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三级配电系统结构型式示意图.doc
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文档介绍：
建筑工程施工用电标准规范
施工现场临时用电安全技术规范JGJ46-2005;
建设工程施工现场供用电安全规范GB50194-93
手持式电动工具的管理体制、使用、检查和维修安全技术规范GB
施工现场临时用电安全技术
在《施工现场临时用电安全技术规范》JGJ46-2005中(以下简称“规范”),以强制性条文的形式明确指出:建筑施工现场临时用电工程专用的电源中性点直接接地的220/380 V三相四线制低压电力系统,必须符合下列规定:
1、采用三级配电系统
2、采用TN-S接零保护系统
3、采用二级漏电保护系统(有些地方采用三级漏电保护方式如武汉)。
以上三项基本技术原则,是建造施工现场用电工程的主要安全技术依据,也是保障用电安全,防止触电和电气火灾事故的主要技术措施。
第一节施工现场临时用电三级配电系统
一、系统的基本结构
图8-1 三级配电系统结构型式示意图
二、系统的设置规则
1、分级分路
(1)从一级总配电箱(配电柜)向二级分配电箱配电分路。
(2)从二级分配电箱向三级开关箱配电分路。如分配电箱所管辖的设备台数较多,可在其下端增设分配电箱。不得在分配电箱的一个回路上接2个以上的开关箱。
图8-2 二级配电中有多级分配电箱时结构形式示意图
(3)从三级开关箱向用电设备配电实行所谓“一机一闸”制,一台用电设备必须有其独立专用的开关箱。
(4)对于单台总功率较大的设备,如塔吊、施工电梯、对焊机等,为保证其能正常工作,不影响相邻的设备,由总配电箱(柜)直接向其专用的开关箱供电。
2、动照分设
动力开关箱与照明开关箱必须分箱设置,不存在共箱分路设置问题。
3、压缩配电间距
(1)分配电箱应设在用电设备或负荷相对集中的场所。
(2)分配电箱与开关箱的距离不得超过30m。
(3)开关箱与其供电的固定式用电设备的水平距离不宜超过3m。
4、环境安全
(1)环境保持干燥、通风、常温,周围无易燃易爆物及腐蚀介质。
(2)周围无灌木、杂草丛生,周围不堆放器材、杂物。
三、配电室的设置
1、配电室的位置
(1)靠近电源,靠近负荷中心。
(2)进、出线方便,周边道路畅通。
(3)周围环境灰尘少、潮气少、振动少、无腐蚀介质,无易燃易爆物,无积水。
2、配电室的布置
(1)配电柜正面的操作通道宽度,单列布置或双列背对背布置时不小于1.5m;双列面对面布置时不小于2m。
(2)配电柜后面的维护通道宽度,单列布置或双列面对面布置时不小于0.8m;双列背对背布置时不小于1.5m,配电柜侧面的维护通道宽度不小于lm。
(3)配电室内的裸母线与地面通道的垂直距离不小于2.5m,小于2.5m时应采用遮栏隔离.遮栏下面的通道高度不小于1.9m。
(4)配电室围栏上端与其正上方带电部分的净距不小于75mm。
(5)配电装置上端(含配电柜顶部与配电母线排)距天棚不小于0.5m。
3、配电室的建筑
(1)配电室的面积满足配电柜空间排列的要求。
(2)配电室天棚的高度距离地面不低于3m。
(3)配电室的门向外开.并配锁,以方便工作人员出入,防止闲杂人员随意出入。
(4)配电室门窗能自然通风和采光。
(5)配电室屋面有保温隔层及防水、排水措施。
(6)配电室建筑结构能避免小动物进入,特别是能防止鼠类等小动物进入电器、母线间造成短路故障或咬坏电线、电缆。
(7)配电室建筑的耐火等级不低于三级.同时室内配置砂箱和可用于扑灭电气火灾的灭火器。
4、配电室的照明
配电室的照明应包括二个彼此独立的照明系统。一是正常照明,二是事故照明。
第二节施工现场临时用电TN-S系统的建立和使用
由供电局所供电变成TN-S接零保护系统
图8-3 局部TN-S接零保护系统、PE线引出示意图
一、PE线的设置
1、PE线的引出位置.对于专用变压器供电时的TN—S接零保护系统,PE线必须由工作接地线、配电室(总配电箱)电源侧零线或总漏电保护器(RCD)电源侧零线处引出;对于共用变压器三相四线供电时的局部TN
—S接零保护系统,PE线必须由电源进线零线重复接地处引出。
2、PE线与N线的应用区别。PE线是保护零线,只用于连接电气设备外壳可导电部分,在正常工作情况下无电流通过,且与大地保持等电位;N线是工作零线,作为电源线用于连接单相设备或三相四线设备.在正常工作情况下会有电流通过,被视为带电部分,且对地呈现电压。所以,在实用中不得混用和代用。
3、PE线与N线的相对独立性,经过总漏电保护器后的PE线和N线即分开,尔后不得再作电气连接。
4、PE线的重复接地。PE线的重复接地不应少于三处,应分别设置于供配电系统的首端、中间、末端处,每处重复接地电阻值(指工频接地电阻值)不应大于10Ω。
