淺談機(jī)房供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文｜北京直真視通科技有限公司 高學(xué)鑫

機(jī)房是現(xiàn)代信息化建設(shè)的基礎(chǔ)工程，為各個(gè)業(yè)務(wù)提供穩(wěn)定、安全的工作環(huán)境；而機(jī)房的供電系統(tǒng)就是這基礎(chǔ)工程的心臟和大動(dòng)脈。供電系統(tǒng)的穩(wěn)定，能夠保障其他系統(tǒng)的發(fā)揮作用和核心業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。機(jī)房的供電系統(tǒng)不同于一般建筑的供電系統(tǒng)，它是一個(gè)交叉的系統(tǒng)，涉及到供電、防雷、防靜電、UPS不間斷電源以及弱電工程，各個(gè)系統(tǒng)互相交叉，互有影響。造成機(jī)房供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮多方面的因素。機(jī)房系統(tǒng)正是處在強(qiáng)、弱電的結(jié)合處，有兩種專(zhuān)業(yè)技術(shù)規(guī)范在這些界面上，有些規(guī)定也不十分明確，帶來(lái)的問(wèn)題是機(jī)房各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)深度差距較大；主要弱電機(jī)房預(yù)留的位置不合適，面積過(guò)大或偏小；弱電豎井中遺漏接地干線(xiàn)和電源插座；UPS電源容量、支持時(shí)間長(zhǎng)短不一；UPS電源供電方式是采用集中式還是分散式不能確定；各子系統(tǒng)的供電和接地方式不規(guī)范等。一部分設(shè)計(jì)文件中，還經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有文字說(shuō)明描述不清楚、系統(tǒng)圖和平面圖五花八門(mén)、圖形符號(hào)不按現(xiàn)行制圖、標(biāo)準(zhǔn)繪制等問(wèn)題。

1 設(shè)備的選位

機(jī)房供電系統(tǒng)的主要設(shè)備有：UPS、電池、配電柜和柴油機(jī)等。這些設(shè)備的共同點(diǎn)是單位占地面積大。對(duì)于這些設(shè)備的擺放位置既要考慮功能上的需求，又要考慮空間和承重的需要，還要考慮對(duì)外界的危害。機(jī)房應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)電源間，用符合防火要求的隔墻與弱電設(shè)備隔離，避免電源間噪聲、蓄電池酸堿液滲漏和電氣火災(zāi)等事故傳播到計(jì)算機(jī)設(shè)備機(jī)房?jī)?nèi)。

UPS是供電系統(tǒng)的心臟，UPS需要擺放在盡可能距離機(jī)房近的位置，能夠保證從UPS輸出到用電設(shè)備之間的壓降和損耗盡可能的小；還需要考慮到UPS屬于大型設(shè)備，重量比較大，噪聲大，需要擺放在一個(gè)承重比較好，并且不影響辦公和休息環(huán)境的地方。電池同樣是比較重的設(shè)備，其擺放需要考慮大樓承重的問(wèn)題；而且電池需要特別的維護(hù)，防止其漏液、膨脹爆炸，需要提供一個(gè)溫濕度適宜和通風(fēng)的環(huán)境，并定期進(jìn)行檢測(cè)。配電柜擺放位置的選擇，主要考慮功能上的需求，配電柜應(yīng)在滿(mǎn)足功能分區(qū)的基礎(chǔ)上，盡可能的靠近其下口的設(shè)備。柴油機(jī)屬于高空氣、噪聲污染和強(qiáng)震動(dòng)的設(shè)備，應(yīng)該擺放在通風(fēng)、承重較好且噪聲不會(huì)影響其他人的地方，最好是擺放在地面上，并配以減震膠墊。

為了起到防潮的效果，這些設(shè)備應(yīng)該擺放在地臺(tái)或支架之上。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

動(dòng)力配電主要用于供給空調(diào)設(shè)備、普通照明和給排風(fēng)、維修插座、一般動(dòng)力、UPS設(shè)備等。UPS配電主要用于主機(jī)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、保安監(jiān)控設(shè)備、多媒體、消防、應(yīng)急照明等。

在考慮功能和重要性的前提下，機(jī)房的供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)該注意以下事項(xiàng)：

（1）機(jī)房容量較大時(shí)，宜設(shè)置專(zhuān)用電力變壓器，容量較小時(shí)，可采用專(zhuān)用低壓饋電線(xiàn)路供電。

