機(jī)房電源系統(tǒng)探析

文｜浙江大華技術(shù)股份有限公司 李春晟

機(jī)房電源系統(tǒng)由供、配電兩個(gè)子系統(tǒng)組成，它提供了機(jī)房運(yùn)行的能源，十分重要。

1 概述

機(jī)房用電屬于一級(jí)負(fù)荷，要有確切的保障措施，若發(fā)生斷電事故，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失或數(shù)據(jù)丟失，因此一個(gè)完善的機(jī)房供配電系統(tǒng)是保證計(jì)算機(jī)設(shè)備、場(chǎng)地設(shè)備和輔助用電設(shè)備可靠運(yùn)行的基本條件。高品質(zhì)的機(jī)房供電系統(tǒng)體現(xiàn)在：無(wú)斷電故障、高容錯(cuò)；在不影響負(fù)載運(yùn)行的情況下可進(jìn)行在線維護(hù)；有防雷、防火、防水等功能。機(jī)房供電設(shè)計(jì)包括負(fù)荷等級(jí)和額定容量的確定、電源的可靠性設(shè)計(jì)、防雷和接地技術(shù)措施等。

2 遵循的技術(shù)規(guī)范

2.1 機(jī)房分類

技術(shù)規(guī)范對(duì)機(jī)房在不同系統(tǒng)和范圍的供配電需求做出了明確的要求，例如：依據(jù)《電子計(jì)算機(jī)場(chǎng)地通用規(guī)范》、《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能、用途和運(yùn)行方式（聯(lián)網(wǎng)與否）等情況，劃分為A、B、C三級(jí)，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電系統(tǒng)

在數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)工程中，較為重要又有一定規(guī)模的機(jī)房，一般都按A級(jí)方案設(shè)計(jì)。

2.2 負(fù)荷等級(jí)和額定容量

依據(jù)計(jì)算機(jī)的用途和性質(zhì)以及負(fù)荷分級(jí)的規(guī)定，采取相應(yīng)的供電技術(shù)。對(duì)于一級(jí)負(fù)荷采用一類供電，重要機(jī)房供電屬于一級(jí)負(fù)荷，按一級(jí)負(fù)荷的供電要求，必須保證兩個(gè)以上獨(dú)立的電源點(diǎn)供電，采用兩條專用干線引進(jìn)，兩路獨(dú)立電源在末端互投，建立連續(xù)供電系統(tǒng)，而且要保證供電的質(zhì)量；對(duì)于二級(jí)負(fù)荷采用二類供電，建立帶有備用的供電系統(tǒng)；對(duì)于三級(jí)負(fù)荷采用三類供電，按一般用戶供電考慮。

機(jī)房用電系統(tǒng)要求提供的電源額定容量一般以兩種方式給出：

（1）確定機(jī)房用電系統(tǒng)的總功率大小或機(jī)房用電系統(tǒng)的總電流。這是選取電力設(shè)備、總斷路器、供電電纜、機(jī)房的總發(fā)熱量以及精密空調(diào)都是必需考慮的問(wèn)題。通常供電總功率應(yīng)留有不少于25%的余量。

（2）確定各機(jī)柜、分機(jī)、設(shè)備等所要求的工作電流。這對(duì)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)房的配電柜、選取合適的傳輸導(dǎo)線和分路開關(guān)也是必需的。針對(duì)電氣設(shè)備額定電流，在整定總斷路器和分路開關(guān)時(shí)要注意電氣設(shè)備的啟動(dòng)電流值。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，有些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供估算時(shí)參考，如：

◆ UPS功率：主機(jī)房可按350～400W/m2計(jì)算；照明用電可按15～20W/m2計(jì)算；

◆ 空調(diào)機(jī)電功率要根據(jù)機(jī)房制冷量考慮，主機(jī)房制冷量按400W/m2計(jì)算，輔助機(jī)房制冷量按300W/m2計(jì)算，然后再根據(jù)電氣設(shè)備不同的效率和換算系數(shù)，確定空調(diào)系統(tǒng)用電負(fù)荷量。

2.3 電源的可靠性

我國(guó)的低壓供電系統(tǒng)采用的是三相四線制，相電壓為220V，線電壓為380V。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般要求三相五線制，即三根相線、一根零線、一根地線，地線單獨(dú)接地，不與零線共地。在同一個(gè)數(shù)據(jù)中心供電系統(tǒng)中，送給各部分負(fù)荷的電壓可以有220V和380V。

重要數(shù)據(jù)中心機(jī)房的供電，應(yīng)采用雙路電源末端自投，其配電柜（箱）需敷設(shè)專用線路。機(jī)房的雙電源末端自投電源質(zhì)量應(yīng)按照A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，即采用三相五線制和單相三線制，在穩(wěn)態(tài)下，應(yīng)達(dá)到電壓為 380V（1±2%）、頻率為（50Hz±0.2Hz）、波形失真不大于5%、瞬時(shí)斷電時(shí)間小于4ms，并且根據(jù)用電設(shè)備對(duì)供電的要求來(lái)增加UPS不間斷電源。