重复接地必须与PE线相连接,严禁与N线相连接,否则N线中的电流将会分流经大地和电源中性点工作接地处形成回路.使PE线对地电位升高而带电。
PE线重复接地的目的,一是降低PE线的接地电阻,二是防止PE线断线而导致接零保护失效。
5、PE线的绝缘色.为了明显区分PE线和N线,以及相线,按照国际统一标准,PE线一律采用绿/黄双色绝缘线。
6、PE线的线径选择。保护零线必须采用绝缘导线,当PE线所用材质与相线、工作零线(N线)相同时,其最小截面应符合下表的规定。
PE线截面与相线截面的关系
相线芯线截面S(mm2)
PE线最小截面(mm2)
配电装置和电动机械相连接的PE线应为截面不小于2.5mm2的绝缘多股铜线。手持式电动机工具的PE线应为截面不小于1.5mm2的绝缘多股铜线。
二、PE线的接地、接零要求
1、保护零线应由工作接地处、配电室(总配电箱)电源侧的零线或总漏电保护器电源侧零线处引出。
2、保护零线严禁通过闸刀、熔断器和漏电保护器,严禁通过工作电流,严禁断线,工作零线必须穿过漏电保护器。
3、电箱中应设两块端子板(工作零线N与保护零线PE),保护零线端子板与金属电箱相连,工作零线端子板与金属箱绝缘。
4、保护零线必须做重复接地,工作零线禁止做重复接地。
5、保护零线的统一标志为绿/黄双色线,在任何情况下不准使用绿/黄双色线作负荷线。
6、保护零线与工作零线禁止混接。
7、所有的用电设备金属外壳都必须与保护零线相连。
8、保护零线除必须在配电室或总配电箱处作重复接地外,还必须在配电系统的中间处和末端处作重复接地。
9、工作接地电阻值不得大于4Ω;重复接地电阻值应不大于10Ω。
10、每一接地装置接地线应采用二根以上导体,在不同点与接地装置作电气连接。
不得用铝导线作接地体或地下线,垂直接地体宜采用角钢、钢管或圆钢,不宜采用螺纹钢
11、保护零线的截面应不小于工作零线的截面,但必须满足机械强度要求。
与电器设备相连接的保护零线应为截面不小于2.5mm2的绝缘多股铜线。
第三节施工现场临时用电的漏电保护系
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&《西门子工业与民用配电设计指南》连载6 工业配电系统网络结构1
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主题：《西门子工业与民用配电设计指南》连载6 工业配电系统网络结构1
西门子一系列的配电设计指南是以最新的设计理念结合高档的配电产品编写的，是西门子全集成能源管理概念的理论基础。这本书涉及了设计中低压配电系统所有的内容，并结合IEC有关标准作了详细的深入浅出的描述，是国内至今为止看到的配电系统和配电产品相结合的一本最好的书，是配电系统设计的一部经典著作。它的英文版本在德国出版后立即引起国内一些专家的关注。航空设计院的王厚余老前辈对本书给予了很高的评价，盼望尽早在中国汉化、出版和发行，使中国同行尽快了解和学习德国严谨的配电系统的设计、安装和运作的一些做法；建筑设计院系统专家谢炜总工，五洲设计院专家王素英总工分别来西门子要求把本书的英文版本转化成中文版本，向国内的工业和民用配电领域的设计人员和工程技术人员介绍德国先进的配电理念。&&&推荐本书给大家，大家都比较关注，特照照片陆续分享给大家，喜欢的朋友，可以先了解一下本书内容，是否值得购买做个参考。制作过程需要一定时间，请大家耐心等待。本人也没有整本书电子版链接，哪位朋友有的话，欢迎分享给大家。
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[pèi diàn]
配电（power distribution）是在中直接与用户相连并向用户分配的环节。配电系统由配电、高压、、配电线路以及相应的控制保护设备组成。
配电基本简介
英文名称：power distribution
中文名称：配电
释义：由配电（通常是将的输电电压降为配电电压）、高压（即1千伏以上电压）、、配电线路（1千伏以下电压）以及相应的控制保护设备组成。配电电压通常有35～60千伏和3～10千伏等。
配电供电方式
配电交流供电方式
配电系统中常用的交流供电方式有：
①三相三线制。分为三角形接线（0.4kv电动机和照明）和星形接线（用于低压三相0.23kv工业照明配电以及0.23kv三相电动机）。
②三相四线制。用于0.4kv/0.23kv低压动力与照明混合配电 。
③三相二线一地制。多用于农村配电（因为安全问题早已淘汰）。
④单相单线制27.5kv。常用于电气铁路牵引供电。
⑤单相二线制0.23kv(由三相四线制获得)。主要供应居民用电。
配电直流供电方式
配电系统常用的直流供电方式有：
①二线制。用于城市无轨电车、地铁、矿山牵引机车等的供电。
②三线制。供应发电厂、变电所、配电所自用电和用电，电解和电镀用电。