（2）電子計(jì)算機(jī)電源設(shè)備應(yīng)靠近主機(jī)房設(shè)置。

（3）機(jī)房?jī)?nèi)其他電力負(fù)荷不得由計(jì)算機(jī)主機(jī)電源和UPS供電。主機(jī)房?jī)?nèi)為計(jì)算機(jī)設(shè)備宜設(shè)置專(zhuān)用動(dòng)力配電箱，與其他負(fù)荷應(yīng)分別供電。

（4）單相負(fù)荷應(yīng)均勻地分配在三相上，三相負(fù)荷不平衡度應(yīng)小于20%。

（5）計(jì)算機(jī)電源系統(tǒng)應(yīng)限制接入非線(xiàn)性負(fù)荷，以保持電源的正弦性。

3 動(dòng)力供配電系統(tǒng)

由總配電柜饋出的動(dòng)力供配電系統(tǒng)采用50Hz交流電，380V/220V三相五線(xiàn)電源，TN-S接地方式，零線(xiàn)和地線(xiàn)分開(kāi)設(shè)置且零地線(xiàn)之間電壓小于1V。動(dòng)力配電柜、照明配電箱采用放射式配電直接配至各用電設(shè)備。

機(jī)房?jī)?nèi)所有線(xiàn)纜須設(shè)計(jì)鋼制橋架、線(xiàn)槽或鋼管敷設(shè)。由于精密空調(diào)的供電電流大、負(fù)載動(dòng)態(tài)范圍寬，為防止干擾，應(yīng)考慮另選路徑單獨(dú)敷設(shè)電纜。

動(dòng)力配電柜具有火警聯(lián)動(dòng)保護(hù)功能，出現(xiàn)火警時(shí)可與消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)及時(shí)切斷電源，關(guān)閉防煙防火閥，并且在值班室安裝手動(dòng)電源切斷裝置。動(dòng)力柜、照明箱內(nèi)的開(kāi)關(guān)和主要元器件采用進(jìn)口產(chǎn)品，并設(shè)置有效的防雷措施。有條件時(shí)，大型機(jī)房最好采用專(zhuān)用電力變壓器供電。

4 UPS供配電系統(tǒng)

UPS供配電系統(tǒng)既可以采用單機(jī)供電，也可以采用冗余方式進(jìn)行供電。冗余方式供電能夠在少數(shù)設(shè)備故障時(shí)，仍然能夠滿(mǎn)足機(jī)房?jī)?nèi)的用電需求，這是單機(jī)供電所不能達(dá)到的。從冗余式配置方案來(lái)看，有以下三種方式：主機(jī)—從機(jī)型“熱備份”UPS供電方式；直接并機(jī)冗余UPS供電方式；雙總線(xiàn)冗余供電方式。

（1）主機(jī)—從機(jī)型“熱備份”UPS供電方式

主機(jī)帶負(fù)載，備機(jī)空載，備機(jī)接入主機(jī)的BYPASS（旁路）輸入端。這種方式布置比較靈活，不需要兩臺(tái)UPS同品牌，而且不要增加額外輔助電路，不增加購(gòu)置成本。但是這種供電方式兩臺(tái)UPS老化程度不同，備機(jī)電池組長(zhǎng)期處于浮充狀態(tài)影響電池壽命。這種結(jié)構(gòu)有許多單點(diǎn)故障。如果主UPS出了故障，那么另一臺(tái)必須接替全部負(fù)載。這也就意味著在約8ms內(nèi)，另一臺(tái)必須把供電從0增加到100%，此方式的缺陷在于備用UPS長(zhǎng)期處于空載狀態(tài)，其電池壽命會(huì)縮短、容量會(huì)下降，且備用UPS具有階躍性負(fù)載承載能力，無(wú)擴(kuò)容能力。由于人們很難實(shí)時(shí)了解備用UPS各部分有無(wú)故障或隱患，當(dāng)要啟動(dòng)備用機(jī)時(shí)，可能就無(wú)法正常工作。

（2）直接并機(jī)冗余UPS供電方式

為克服主機(jī)—從機(jī)型“熱備份”供電系統(tǒng)的弱點(diǎn)，隨著UPS控制技術(shù)的進(jìn)步，具有相同額定輸出功率的UPS可直接并聯(lián)而形成冗余供電系統(tǒng)。為保證高質(zhì)量的并機(jī)系統(tǒng)，各電源間必須保持同頻、同相、且各機(jī)均流。此供電方式瞬間過(guò)載能力強(qiáng)，能夠自動(dòng)均分功率。但是存在著環(huán)流，增加無(wú)功損耗，降低系統(tǒng)可靠性；需增加額外輔助電路，隨之而來(lái)是增加成本，增加故障點(diǎn)。

