一點接地系統在數據中心的應用分析

孟 強

(華東建筑設計研究總院，上海 200002)

0 引言

隨著數據中心行業的發展日趨成熟，中國數據中心業務市場的增長率已逐步放緩，數據中心的建設更注重可靠性、綠色節能等品質方面的追求。2018年至今，北京、上海、深圳相繼出臺關于數據中心建設的指導文件，對建設規模、PUE、高新技術的應用均提出了更高的要求。

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、降低供電可靠性，兩者均會直接降低數據中心的運行品質。工程中廣泛采用的變壓器中性點直接接地方式，無法同時解決雜散電流和UPS斷零問題。因此，本文通過與一點接地系統的對比分析，指出一點接地是更簡單、有效、經濟的解決方案，應在工程中推廣使用，再結合數據中心備用電源的特點，給出對應多電源一點接地系統的構架。

1 雜散電流與UPS斷零

1.1 雜散電流

雜散電流是指中性線電流通過不正規的并聯通路返回電源的電流，可能會引起火災、腐蝕金屬管道、產生雜散電磁場干擾電子信息設備的正常工作等危害。

雜散電流的產生原因與解決方案包括：(1)施工錯誤，如在電氣裝置內N線與PE線接反、N線被重復接地、N線絕緣破損故障接地等，應通過規范施工工藝、提高施工質量避免錯誤的發生，并加強運維管理；(2)接地故障時，PE線成為不正規的通路產生雜散電流，若保護電器在規定時間內切斷故障，雜散電流通路消失，短時間內雜散電流產生的干擾可忽略不計；(3)系統多點接地導致中性線電流有不正規的通路，需根據系統接地方式合理匹配開關設備才能予以解決，以下將重點分析此問題。

1.2 高頻UPS斷零

高頻UPS是數據中心中最常用的交流不間斷電源裝置，其典型系統構架如圖1所示。根據T/CECS 486-2017《數據中心供配電設計規程》第6.2.3條“UPS設備主路輸入(整流器輸入)和靜態旁路的輸入宜分別引自不同的上級輸入開關”，在TN-S配電系統下，高頻UPS的零電位參考點由配電系統中性線提供，為節約線纜，通常主路為三根相線，旁路線纜為三根相線、N線及PE線。UPS系統一旦失去零電位參考點，會發生轉蓄電池供電甚至宕機故障，極大影響數據中心供電的可靠性。

圖1 高頻UPS系統圖

UPS斷零故障的產生與解決方案包括：(1)線纜故障，如N線電纜接頭安裝不牢靠、N線絕緣破損故障接地等，應通過規范施工工藝、提高施工質量避免故障的發生，并加強運維管理；(2)供配電系統運行模式切換導致UPS斷零，需根據系統接地方式合理匹配開關設備才能予以解決，以下將重點分析此問題。

2 雙電源接地系統

2.1 雙電源一點接地系統

以雙重電源供電的A級數據中心為例，兩臺變壓器為一組，組成雙電源系統為負載供電。為防止工作電流通過不期望的路徑產生雜散電流，根據GB/T 16895.1-2008《低壓電氣裝置 第1部分：基本原則、一般特性評估和定義》第312.2.1.2條“不應在變壓器的中性點或發電機的星形點直接對地連接；在諸電源中性點間相互連接的導體(PEN)與PE導體之間，應只連接一次，這一連接應設置在總配電屏內”，即應采用雙電源一點接地系統，如圖2所示，QF1～3均采用3P開關。

圖2 雙電源一點接地系統圖

(1)雜散電流問題分析

1)運行模式1：雙路市電正常，兩臺變壓器分別運行，QF1、QF2閉合，QF3斷開；系統為一點接地，電氣裝置N線上的電流如圖2中虛線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

2)運行模式2：變壓器T2側失電，系統由變壓器T1供電，QF1、QF3閉合，QF2斷開；系統為一點接地，電氣裝置N線上的電流如圖中虛線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

3)運行模式3：變壓器T1側失電，系統由變壓器T2供電，QF2、QF3閉合，QF1斷開；系統為一點接地，無雜散電流。

4)運行模式4：雙路市電失電，變壓器退出運行，QF1～3斷開，UPS下負荷由UPS供電；系統為一點接地，無雜散電流。

(2)UPS斷零問題分析

在上述4種運行模式下及4種模式切換過程中，系統N線始終與PE線連接，不會產生UPS斷零故障。值得注意的是，UPS的主旁路均應采用3P開關。

2.2 雙電源多點接地系統

與上文2.1相同，A級數據中心中兩臺變壓器為一組，按GB 50303-2002(舊版規范，已作廢)《建筑電氣工程施工質量驗收規范》第5.1.2條“接地裝置引出的接地干線與變壓器的低壓側中心點直接連接；接地干線與箱式變電所的N母線和PE母線直接連接；變壓器箱體、干式變壓器的支架或外殼應接地(PE)”，即變壓器中性點直接接地、雙電源多點接地系統，如圖3所示。

根據開關采用3P、4P的不同，系統有三種配置方案，每種方案有四種運行模式(如上文2.1所述)，對應雜散電流問題分析匯總如表1所示。

(1)雜散電流問題分析

以方案2(QF1～2為3P、QF3為4P)為例。

1)運行模式1：雙路市電正常，兩臺變壓器分別運行，QF1、QF2閉合，QF3斷開；N線在QF3處被斷開，兩臺變壓器各成系統，均為一點接地，電氣裝置N線上的電流如3圖實線箭頭路徑所示，只有一個流通路徑，無雜散電流。