一次配电网络是从配电变电所引出线到配电变电所（或配电所）入口之间的网络。在中国又称高压配电网络。电压通常为6～10千伏 ，城市多使用10千伏配电。随着城市密度加大，已开始采用20千伏配电方案。由配电变电所引出的一次配电线路的主干部分称为干线。由干线分出的部分称为支线。支线上接有配电变压器。一次配电网络的接线方式有与环式两种。
二次配电网络是由配电变压器次级引出线到用户入户线之间的线路、元件所组成的系统，又称低压配电网络。接线方式除放射式和环式外，城市的重要用户可用双回线接线。用电负荷密度高的市区则采用网格式接线。这种网络由多条一次配电干线供电，通过配电变压器降压后，经低压熔断器与二次配电网相连。由于中相邻的配电变电器初级接到不同的一次配电干线，可避免因一次配电线故障而导致停电。
配电线路按结构有和地下电缆。农村和中小城市可用架空线路，大城市（特别是市中心区）、旅游区、居民小区等应采用地下电缆。
配电配电种类
配电电力系统电压等级
电力系统电压等级有220/380V（0.4 kV），3kV、6kV、10kV、20kV、35kV、66kV、110kV、220kV、330kV、500kV。随着电机制造工艺的提高，10 kV发电机已批量生产，所以3 kV、6 kV已较少使用，20kV、66kV也很少使用。以10kV、35kV为主。以110kV以上为主。发电机有6kV与10kV两种，现在以10kV为主，用户均为220/380V（0.4kV）低压系统。
根据《城市规定设计规则》规定：输电网为500kV、330kV、220kV、110kV，高压配电网为110kV、66kV，中压配电网为20kV、10kV、6kV，低压配电网为0.4kV（220V/380V）。
发电厂发出6kV或10kV电，除发电厂自己用（厂用电）之外，也可以用10kV电压送给发电厂附近用户，10kV供电范围为10km、35 kV为20~50km、66kV为30~100km、110kV为50~150km、220kV为100~300km、330kV为200~600km、500kV为150~850km。
配电变配电站种类
电力系统各种电压等级均通过来转换，电压升高为升压变压器（为升压站），电压降低为（变电站为降压站）。一种电压变为另一种电压的选用两个线圈（绕组）的双圈变压器，一种电压变为两种电压的选用三个线圈（绕组）的三圈变压器。
变电站除升压与降压之分外，还以规模大小分为枢纽站，区域站与终端站。枢纽站电压等级一般为三个（三圈变压器），550kV /220kV /110kV。区域站一般也有三个电压等级（三圈变压器），220kV /110kV /35kV或110kV /35kV /10kV。终端站一般直接接到用户，大多数为两个电压等级（两圈变压器）110kV /10kV或35 kV /10kV。用户本身的变电站一般只有两个电压等级（双圈变压器）110kV /10kV、35kV /0.4kV、10kV /0.4kV，其中以10kV /0.4kV为最多。
配电配电工程操作规范
高低压配电工程顾名思义就是接高压配电柜、低压开关柜和以及连接线缆的配电设备。一般供电局、变电所都是用高压配电柜，然后经变压器降压再到低压开关柜，低压开关柜再到各个用电的配电盘。控制箱、开关箱里面无非就是把一些开关、断路器、熔断器、按钮、指示灯、仪表、电线之类保护器件组装成一体的配电设备。
高低压配电工程一般按照在全部和部分带电的盘上进行其过程周的操作规范:
1.应将检修设备与运行设备以明显标志隔开；
2.有电流互感器和电压互感器的二次绕组应有永久性的、可靠的保护接地；
3.在运行的电流互感器二次回路上工作时，应采取下列安全措施：
（1）为了可靠地将电流互感器二次线圈短路，必须使用短路片和短路线，禁止使用导线缠绕；
（2）禁止在电流互感器与短路端子之间的回路和导线上进行任何工作；
4.在运行中的电压互感器二次回路上工作时，应采取下列安全措施：
（1）二次回路通电试验时，为防止由二次侧向一次反变压，除将二次回路断开
外，还应取下一次熔断器；
（2）回路通电或耐压试验前，应通知值班员和有关人员，并派人看守现场，检
查回路，确认无人工作后方可加压；
5.检查断电保护和二次 回路的工作人员，未经值班人员许可，不准进行任何倒
配电存在问题
配电配电设计存在问题
1.选用高级非选择型断路器，是普遍存在的设计不合理因素，当末端发生较大的故障电流时，可能
导致一级或多级断路器非选择性切断，这是急待解决的问题。
2.过多地选用了选择型断路器，甚至仅有几十或百多安培电流的线路，也使用了价格很贵的选择型
3.选用了选择型断路器，但其参数整定不正确，如上级短延时过电流脱扣器额定电流太小，甚至小
于下级断路器之瞬时过电流脱扣器额定电流，或上级瞬时过电流脱扣器额定电流太小，都可能破坏选择
4.断路器与所供电的线路的参数不匹配。
配电解决方案
1.电流较大的馈线首端应选用选择型断路器，其整定要求如下：