（3）雙總線(xiàn)冗余供電方式

雙總線(xiàn)供電方式是采用兩條總線(xiàn)對(duì)后端設(shè)備進(jìn)行供電，每條總線(xiàn)上具有相同的一套UPS供電方式。消除可能出現(xiàn)在UPS輸出端與最終用戶(hù)負(fù)載端之間的“單點(diǎn)瓶頸”故障隱患，以提高輸出電源供電系統(tǒng)的“容錯(cuò)”功能。此供電方式能夠在線(xiàn)維護(hù)，在線(xiàn)擴(kuò)容，在線(xiàn)升級(jí) ，改善了重要總線(xiàn)的可用性，滿(mǎn)足了雙電源用電設(shè)備的需求，真正實(shí)現(xiàn)了7 ×24×365 運(yùn)行的目標(biāo) 。但是雙總線(xiàn)冗余供電方式相當(dāng)于搭建了兩套前述供電方式的回路，需要增加2倍以上的成本。

另外，UPS輸出配電針對(duì)每個(gè)單獨(dú)機(jī)柜采用一個(gè)獨(dú)立回路（一個(gè)空開(kāi)控制一個(gè)回路），使用插座或工業(yè)連接器對(duì)單獨(dú)機(jī)柜進(jìn)行供電；對(duì)于重要設(shè)備需要提供雙路獨(dú)立供電的，需要從兩個(gè)獨(dú)立的UPS進(jìn)行輸出配電。UPS電源分別送到機(jī)房各個(gè)機(jī)柜既安全可靠，又方便使用和日常維護(hù)。如果機(jī)房細(xì)分為不同的房間或空間，每一個(gè)房間或空間是由它們各自獨(dú)立的緊急電源開(kāi)關(guān)所支持，那么這些空間應(yīng)該擁有自己獨(dú)立的水平分布區(qū)域。

5 配電設(shè)備的安裝和線(xiàn)路敷設(shè)問(wèn)題

機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的安裝和線(xiàn)路的鋪設(shè)是要以設(shè)備布局和設(shè)計(jì)圖紙為基礎(chǔ)進(jìn)行的。

（1）設(shè)備安裝：機(jī)房配電柜、UPS電源柜落地安裝；動(dòng)力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝；配電柜及其他電氣裝置的底座應(yīng)與建筑樓地面牢靠固定，并接地；吊頂內(nèi)電氣裝置應(yīng)安裝在便于維修處；分體空調(diào)插座設(shè)置在機(jī)房?jī)?nèi)墻面上距地1.8m處。機(jī)房?jī)?nèi)應(yīng)分別設(shè)置維修和測(cè)試用插座，且有明顯區(qū)別標(biāo)志；測(cè)試用電源插座應(yīng)由UPS供電，維修插座由市電供電。

（2）線(xiàn)路敷設(shè)：供電距離盡量短，主要是從供電安全考慮，電源間應(yīng)靠近機(jī)房設(shè)備。機(jī)房?jī)?nèi)活動(dòng)地板下部的低壓配電線(xiàn)路應(yīng)采用銅芯屏蔽導(dǎo)線(xiàn)或銅芯屏蔽電纜。機(jī)房?jī)?nèi)的電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)和通信線(xiàn)應(yīng)分別鋪設(shè)，不能共走同一線(xiàn)槽。UPS電源配電箱引出的配電線(xiàn)路，穿鍍鋅鋼管，沿機(jī)房活動(dòng)地板下敷設(shè)至各排機(jī)柜，使用插座或工業(yè)連接器為各個(gè)機(jī)柜供電。

信號(hào)線(xiàn)纜在活動(dòng)地板下從機(jī)柜、配線(xiàn)架至各設(shè)備，應(yīng)采用金屬線(xiàn)槽沿設(shè)備周?chē)蛑鳈C(jī)房從設(shè)備背面的活動(dòng)地板穿線(xiàn)孔引入的設(shè)備，信號(hào)線(xiàn)纜避免沿機(jī)房墻邊敷設(shè)以防與強(qiáng)電線(xiàn)管交叉。弱電布線(xiàn)槽道應(yīng)與強(qiáng)電槽道分開(kāi)，并行時(shí)間距應(yīng)不小于300mm，線(xiàn)槽接頭應(yīng)可靠連接并良好接地。活動(dòng)地板下部的電源線(xiàn)應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)信號(hào)線(xiàn)，并避免并排敷設(shè)。當(dāng)不能避免時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的屏蔽措施。