消防泵房、排煙設(shè)備機(jī)房、應(yīng)急照明配電箱、專用空調(diào)等也應(yīng)按雙電源末端自投設(shè)計(jì)，其供電容量、配電柜（箱）的總開關(guān)載流量，除滿足現(xiàn)有用電之外，應(yīng)留有一定余量，各柜（箱）也應(yīng)留出一定數(shù)量的備用出線回路。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)除主電源外，還應(yīng)配備直流備用電源。火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的主電源開關(guān)，不應(yīng)采用漏電保護(hù)。

安防系統(tǒng)的前端攝像機(jī)由安防專線集中供電。距離太遠(yuǎn)的亦可就近供電，但電源的通/斷控制需由安防管理中心操作。當(dāng)電壓波動(dòng)超出+5%～-10%時(shí)，設(shè)穩(wěn)壓電源裝置，其標(biāo)稱功率不得小于系統(tǒng)使用功率的1.5倍。

2.4 防雷和接地

當(dāng)系統(tǒng)采用聯(lián)合接地時(shí)，接地極的接地電阻R≤1Ω；當(dāng)采用單獨(dú)接地時(shí)，R≤4Ω。在總配電室要做總等電位連接，各樓層的設(shè)備機(jī)房、樓層弱電間、樓層配電間的接地，采用局部等電位聯(lián)接。貫穿弱電豎井的接地干線，應(yīng)當(dāng)是鍍鋅扁鋼，截面尺寸不小于40mm×4mm，如果豎井內(nèi)放置有源HUB（集線器）機(jī)柜，則弱電豎井的尺寸應(yīng)適當(dāng)加大，并配AC（220V，50Hz）電源。

機(jī)房的重要設(shè)備和配電柜（箱），必須按《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50057-2000）第6.4的規(guī)定設(shè)計(jì)防雷擊電磁脈沖的措施，并安裝SPD電涌保護(hù)器、做好等電位連接。

3 機(jī)房供電系統(tǒng)

機(jī)房的重要性確定了安全、可靠是供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。由于機(jī)房的供配電系統(tǒng)、照明、設(shè)備防雷、機(jī)房接地、UPS不間斷電源等與一般的強(qiáng)電設(shè)計(jì)有所不同，又與弱電專業(yè)的十幾個(gè)子系統(tǒng)密切相關(guān)。因此，它們處于強(qiáng)、弱電專業(yè)設(shè)計(jì)分工的接合部，有兩種專業(yè)技術(shù)規(guī)范在這些界面上。目前有些規(guī)定還不十分明確，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；幾個(gè)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、圖形符號(hào)不按現(xiàn)行制圖標(biāo)準(zhǔn)繪制等問(wèn)題。工程建設(shè)，設(shè)計(jì)先行，要克服上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)者除了遵守規(guī)范以外，還要熟悉機(jī)房供電的特點(diǎn)。

3.1 機(jī)房常用的供電方式

（1）直接供電。將變電所送來(lái)的工頻交流電直接送給計(jì)算機(jī)設(shè)備配電柜，然后再分配給計(jì)算機(jī)設(shè)備。直接供電方式具有設(shè)備少、投資運(yùn)行費(fèi)用低、供電簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求高，容易受電網(wǎng)及負(fù)載變化的影響。一般來(lái)說(shuō)，大中城市的供電系統(tǒng)可以滿足主機(jī)及外圍設(shè)備對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求，但設(shè)計(jì)時(shí)要注意避免機(jī)房附近有較大負(fù)載的啟動(dòng)、電磁干擾等情況。

（2）不間斷電源（UPS）供電。由于采用脈寬調(diào)頻技術(shù)、高效功率器件的成熟、微處理器的發(fā)展等因素，不間斷電源已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)房供電的主要手段。不間斷電源最大的特點(diǎn)在于不間斷性，而且能最大限度地提供穩(wěn)定電壓，隔離外電網(wǎng)的干擾。外電網(wǎng)一旦停電，UPS能在設(shè)備所允許的極短時(shí)間內(nèi)（微秒至毫秒級(jí)）自動(dòng)將備用能源經(jīng)逆變器變換成電壓、頻率和相位都與原供電電源相同的電能繼續(xù)向計(jì)算機(jī)供電。或者平時(shí)由逆變器供電，只在逆變器發(fā)生故障時(shí)，由靜態(tài)電子開關(guān)自動(dòng)將計(jì)算機(jī)瞬時(shí)切換到外電網(wǎng)供電或切換到另一臺(tái)與之并聯(lián)的UPS上，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。UPS提供的電源具有較高的電壓和頻率穩(wěn)定性，波形失真也較小，干擾更優(yōu)于外電網(wǎng)，是數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最理想的供電方式。幾乎所有的重要計(jì)算機(jī)設(shè)備都采用UPS供電。

（3）隔離供電。在交流進(jìn)線后面加一個(gè)隔離變壓器，然后再送給計(jì)算機(jī)。隔離變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)之間均加屏蔽層，并各引出一個(gè)抽頭與一次側(cè)、二次側(cè)的零線連接，再經(jīng)耦合電容接地，對(duì)電網(wǎng)瞬變干擾有隔離和衰減的作用。