（1）短延时过电流脱扣器电流Iset2不应小于下级最大的断路器的短延时或瞬时过电流脱扣器电流之 1.2~1.3 倍，其延时时间不宜小于0.3~0.4s。
（2）瞬时过电流脱扣器电流宜尽量选大。
2.中间级保护电器宜采用使用安全、分断能力高、选择性好和维护简单方便的熔断器，上下级的熔体电流比不小于其过电流选择比，即1.6：1。
3.末端回路的保护电器没有选择性要求，可采用非选择型断路器或熔断器，但应满足接地故障能按规定时间内切断之要求。
4.研究开发断路器新品种，具有选择性特点，期望能达到下列要求：
（1）对普通断路器的瞬时过电流脱扣器进行改造，将瞬时脱扣改变为具有毫秒级的延时特性。
（2）如可能，最好能具有两级选择性延时，上下级脱扣器额定电流比最好能达到不大于1.6：1，最多不应2：1。
（3）这种断路器壳架额定电流能达到63~400A范围，分断能力达到15~30kA 左右，能满足一般配电线路的大多数需要。
（4）希望能做到物美价廉，便于推广应用，如果能达到和同容量非选择型断路器的价格的1.5~2.0倍左右，电气设计师和用户是可以接受的。
配电系统设计
设计的一般要求
(1)从配电室的规划到完成，大致步骤如下：决定尺寸大小、构造；决定设置地点；决定详细构造；检验、承认建筑图纸；施工；完成建筑验收；配电室设备施工，如照明、空调、火灾报警等；最后验收。
(2)变电所的设计应根据工程发展规划进行，做到远、近期结合，以近期为主，正确处理近期建设与远期发展的关系，适当考虑扩建的可能。变电所的设计，必须从全局出发，统筹兼顾，按照负荷性质、用电容量、工程特点、地区供电条件和环保节能的要求进行综合考虑确定设计方案。
(3)确定配电室的大小及构造，首先要确定配电室的功能(变电用、开关站用、控制用、多功能)，其次决定设置场所。从经济性上考虑，设置场所希望在负荷中心。一般是在主要设备决定之后充分利用剩余的建筑空间，由此可得到大致的建筑设计图，但为了施工还需要详细的结构图，对该图要由电气工程师认可。建筑图完成之后就可施工，对大型配电室要经常检查。
在混凝土基础上埋入接地极应看准时机施工。配电室的建筑部分完工后应会同验收，然后继续进行辅助工程施工直至最后完成。
(4)为保证电气设备的运行安全可靠，设计中所选用的产品一定要符合现行的国家或行业部门的产品标准。随着国家科学技术的不断发展和进步，电气设备和器材等电工产品变化很快，生产厂家很多，电气工程师要在保守和冒进之间进行选择。
对设备选型，优先采用节能的成套设备和定型产品，是贯彻国家关于节约能源和保证设计质量的根本措施。因为生产厂通过本厂的先进设备和熟练工人的技术加工和装配，以及良好的测试条件，能保证成套设备的质量，所以选用成套设备和定型产品一般是经济合理的。
(5)变电所的型式应根据用电负荷的状况和周围环境情况确定。对于负荷较大的建筑物，宜附设变电所或半露天变电所；但负荷分散的建筑群宜设组合式成套变电站；而高层或大型民用建筑内，宜设室内变电所或组合式成套变电站；负荷小而分散的大中城市的居民区，宜设独立变电所；环境允许的中小城镇居民区，当变压器容量在315kVA及以下时，宜设杆上式或高台式变电所。
　　14.1.3位置选择　　1.变电室的设置地点应考虑以下因素
(1)应接近负荷中心，配电距离越短，电力损失和电压降越小，施工费、资材费越省。
(2)供电距离短、供电容易。当已有的建筑物或者埋地物件对施工造成障碍时，应综合考虑供电路线，研究确定配电室的位置。
(3)周围环境好。不应设置在灰尘多的地方、高温潮湿的地方、振动大的机器旁边、设备周围盐害严重或有可能遭到潮水淹及的地方。但在不可避免时，应采用适当措施。另外不能设置在可燃性、腐蚀性气体可能发生和滞留的地方。配电室应避免设在0、1、2类场所，否则电气产品应是防爆结构的，或者进行防爆施工。此类地方设置的配电室从地面到一楼楼面的高度宜在600mm以上。
户外箱式变电站和组合式成套变电站的进出线宜采用电缆。配电所宜设辅助生产用房。
(4)设备进出容易。在设备的更新、增加、修理时，车辆应容易出入。
(5)容易扩建。考虑到将来负荷设备的增加、能力的提高，设置场所应留有扩建的可能性。
(6)应尽量避免设置在地基较差的地方，不能避免时，需要改良地基或打桩施工。另外，配电室设置的位置应对其邻接地无影响，对将来的发展没有影响。
(7)变电所不应设在爆炸危险场所以内，不宜与有火灾危险场所毗连，否则应注意防爆和防火。
．百度文库[引用日期]
清除历史记录关闭数据中心供配电系统方案的思考与实践
数据中心供配电系统方案的思考与实践
数据中心的供配电系统可用性、经济性、可维护性等角度出发,探讨数据中心领域的供配电系统架构方案,并以国内某大型数据中心的实际应用案例为基础,对数据中心变配电系统、240V直流与市电直供系统结构、2NUPS系统机构、模块化UPS电源应用、数据中心制冷系统供电系统结构等,进行详细的探讨和分析。