不同開關配置方式及不同模式下的雜散電流 表1

圖3 雙電源多點接地系統圖

2)運行模式2：變壓器T2側失電，系統由變壓器T1供電，QF1、QF3閉合，QF2斷開；N線在QF3處被連接，系統為兩點接地，電氣裝置N線上的電流如圖3箭頭路徑所示，有多個流通路徑，有雜散電流；值得注意的是，虛線箭頭路徑僅示出了其中一種，N線電流還可能流經與接地裝置連接的金屬管道、接地扁鋼等。

3)運行模式3：變壓器T1側失電，系統由變壓器T2供電，QF2、QF3閉合，QF1斷開；系統為多點接地，有雜散電流。

4)運行模式4：雙路市電失電，變壓器退出運行，QF1～3斷開，UPS下負荷由UPS供電；系統為一點接地，無雜散電流。

(2)UPS斷零問題分析

1)方案1、方案2，在4種運行模式下及4種模式切換過程中，系統N線始終與PE連接，不會產生UPS斷零故障。

2)方案3，在模式1～3下，N線始終與PE線連接，無UPS斷零故障；在模式4下，N線與PE線斷開，會發生UPS斷零故障。

3)方案3，在模式1向模式3轉換時，需先斷開QF1再合上QF3，在此過程中N線與PE線斷開，會發生UPS斷零故障，通常此過程會持續數秒至數十秒；模式1向模式2轉換時，同理，會發生UPS斷零故障。

2.3 綜合對比分析

雙電源一點接地系統與多點接地系統除了在雜散電流、UPS斷零問題上有較大差別外，開關的選用、系統接地線纜的數量都會對工程造價產生影響，兩種接地方式的綜合對比分析如表2所示。

兩種接地方式綜合對比分析 表2

由表2可知，雙電源多點接地系統，無法同時滿足無雜散電流、無UPS斷零故障的實際使用需求；4P開關的使用增加了工程造價，但是僅能在某些運行模式下解決雜散電流問題；由于采用了變壓器中性點直接接地的方式，接地線纜是一點接地系統的兩倍，線纜費用高。而雙電源一點接地系統不僅無雜散電流和UPS斷零問題，而且開關、線纜的費用均較低。

現行版GB 50303-2015《建筑電氣工程施工質量驗收規范》第5.1.2條“柜、臺、箱、盤等配電裝置應有可靠的防電擊保護；裝置內保護接地導體(PE)排應有裸露的連接外部保護接地導體的端子，并應可靠連接”，也取消了原2002版規范中對變壓器中性點直接接地的要求。國標圖集14D504《接地裝置安裝》第93～95頁給出了多電源一點接地系統的示例。因此，一點接地不論是從理論分析、國家標準還是工程造價角度，都是值得在工程中廣泛推廣使用的系統接地方式。

3 多電源一點接地系統

在數據中心中，備用電源多采用柴油發電機組，10kV柴油發電機組接至10kV母線后給變壓器供電，其低壓配電系統仍可采用圖2所示的一點接地系統；0.4kV柴油發電機組需在0.4kV側與市電進行切換，根據柴油發電機組的位置不同，一點接地系統構架需做相應的調整。以下以兩臺變壓器和一臺柴油發電機組切換為例介紹多電源一點接地系統，實際項目中的柴油發電機組配置方案可參考18DX009《數據中心工程設計與安裝》第35頁的其他方案。

3.1 發電機距變壓器較近

柴油發電機組距變壓器較近時，如發電機房與變電所在同一棟建筑內毗鄰，可共用一組低壓配電柜，發電機組與變壓器通過雙電源自動轉換裝置(ATS)進行切換，如圖4所示。

圖4 發電機距變壓器較近時的多電源一點接地系統圖

變壓器、發電機組均引出A、B、C及PEN線，經ATS轉換后接至低壓配電柜，QF1～4均采用3P開關，PEN線與PE線在低壓配電柜內只連接一次，電氣裝置N線電流只有一個流通路徑，系統各種情況下均無雜散電流。值得注意的是，電源是經過ATS轉換后供至UPS裝置，ATS需要采用均有中性線重疊功能的裝置，以保證在電源切換時，不產生UPS斷零故障。

3.2 發電機距變壓器較遠

發電機組運行時振動、噪聲大，而且對進排風的要求高，為減小其對數據中心的影響，可采用室外集裝箱式柴發機組或獨立的柴油發電機建筑。此時，發電機距變壓器較遠，兩者間的聯絡母線阻抗增大，如果發電機需經變電所內一點接地而實現其系統接地，則過大的故障回路阻抗對短路電流的限制將降低發電機過電流防護動作的靈敏度。因此，發電機組與變壓器宜作為兩個獨立的一點接地系統考慮，此時多電源一點接地系統如圖5所示。

圖5 發電機距變壓器較遠時的多電源一點接地系統圖

兩臺變壓器組成一個一點接地系統，發電機組為另一個一點接地系統，通過雙電源自動轉換裝置(ATS)進行切換后供給數據中心電氣裝置。QF1～6均采用3P開關，各種運行模式下，電氣裝置N線電流只有一個路徑返回電源，均無雜散電流產生。同時，為保證UPS裝置不發生斷零故障，ATS需采用具有中性線重疊功能的裝置。

4 結束語