數據中心多電源系統接地及實施

鄒朋飛

本文基于數據中心項目從數據中心用電負荷特點、供電系統接地方式的選擇、實施中的具體問題包括電源轉換開關的級數、接地導體的選擇等方面闡述了數據中心多電源系統接地應注意的問題，對數據中心類項目中電源系統接地的設計和實施具有較高參考和指導性。

數據中心;系統接地;電磁干擾;雜散電流;開關極數;環形接地體

數據中心的定義是為集中放置的電子信息設備提供運行環境的建筑場所，可以是一棟或幾棟建筑物，也可以是一棟建筑物的一部分，包括主機房、輔助區、支持區和行政管理區等。簡單理解即為大量放置電子信息設備（包含數據計算、存儲、交換及傳輸設備等）并從事信息及數據等業務的場所。其從據數據中心的使用性質、數據丟失或網絡中斷在經濟或社會上造成的損失或影響程度劃分為A、B、C三級。根據用途還可劃分為括政府數據中心、企業數據中心、金融數據中心、互聯網數據中心、云計算數據中心、外包數據中心等。

從數據中心的使用功能可知，其用電負荷除普通的建筑電氣用電及消防負荷外均為IT信息設備負荷及保證其運行壞境的空調動力負荷，且在通常情況下后者占比很大，一個數據中心所設置的供電變壓器根據規模從幾臺到幾十臺不等，相比普通民用建筑，數據中心屬于電能消耗大戶。

由于IT信息設備中斷供電造成的影響和損失嚴重（尤其是對于等級較高的A、B級數據中心），其對供電電源系統的可靠性要求極高，通常A、B級數據中心均采用雙重電源供電，變壓器要求設置備份，應急柴油發電機要求考慮冗余。

同樣，電子信息設備對供電電能質量的要求也很高，對電磁干擾及過電壓特別敏感，若超標，可能造成電子信息設備無法正常運行或損壞，故機房環境除滿足規范要求的電能質量指標外，還應重點考慮機房環境的電磁干擾、過電壓及靜電等問題。

根據《數據中心設計規范》GB50174-2017，第8.1.6條：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。由此可知市電電源系統的接地應采用直接接地方式（即供電變壓器低壓側星形結點應直接接地）。

根據《數據中心設計規范》GB50174-2017，第8.4.9條要求，數據中心用3～10kV備用柴油發電機系統中性點接地方式的選擇應根據線路的單相接地電容電流數值及電網電源/常用電源接地方式確定。當電網電源/常用電源采用不接地系統時，柴油發電機系統中性點接地宜采用不接地系統。當電網電源/常用電源采用有效接地系統時，柴油發電機系統中性點接地可采用低電阻接地系統，也可采用不接地系統。當多臺柴油發電機組設置并機系統并列運行且采用低電阻接地系統時，可設置其中一臺機組接地實現系統接地。

根據《數據中心設計規范》GB50174-2017，第8.4.10條：1kV及以下備用柴油發電機系統中性點接地方式宜與低壓配電系統接地方式一致。多臺柴油發電機組并列運行，且低壓配電系統中性點直接接地時，多臺機組的中性點可經電抗器接地，也可采用其中一臺機組接地方式。

根據以上規范規定內容，再結合工程實際數據中心應急電源的系統接地無論高低壓電源設備通常采取與正常電源的接地方式保持一致，據筆者工程經驗10～35kV中壓電網多數采用不接地方式，故對于數據中心項目中使用的高壓應急電源多數采用不接地（也有經電阻接地方式），而對于低壓應急電源則均采用直接接地方式。

在數據中心建筑中，由于用電負荷以電子信息設備為主，電能質量問題除了諧波電壓、電壓暫降、電壓偏差等電壓擾動（voltagedisturbance）引起的干擾，還包括走線和接地實施不當產生的雜散電磁場等引起的對信息系統的干擾，后者與變壓器 、發電機站中性點接地的實施息息相關。一般情況變電所的接地屬低頻范疇，產生的感應電壓不高，對用電設備的影響較小，但對于信號電壓低且比較敏感的數據中心電子信息設備則不能忽視幅值不大的感應電壓帶來的影響。低壓配電系統內的中性線不平衡電流、對地正常泄漏電流及故障狀態下的故障電流在變電所內應通過本回路的正規通路返回電源，此處電源即為數據中心供電系統中的變壓器或發電機，若通過其他非本回路的不正規通路返回的電流則被稱作雜散電流，它可引起對電子信息設備的干擾、電氣火災、對地下金屬部分的腐蝕等危害。對于大量信息設備運行的場所，這種雜散電流導致的電磁干擾容易影響電子信息設備的運行，故數據中心工程中電源系統接地的實施應特別注意防止供電回路中中性線不平衡電流等形成不正規通路從而產生雜散電流、雜散電磁場。