数据中心的供配电系统可用性、经济性、可维护性等角度出发,探讨数据中心领域的供配电系统架构方案,并以国内某大型数据中心的实际应用案例为基础,对数据中心变配电系统、240V直流与市电直供系统结构、2NUPS系统机构、模块化UPS电源应用、数据中心制冷系统供电系统结构等,进行详细的探讨和分析。
随着信息技术、互联网技术的迅速发展,信息系统的市场应用越来越广泛,信息和数据量呈几何级增长,数据中心的需求日益增加,对数据中心的要求不断提高。众多行业也都在建设各种不同用途、规模、等级的数据中心,数据中心在政府机构以及电信、银行、证券、保险、互联网等行业中不断地提高自己的驱动力。数据中心作为一种物理载体在企业发展和运营中的作用越来越突出。
数据中心供配电系统作为数据中心基础设施最重要组成部分,已成为数据中心等级判定的主要参考标准。数据中心供配电系统架构,主要包括市电引入(10kV、110kV引入等)、高压变配电系统、后备柴油发电机系统(10kV、400V发电机组等)、市电/备用电源自动转换系统(中压切换、低压切换等)、低压配电系统(低压配电、楼层配电单元等)、不间断电源系统(UPS、240V、48V系统等)、列头配电系统、机架配电系统,以及电气照明、防雷及接地系统等。
1 数据中心供配电架构的影响因素
数据中心供配电架构及供电保障等级选择,主要考虑以下几个方面:
(1)数据中心供配电架构成本与安全效益平衡
数据中心从物理属性看,是IT设备的载体;从商业属性看,是为其服务的对象,即数据中心为各类用户的设备或信息提供保障服务。数据中心供配电系统架构选择,主要考虑用户设备类型、相关设备保障等级要求、相关标准及规范要求、绿色数据中心PUE指标要求、节能减排要求、数据中心选址区域自然条件特点、建设与运营成本的平衡等多种因素。
以通信行业数据中心为例,数据中心主要有自有数据中心和商用数据中心两大类。针对通信类,主要设备有传输类设备(国际传输干线、省际传输干线)、数据类设备(存储系统、云平台)、支撑类设备(计费系统、信息系统)等,相关设备供配电系统结构,主要考虑相关国家对通信系统建设及运维标准要求;商用数据中心主要包括政府、银行、企业等用户设备,其数据中心供配电系统及供电保障等级主要根据客户具体要求、客户设备规模、客户设备的租赁形式等来总体确定。
(2)数据中心供配电架构规划与决策
在数据中心供配电系统实际实施阶段,需要制定合理规划决策,评估需求与风险,进行不同方案的比较,并考虑满足未来发展的需求。
数据中心主流的各类供配电建设标准及规范,以及用户对供配电结构的要求,主要是对供配电保障提出要求。针对保障要求,从实施角度出发,能够提出多种不同的供配电结构、系统架构的总体规划与决策,对后期供配电可靠性、可用性有决定性的影响。在规划与决策阶段,一方面要针对不同系统结构的特征、投资总额、运营成本、系统优缺点等做充分的分析论证,另一方面也要考虑供配电系统逻辑关系的复杂度、对运维的要求、系统可扩展性等因素。
(3)数据中心供配电架构建设与运维
数据中心供配电架构应该同数据中心全生命周期一样,从概念、系统规划、决策、工程建设、交付运营等方面,是一个动态的、与时俱进的过程。现在行业有一种认识,认为供配电系统可靠性从供配电系统图上,计算结果越优,就越能提高可靠性。实际情况并非如此,而是数据中心架构的可实施性、可维护性等对设备供电连续性保障有很大影响。
供配电系统的实现与落地,必须要经过建设与施工,因此供配电系统带有较为明显的工程属性;供配电系统可靠性最终是在投入运营后,集中体现在系统运维阶段。供配电架构的设计与选择,一方面必须考虑工程施工过程的可实施性,如电缆布放距离、多层叠放、交****处理、各类油电水气管路隔离措施、隐蔽工程处理等,另一方面还要考虑运维可行性,如电气设备物理位置与电气逻辑关系匹配、巡检路由规划、应急操作接口预留设置等。
2 数据中心供配电系统的典型结构
目前,数据中心行业有比较全面的可供参考的相关技术规范,政府、行业、企业都根据各自领域数据中心的特点,发布了相关的规范、标准或指导意见。目前,数据中心主要参考的规范有工程建设国家标准《GB电子信息系统机房设计规范》以及美国国家标准学会(ANSI)2005年批准颁布的《TIA-942数据中心电信基础设施标准》。
前者是我国针对于数据中心建设设计的主要标准规范,同时,为适应电子信息技术发展,新的国家标准正在编制;后者是目前国际数据中心参考的主要标准,该标准包含的条款也是随着建筑技术和电信技术的进步在不断修改和更新。
从相关标准的应用范围看,国际上参考TIA-942将数据中心等级从低到高分为Tier I、Tier II、Tier III、Tier IV等四个级别,在国内参考GB50174将数据中心等级从低到高分为C、B和A三个等级,为了达到不同的等级,供电系统中采用不同的供配电方式。根据相关条文,不同标准的供配电系统结构特点如表1所示。