（3）可靠接地：所有的配電柜和配電箱的金屬框架必需接地可靠。門(mén)和框架的接地端子間用裸編銅線(xiàn)連接。照明配電箱內(nèi)的漏電保護(hù)器的動(dòng)作電流不大于30mA，動(dòng)作時(shí)間不大于0.1s。接地支線(xiàn)必須單獨(dú)與接地干線(xiàn)相連接，不得串聯(lián)連接。UPS電源柜輸出端的中性線(xiàn)，必須與由接地裝置直接引來(lái)的接地干線(xiàn)連接，作重復(fù)接地，接地電阻小于4Ω。當(dāng)燈具距地面高度小于2.4m時(shí)，燈具的可接近裸露導(dǎo)體必須接地可靠，并應(yīng)有專(zhuān)用接地螺栓和標(biāo)識(shí)。外電源進(jìn)線(xiàn)至機(jī)房電源管理間時(shí)，應(yīng)將電纜的金屬外皮與接地裝置連接；從樓外引入的鎧裝信號(hào)電纜和屏蔽信號(hào)線(xiàn)，進(jìn)入弱電機(jī)房前也應(yīng)注意安裝信號(hào)避雷器，避免沿建筑外墻或防雷引線(xiàn)引雷入室，遭受雷擊和高頻電磁干擾。同軸電纜的屏蔽層必須與機(jī)殼一起接地，這樣可以有效的抑制線(xiàn)纜接收到的電磁干擾信號(hào)，從而保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量。從機(jī)房送出的信號(hào)線(xiàn)路應(yīng)采用金屬線(xiàn)槽沿墻并在吊頂內(nèi)敷設(shè)，避免與其他電氣管路平行緊貼。盡量避開(kāi)空調(diào)、消防、暖氣和給排水等管道，與它們的間距按相關(guān)規(guī)范執(zhí)行。金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導(dǎo)管必須接地可靠，且必須符合下列規(guī)定：

◆ 金屬電纜橋架及其支架全長(zhǎng)應(yīng)不少于2處與接地干線(xiàn)相連接；

◆ 電纜橋架間連接板的兩端跨接銅芯接地線(xiàn)，接地線(xiàn)最小允許截面積不小于6mm2；

◆ 接地在插座間不串聯(lián)連接。

工程實(shí)施中按上述做法可以較好地處理機(jī)房供電的可靠和安全，各種不同電壓和頻率的信號(hào)線(xiàn)纜敷設(shè)安全、相互隔離度好、整齊、美觀并方便維護(hù)管理。

（4）消防系統(tǒng)的要求：消防系統(tǒng)的設(shè)備動(dòng)力電纜，控制電纜、電線(xiàn)，按規(guī)范要求選用耐火型電纜、電線(xiàn)。其他弱電系統(tǒng)所用電纜、電線(xiàn)均采用阻燃型。在設(shè)備選擇及線(xiàn)路敷時(shí)，應(yīng)充分考慮電磁兼容問(wèn)題。

6 末端供電

電源分配單元，顧名思義PDU應(yīng)具備電源的分配或附加管理的功能。電源的分配是指電流及電壓和接口的分配，電源管理是指開(kāi)關(guān)控制、電路中的各種參數(shù)監(jiān)視、線(xiàn)路切換、承載的限制、電源插口匹配安裝、線(xiàn)纜的整理、空間的管理及電涌防護(hù)和極性檢測(cè)。由于數(shù)據(jù)中心的幾乎所有的IT設(shè)備都已經(jīng)或者將要放置在標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)，所以，PDU作為機(jī)柜的必備附件也越來(lái)越受到相關(guān)各方的重視。

PDU和普通電源插排相比，其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：設(shè)計(jì)安排更合理、品質(zhì)和標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格、安全無(wú)故障工作時(shí)間長(zhǎng)、各類(lèi)漏電、過(guò)電過(guò)載保護(hù)更優(yōu)秀、插拔動(dòng)作頻繁而不易損壞、熱升溫小、安裝更靈活方便，適合對(duì)用電要求很?chē)?yán)格的行業(yè)客戶(hù)使用。也從根本上杜絕了普通電源插排的因接觸不良、負(fù)荷小而造成的頻繁斷電、燒毀、火災(zāi)等安全隱患。