（4）交流穩(wěn)壓器供電。

（5）發(fā)電機(jī)組供電。

3.2 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三相五線電源，TN-S接地方式，零線和地線分開設(shè)置，且零地線之間電壓小于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)所有線纜須設(shè)計(jì)鋼制橋架、線槽或鋼管敷設(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（箱）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。

3.3 UPS供配電系統(tǒng)

UPS供配電系統(tǒng)的供電范圍是計(jì)算機(jī)設(shè)備（主機(jī)和附屬設(shè)備）、通信設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、保安監(jiān)控設(shè)備、消防系統(tǒng)、應(yīng)急照明等。UPS輸出配電回路（每個(gè)配電控制開關(guān)為一個(gè)回路）需按機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備要求設(shè)置，小型機(jī)/服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)及重要路由器要由獨(dú)立雙回路供電，其他計(jì)算機(jī)設(shè)備可用一個(gè)回路帶3～4個(gè)插座，固定于地板下。

配電回路要預(yù)留若干個(gè)插座待以后擴(kuò)展使用，安全插座型號(hào)、數(shù)量及位置可根據(jù)最終機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備數(shù)量來(lái)考慮。UPS主機(jī)的電源應(yīng)設(shè)計(jì)單獨(dú)回路饋送，不得與空調(diào)使用同一回路。

4 電源布置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)和施工必須充分了解并掌握供電對(duì)象。充分了解機(jī)房設(shè)備和系統(tǒng)的資料才能做好電源布置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而合理地滿足機(jī)房用電需要。

機(jī)房應(yīng)設(shè)單獨(dú)電源管理間，用符合防火要求的隔墻與弱電設(shè)備隔離，避免電源管理間噪聲、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)。在計(jì)算機(jī)設(shè)備機(jī)房與電源管理間，設(shè)單扇朝電源管理間方向開啟的連通門，還可考慮設(shè)置玻璃觀察視窗。電源管理間應(yīng)做水泥地面，起到防潮、防濕的作用，可砌高0.3～0.5m的水泥平臺(tái)擱置配電柜和UPS電源等。

機(jī)房配電還應(yīng)考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展、升級(jí)等可能性，并應(yīng)預(yù)留備用容量。單相負(fù)荷應(yīng)均勻地分配在三相線路上，并使三相負(fù)荷不平衡度小于20%。

5 配電設(shè)備的安裝和線路敷設(shè)

在機(jī)房設(shè)備布局確定的前提下，按照電氣設(shè)備用途和設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行設(shè)備安裝和線路敷設(shè)。

（1）設(shè)備安裝。機(jī)房配電柜、UPS電源柜落地安裝；照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝；根據(jù)機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備負(fù)荷容量和分布情況，機(jī)柜（箱）內(nèi)元器件配置做到排列有序、安裝牢固、理線整齊、接線正確、標(biāo)志明顯、外觀良好、內(nèi)外清潔。電源柜及其他電氣裝置的底座應(yīng)與建筑物地面牢靠固定。電氣接線盒內(nèi)無(wú)殘留物，蓋板整齊、嚴(yán)密、緊貼墻面，同類電氣設(shè)備安裝高度應(yīng)一致。吊頂內(nèi)電氣裝置應(yīng)安裝在便于維修處。特種電源配電裝置應(yīng)有明顯標(biāo)志，并注明頻率、電壓。暗裝照明箱或開關(guān)面板宜安裝在機(jī)房出入口附近墻面的方便位置。分體空調(diào)插座設(shè)置在機(jī)房?jī)?nèi)墻面上距地1.8m處。

（2）線路敷設(shè)。供電距離盡量短，主要是從供電安全考慮，電子計(jì)算機(jī)電源間應(yīng)靠近主機(jī)房設(shè)備。主機(jī)房?jī)?nèi)活動(dòng)地板下部的低壓配電線路應(yīng)采用銅芯屏蔽導(dǎo)線或銅芯屏蔽電纜。機(jī)房?jī)?nèi)的電源線、信號(hào)線和通信線應(yīng)分別鋪設(shè)，排列整齊，捆扎固定，長(zhǎng)度留有余量。UPS電源配電箱（柜）引出的配電線路，穿薄皮鋼管或阻燃PVC管，沿機(jī)房活動(dòng)地板下敷設(shè)至各排設(shè)備桌、機(jī)柜和配線架的背面，經(jīng)帶穿線孔的活動(dòng)地板引上，穿管保護(hù)進(jìn)入金屬導(dǎo)軌式插座線槽、機(jī)柜或配線架。控制臺(tái)或設(shè)備桌后的敷線，用金屬導(dǎo)軌式插座線槽并用螺栓固定，安裝在設(shè)備桌背面距活動(dòng)地板0.1～0.3m處。

1 張成泉等.機(jī)房工程.中國(guó)電力出版社.2008年12月

2 林小村主編.《數(shù)據(jù)中心建設(shè)與運(yùn)行管理》.科學(xué)出版社.2010年4月