根据相关国际国内标准,规定了不同数据中心等级下,对应供电系统的原则及方式的演变,特定等级的系统,只规定了应满足的最低要求。
在规划建设阶段,在不同条件下,设计时选用系统结构需考虑总体投资规模、保障要求、节能指标、运维管理目标等多种因素综合分析,并在相应等级标准原则下进行优化设计。
目前,数据中心行业主要有以下三种典型供配电系统架构:基本型、可维护型、故障容错型等。三种典型数据中心供配电结构的特点如下:
(1)基本型供配电结构供电结构简单,投资少;
单故障节点多,可用性差;
供电系统器件故障、操作故障都会引起数据中心运行中断;
预防性检修、计划性检修需要系统中断运行。
(2)可维护型供配电结构
系统保障N+1的冗余;
运行期间可同时进行维护;
数据中心中常用的供电结构;
正常维修、单路故障出现时,不影响系统运行。
(3)故障容错性供配电结构可用性高;
基础设施对空间、投资,要求较高;
多条冗余路径,无单节点故障;
基础设施、供电路由全程双路由;
任何故障发生,不影响负载运行。
以上三种供电结构如图1所示。
上述三种典型供配电结构及特点,主要是从系统市电引入到所有末端设备供电的供电逻辑特点进行总体阐述,并不表示某种结构的优劣性。如对于保障等级要求不高的IT设备,基本型供配电结构完全满足供电保障需求,其系统结构在投资成本、电力设备空间、节能效果等方面,都明显优于其他两种结构;在保障等级较高的数据中心,也存在较低保障等级IT设备用电情况。
数据中心供配电系统架构的选择,应做整体考虑,根据IT设备供电保障等级和各类不同保障等级的IT设备分布情况,针对性的选择合适的、匹配的结构,才是数据中心供配电系统架构最终决策的关键点。
3 数据中心供配电案例
中国移动浙江信息通信产业园数据中心包括110kV变电站一座、柴油发电机房一座、数据中心机楼四栋。数据中心总供配电架构有以下几个部分:110kV配电系统、10kV配电系统、10kV发电机并机供配电系统、数据中心机房电源系统等。产业园数据中心基础设施分布示意图如图2所示。
该数据中心供配电架构的总体特点:深入结合基础建筑设施布局,总体规划,分期投入;
通过供配电结构优化,平衡成本与安全效益的关系;
根据客户需求不同,可提供多种形式的供电保障模式。
产业园数据中心供配电系统结构示意图如图3所示。供配电系统架构如下:
　　(1)110kV/10kV配电系统
园区自建110kV变电站,引入两路独立110kV市电,站内配置两台110kV/10kV变压器,每台容量50000kVA,两路常供。变电站两路110kV进线采用内桥接线;变电站10kV中压系统采用单母线分段接线,设母分;数据中心每栋配置一套独立中压系统,采用单母线分段接线,不设母分;每套中压系统分别从变电站两段10kV母线段各引入一路10kV市电电源,两路常供。
数据中心低压配电系统,采用变压器(1+1)方式运行,每套低压系统配置两台2000kVA的10kV/0.4kV变压器,两路常供。低压馈电采用单母线分段,设母联,“两进线一母联”采用电源自动转换系统,实现自动切换控制。
(2)后备发电机系统
共配置18台10kV/2400kW柴油发电机组作为数据中心备用电源,配置一套具有多种并机模式及控制功能的并机控制系统。发电机组并机系统采用单母线分段接线,设母分。并机系统可实现自动启动、自动并机,实现加、减机控制、负载自动投切控制等功能。并机系统具备两种工作模式:
模式A:母分保持闭合状态,18台机组并联运行,组成一套并机系统;
模式B:母分保持断开状态,18台机组分成两组,组成两套独立并机系统。
(3)市电/油机电源切换系统
数据中心每栋从变电站引入两路10kV市电电源,从发电机房引入两路10kV备用电源,每路容量均能满足该栋数据中心满载负荷。数据中心每栋分别配置两套独立市电/油机10kV切换装置,切换装置设电气及机械互锁。
数据中心4套独立10kV系统供配置8套独立的市电/油机切换装置,集中布置在数据中心1#楼和4#楼两个配电室,缩短切换操作时间。
(4)机房电源系统
数据中心机房电源系统,根据业务类型、负载种类、客户需求的不同,提供多种供电模式,包括48V直流、2N交流UPS、交流UPS+市电直供、240V直流+市电直供等模式。
4 数据中心240V直流+市电直供供电结构
当前,大型数据中心IT设备在积极采用新型供电方式,进一步降低供电损耗。由于高压直流供电系统,在投资成本、系统效率、占地空间等方面,较交流UPS具有更大的优势,已得到较大规模的推广和应用。
目前,240V直流供电技术的可行性已经得到较好验证,相应的理论分析和实践经验也在不断研究和总结中。240V直流供电技术已经成为行业热点,并在不断改变传统数据中心供电以交流UPS为主的格局。其中,基于240V直流技术衍生的“240V直流+市电直供”供电架构,进一步提升供电效率,节能效果更为显著。
数据中心一路高压直流、一路市电直供供电架构,主要有以下三种供电结构:
①供电结构(一):IT设备两个供电路由,市电直供路由、240V供电路由完全独立;
②供电结构(二):IT设备两个供电路由,其中240V直流系统输入屏设置双电源切换装置;
③供电结构(三):IT设备两个供电路由,其中市电直供输入屏、240V直流系统输入屏均设置双电源切换装置。以上三种供电结构如图4所示。
上述三种240V直流+市电直供供电结构,从供电等级看,均属于可维护型供电结构。系统结构的演进及优化,通过采用增加较小投资成本,实现较大幅度提高系统可用性的目标。通过在不同位置增加双电源切换装置,增加部分设备双路由供电,一方面提高系统的可维护性,另一方面提高系统中部分设备的故障应急抢修、计划性停电维护期间的供电连续性。
上述产业园数据中心应用案例中,根据用户对保障等级要求,采用模式(三):
①供电系统的低压变配电部分采用集中供电方式,布置于一层配电室;数据中心各层机房分别设立设置楼层配电柜,低配与楼层配电柜间通过密集型母线连接;
②两路市电电源均通过双电源切换后,分别输出至设备市电直供列头柜,或经直流电源输出至240V列头柜,有效地提高了市电直供路由的可靠性;
③设备两路供电逻辑关系对应,保证设备两路电源取自不同市电。
5 数据中心2N UPS系统供电结构
由于UPS设备结构复杂,因此自身容易发生故障,设备冗余可以提高可用性,UPS系统便有了N、N+X等多种供电架构。较高等级数据中心供电结构中,为了消除单点故障,对重要保障负荷采用2N冗余系统。
2N冗余系统是由两套或多套UPS系统组成的冗余系统,每套UPS系统有N台UPS,设备的总容量为系统的基本容量。该系统从交流输入经UPS设备直到双电源输入负载,完全是彼此隔离的两条供电线路。也就是说,在供电的整个路径中,所有环节和设备都是冗余配置的。正常运行时,每套UPS系统仅承担总负荷的一部分。这种多电源系统冗余的供电方式,克服了单电源系统存在的单点故障瓶颈,保证其供电可靠性,采用2N冗余供电系统,其可用性得到明显提高。
2N冗余系统供电结构的实现,根据UPS系统接线关系的不同,主要有以下三种供电结构(见图5):
①供电结构(一):2N UPS的两台主机的输入电源分别取自不同低压母线段,其中单台主机的主路输入、旁路输入取自同一条低压母线段;系统两面输出柜配置手动维修旁路,手动维修旁路取电低压母线段与对应的UPS主机相同;
②供电结构(二):2N UPS的两台主机输入电源分别取自不同低压母线段,其中单台主机的主路输入、旁路输入取自同一条低压母线段;系统两面输出柜配置手动维修旁路,手动维修旁路取电低压母线段与对应的UPS主机不同;
③供电结构(三):2NUPS的两台主机分别配置一面双电源切换柜;两路市电经双电源切换后,输出至对应UPS主机输入电源;其中单台主机的主路输入、旁路输入取自同一面;输出柜配置手动维修旁路,手动维修旁路输入端取自对应的双电源切换柜;双电源切换柜配置手动旁路功能;
信息产业园2N UPS系统采用供电结构(三)形式:2NUPS系统中的各单机,设置对应的ATS配电柜;ATS柜均有手动旁路功能;满足UPS系统从两路不同市电供电要求,提升系统可用性;在低压母线电压异常、UPS系统计划性检修维护等工作状态下,该供电结构保证设备连续供电要求;
信息产业园2N UPS系中,UPS主机系统选择模块化UPS。与传统塔式机相比较,模块化UPS优势明显:单机实现模块并机冗余控制,可用性高;模块化UPS能够实现随需扩容,降低建设初期投资;UPS功率模块、静态旁路模块实现在线热插拔操作,具有较高维护性;UPS功率模块在高效运行,降低整机系统损耗。UPS模块化是数据中心不间断电源供电技术未来发展方向之一。
6 数据中心制冷系统设备供电结构
从制冷系统功能角度看,数据中心制冷系统主要为数据中心提供冷源,制冷系统与供电系统构成数据中心基础设施重要的组成部分。
从制冷系统用电角度看,数据中心制冷系统相关设备,如群控系统、冷冻水主机、冷却塔、循环泵等,是数据中心重要的用电设备,也是数据中心要重点保障的设备之一。
数据中心实际案例中,往往缺乏对数据中心制冷系统供电保障可靠性的认识,很多数据中心的制冷系统建设,其初期投资、规划、施工一般与数据中心机房的土建建筑工程一起完成。
由于建筑工程与数据中心机房工程建设在相关规范要求、施工工艺要求等方面,存在一定差异,制冷系统初期建设往往因投资总额、施工质量、施工技术等各项条件限制,往往忽视系统设备的供电可靠性,并对后期制冷系统的可靠性、可用性、可扩展性方面产生较大影响。
以上述产业园数据中心的冷冻水制冷系统为例,其冷冻水系统结构,主要采用3台高压冷水机组,水系统按照“2用1备”模式运行,每套水系统配置独立蓄冷罐,水系统中冷却塔、水泵、电磁阀等均为低压供电模式。
