2所示一點接地系統,兩臺變壓器集中一點接地,三臺斷路器均采用3P,PEN導體在母聯柜內做一點接地。圖5為實際案例母聯柜內一點接地增設N-PE銅排解決方案。低壓柜母聯柜布置方式采用按照配電室平面布置圖(圖3)執行。

多電源系統變壓器中性點的一點接地與直接接地,除在雜散電流、UPS斷零問題上有較大差別外,斷路器選用、系統接地線纜都會對工程造價產生影響。

如上述舉例,總容量為20000kVAA級數據中心項目,供電架構系統為2N,變壓器數量為8×2500kVA,變壓器的出線斷路器數量為8×5000A,母聯斷路器數量為4×4000A。若多電源變壓器中性點直接接地系統時,變壓器進線和母聯斷路器的極性為4P,市面一線品牌的框架空氣斷路器5000A/4P和4000A/4P售價約10萬/臺,總造價金額為120萬。若多電源系統變壓器中性點一點接地系統時,變壓器進線和母聯斷路器的極性為3P,市面一線品牌的框架空氣斷路器5000A/3P和4000A/3P售價約7萬/臺,總造價金額為84萬。