為避免出現雜散電磁場對信息設備的干擾，對數據中心多電源的系統接地，根據國際規范規定其要求是一個多電源配電系統內PEN線只允許接地一次。

參考IEC相關規定，不允許在變壓器中性點就地接地，具體措施為變壓器引出的PEN線只能集中在低壓側配電盤上方的PEN母排和下方的PE母排作一次跨接，從而實現一點接地，如圖1所示。這樣設置可避免雜散電流，另外系統內接地故障電流返回各變壓器的通路是最短捷的，能提高故障保護動作的靈敏性，同時也比較便于安裝和維護管理。

根據以上原則，當電源為變壓器及發電機組成的供電系統時，為實現PEN線一點接地，可參照圖2實施。

（1）總配電盤開關極數。

由以上論述及圖1、圖2可知，采取PEN線在總配電盤上一點接地后，變壓器出線開關及各電源之間的聯絡開關應采用三極開關（很明顯若采用四極開關，PEN線將會被斷開，這樣的做法是被嚴格禁止的）。

（2）負荷末端雙電源切換開關極數。

若兩電源前端共用配電盤，負荷末端雙電源切換開關若采用三極，如圖3所示將會產生雜散電流，從而產生雜散電磁場引起不良后果。故此種情況下末端雙電源切換開關應采用四極開關切斷雜散電流路徑，從而避免產生雜散電流、雜散電磁場。

若兩電源前端不共用配電盤，這種情況下如圖4所示采用三極雙電源切換開關后不存在雜散電流路徑，也就無雜散電流產生，故此種情況下可采用三極雙電源切換開關。

關于變配電室等電位聯結，傳統做法大致為在建筑變配電室內設置MEB，再沿墻敷設一根環形接地體，材質為熱鍍鋅，常用規格為-40×4熱鍍鋅扁鋼，變配電室內設備金屬外殼均就近與環形接地體聯結即可。

對于PEN線在總配電盤上實施一點接地的的供電系統，試設想若變配電室內單獨布置的變壓器內部發生接地故障，其故障電流將不可避免地流通變配電室環形接地體，且在此種情況下故障電流將達到很高的數值。而根據《交流電氣裝置接地設計規范》GB/T 50065-2011、附錄E、公式E.0.1的驗算，對于接地故障

等效持續時間不小于0.14s時，環形接地體采用-40×4熱鍍鋅扁鋼最大允許通過的故障電流將小于30kA。我們知道對于數據中心的大容量供電系統，其變壓器低壓側的單相接地短路電流及接地故障切除時間完全可能超出上述驗算數值，所以采用-40×4熱鍍鋅扁鋼作環形接地體是不適宜的。此處的建議做法是將變配電室環形接地體材質改為銅排，再根據供電系統短路電流計算和導體熱穩定校驗選擇合適的尺寸規格。

隨著國家新基建政策的落實及大數據時代的到來，各地大大小小的數據中心如雨后春筍般涌現，關于其供電電源系統接地的做法，據筆者所知大部分任然采用的是國內傳統的做法，沒有接軌IEC標準采用PEN線一點接地。其實關于該問題，早在十幾年前國內該領域的著名專家王厚余老先生在其著作及論文中都已經詳細闡述過，本文也汲取了前輩的觀點。筆者真切希望在該問題上我們能盡快接軌國際標準，等發現問題后再來整改將浪費大量人力物力，為時晚矣。

[1] GB50174-2017.數據中心設計規范[S].

[2] IEC 60364-4-44：2015.低壓電氣裝置第4部分：安全防護第44章：電壓擾動和電磁干擾的防護[S].

[3] IEC 60364-1：2005.低壓電氣裝置第1部分：基本原則、一般特性評估、定義[S].

[4] GB/T 50065-2011.交流電氣裝置接地設計規范[S].

[5] 王厚余.建筑物電氣裝置600問[M].北京：中國電力出版社，2013.

[6] 王厚余.再論變電所的接地及雜散電流[J].建筑電氣，2011，30（3）：3-6.

（Guizhou Planning & Design Institute of Posts & Telecommunications Co.，Ltd. ?Guiyang Guizhou? 550001）

Based on the data center project， the paper expounds the problems that should be paid attention to in the data center multi power system grounding from the aspects of the characteristics of power load， the selection of the grounding mode of power supply system， the specific problems in the implementation， including the series of power switch， the selection of grounding conductor， etc， It has a high reference and guidance for the design and implementation of power system grounding in data center projects.

Data center;System grounding;Electromagnetic interference;Stray current;Switch pole number;Ring earth electrode