图6所示为传统模式下该制冷系统供电结构。从传统制冷系统供电结构上看,制冷系统主设备尽管冗余设置,但所有独立系统均取自一套低压供电系统,且取自同一面配电柜;相互独立的水系统用电设备,供电系统未独立设置;当一套配电系统或某个配电单元出现故障,引起制冷系统整体停机;供电系统未配置UPS,两路市电异常情况下,不能保障连续制冷要求。
图7所示为产业园制冷系统实际采用的供电结构,该供电结构基于各套制冷系统冗余工作模式,为每套制冷系统提供完全独立的供电模式;制冷系统重要等级低的用电设备,均采用双电源切换装置,双电源切换柜配置手动旁路;制冷系统用电设备ATS主/备一致对应,避免市电切换影响系统运行;制冷系统中冷冻水循环泵、群控系统、主机控制柜等设备,采用独立单机UPS系统供电模式,保障数据中心持续供冷。采用该形式供电结构,保证了制冷系统在水循环、供电结构、逻辑控制等方面完全独立,进一步提高数据中心制冷系统可靠性、可用性、可维护性。
　　7 数据中心供配电技术展望
(1)实现快速部署、快速扩容是供配电技术未来发展的重要课题
如何有效缩短数据中心建设周期,是各数据中心在决策、规划、设计阶段,要考虑的主要问题之一。在数据中心网络技术领域,模块化设计在大型的云计算数据中心以及超级计算机中都很常见,模块化数据中心这一趋势进一步推向主流,数据中心设计建造中很多问题都与系统模块化程度有关。
实现数据中心供配电系统快速部署、快速扩容,可以采取供配电系统整体设计、预制化、模块化的建设思路,是未来数据中心基础设施设计的基本策略和重要理念。
供配电系统模块化建设思路,不仅设计某一特定设备内部模块化,还应升级到供电、配电等系统层面系统级模块化,供配电系统级的模块化发展,及与之关系紧密的标准化,简化供配电系统从初期规划、系统建设、运维管理每一个环节复杂度。
实施过程中,应综合考虑变配电、楼层配电、不间断电源等各部分组成架构、结构特点,结合数据中心建筑设施特点,实现供配电系统一体化规划、模块标准化预制、整体拼装等,从而达到有效缩短供配电系统建设周期,实现供配电系统快速部署、快速扩容的目标。
(2)对供电系统高可用性、易维护性要求,依然是数据中心供配电技术重点发展方向从数据中心供配电系统的最终功能要求来看,在数据中心运营阶段,供配电系统高可用、易维护一直是数据中心供配电主要目标。
从国际、国内标准或规范来看,数据中心保障等级、可靠性与供电结构的复杂度息息相关,但系统可用性、易维护性并没有随着系统保障等级变高,在部分供配电结构中,反而因为系统复杂度上升影响了系统的维护性。传统数据中心为保证可靠性提高,采用复杂的供配电结构,对于部分系统自动化控制不足的数据中心,复杂的供配电架构其实对运维人员技术能力、素质水平都有非常高的要求。
从IT负载特点看,随着互联网技术的发展,云计算、云存储、虚拟化技术的应用,现代数据中心的设备负载与传统数据中心相比,负载属性有了质的变化,不同保障等级的设备占比,也有极大的变化,更多的设备可用通过“240V+市电直供”“UPS+市电直供”等简单模式代替传统的“2N UPS”等系统结构。系统结构复杂度降低、供配电结构可靠性提高,都对供配电系统的可用性、维护性等提出更高的要求。
(3)有效减少投资成本、提高空间利用率、实现供配电系统节能高效运行是数据中心供配电技术发展面临的重要挑战平衡成本、效益的关系,依然是数据中心行业重点要考虑主要问题,也是数据中心体现其自身商业属性的必然要求。
一方面,从建设成本及空间利用率角度出发,未来需要通过进一步优化供配电系统结构,努力提高供配电系统智能控制水平,节省不必要冗余设备投资,减少电力系统空间占地面积,提高数据中心IT设备可装机架能力。随着高密度IT设备的要求,供配电系统设备本身也要通过提高技术水平、优化设备柜体结构、措施,提高其单位占地面积的供电能力。
另一方面,从运营成本及节能角度出发,当前数据中心面临日益严峻的高能耗,需要通过新技术应用,如采用削峰填谷供电技术、DCIM管理技术等,进一步提高供配电系统的供电效率,减少供电系统电力损耗,降低数据中心PUE值,节约运营期间的电费成本。
本文阐述了数据中心供配电架构选择综合考虑因素,并讨论了几种典型数据中心供电架构,同时以某一数据中心供配电系统应用案例为基础,详细分析了几种不同的供配电结构及优化方案的特点及优缺点,为数据中心供配电系统架构演进及探讨提供参考,并对数据中心供配电技术发展做了简单归纳。
供配电系统作为数据中心基础设施主要组成部分,在数据中心行业发展中的地位越来越显著,对数据中心供配电技术的研究,已经逐步从关注单个设备转而关注系统解决方案,很多新理念、新架构、新技术、新设备在数据中心的应用层出不穷,并日趋成熟。围绕数据中心供配电产品、技术、应用和整体解决方案探讨,也逐渐向标准化、全面化、系统化的方向发展,选择绿色的、经济的、高效的、可用性高的供配电系统,已经成为行业共识。
本文转自d1net（转载）
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