大数据中心电气系统设计及应用

大数据中心电气系统设计及应用

马书明

珠海格力电器股份有限公司 广东省 珠海市 519000

摘要 从电气系统设计角度出发，讨论大数据中心在配电,照明,消防,安装,选线等不同板块方面的要求与应用。

关键词 数据中心 电气系统 设计要求

0. 引言

随着大数据中心及人工智能超算中心的发展，电气专业得到了极大的重视，相较于常规项目的配电系统，数据中心的配电必须具有更高的可靠性和稳定的电力配送能力。电气设计方案也必须充分考虑系统的冗余性，故障可恢复性，需要配置备用电源，备用柴油发电站等设备以便抵御一般性的停电，设备故障断电。满足设备检修断电，火灾应急处理等能力。

本文通过研读数据中心相应的设计规范，根据乌兰察布某模块化数据中心、及某武某汉人工智能中心等项目的配电设计方案，整理出一套大数据中心配电系统方案设计要点。

0. 10kV/0.44kV变配电系统

1. 1. 负荷等级

一级负荷：数据中心的消防设备，应急照明，疏散指示灯消防用电；安防监控电源、机电设备监控系统、火灾自动报警系统，数据机房空调负荷，集成冷站内照明系统；

二级负荷：冷站中的换风系统；

三级负荷：集装箱内插座等。

1. 2. 市电供电电源

变电所由市电接入四路10kV电源（A1,A2与B1,B2回路），进线电源电缆分别由两个独立的上级电业变电站专线专仓引至两处电房的中压室，为数据中心变电房馈电，同时为冷站主机及动力电房馈电。高压电源布线由城市供电部门负责。

1. 3. 后备应急电源

工程设置柴油发电机做第三电源，发电机供电电压等级为10kV，（一般发电机容量PRP：样版项目中选用1800kW机组，10用1备）。室外设置埋地油罐，油管需满足负载连续运行12小时；在市电断电时，发电机系统能承担全部负荷，市电和发电机的切换采用有旁路功能的自动转换开关，自动转换开关时，不应影响电源的转换。中压室两路10kV电源均失电情况下，柴油发电机组在15S内自启动。柴油发电机组向消防负荷供电及一级负荷供电。

另外应急疏散照明和火灾事故照明灯具需采用自带蓄电池做后备电源。

1. 4. 变、配电所设置

系统设置两个变配电房，分别放置A路、B路配电电源，系统采用N+1配置方案，对应数据中心每个楼层一个信息系统变压器，并设置一个备用变压器；另外为给数据机房持续提供可靠制冷的集成冷站系统单独设置A路，B路动力变压器。

1. 5. 高压供电系统

10kV中压开关柜选用空气绝缘开关柜，10/0.4kV配电变压器选用SCB13型环氧树脂浇注干式变压器，0.4kV低压侧选用抽屉式低压开关柜。10kV配电装置应具有“五防”功能。项目总供电电压为三相AC10kV，电力部分使用电压为三相AC380V，照明部分为单相AC220V。

继电保护方面，10kV变电所进线采用过流，速断保护、接地故障保护；出线采用过流速断、零序保护，变压器设置高温报警、超高温跳闸保护。

高压侧进线处设置高压计量，低压侧变压器进线处设置低压总计量。

1. 6. 低压配电系统

低压配电系统接地形式采用TN-S系统。工作零线（N）和接地保护线（PE）自变配电所低压开关柜开始分开，不再相连。低压配电系统采用放射式与树干式结合的方式。

低压断路器运行分断能力要求：800kVA及以下变压器低压断路器运行分断能力要求不小于25kA，1000~2500kVA变压器低压断路器运行分断能力要求不小于65kA。

谐波治理：由于谐波分布的多变性和滤波工程计算的复杂性。变电所设计时预留滤波设备平面安装位置，待系统运行后对谐波进行实测和分析，根据实际情况采用响应有效的滤波治理措施。变频等设备滤波含量超出标准者，就地设置滤波吸收装置。如冷水主机要求自带变频控制柜内配有一致谐波装置（THDi＜5%，THDv＜10%），任何工况下不产生谐波现象。

部分回路设分励脱扣器，这些回路既可在自动互投时卸载部分负荷，放置变压器过载，又可以在火灾时，切断火灾场所相关非消防设备电源。

IT设备负荷合采用双回路UPS树干式供电，设备自带支持双电源（STS）输入自投；

1. 7. 电能检测，计量

在低压配电柜内和楼层配电柜内设置电表供内部核算。主要次级用能单位用电量大于或等于10kW时或单台设备大于或等于100kW时，应设置电表，以便进行能效分析及管理。以电力为主要能源的冷冻机组等大容量设备设专用用电能计量装置。公共建筑应按功能区域及类别（如：照明插座，空调，电力，特殊用电）分项进行电能监测与计量，并将能耗监管信息系统数据联网自动发送能耗状态。

1. 8. 照明

数据中心照明分为正常照明和应急照明，按各功能分区的环境特点和使用要求，确定各区照明功率密度，平局照度等指标如下：

灯具灯源选择：有人值班的设备机房选用LED直管灯，应急疏散指示灯和安全出口标识灯采用LED光源，其他无人值班的设备机房采用节能型荧光灯，公共区域选用LED吸顶灯。

灯具效率：直管型荧光灯，格栅灯需大于65%，带保护罩灯具须大于70%，开敞式荧光灯须大于75%，紧凑型荧光灯，格栅灯须大于45%，带保护罩灯具须大于50%，开敞式荧光灯须大于55%。灯具功率因数不应低于0.9。

照明控制：设备房照明采用就地设置照明开关控制；公共场所照明采用智能照明分组定时开关控制；楼梯灯采用节能开关或是人体传感器感应开关控制。

容量较高灯具（如卤钨灯，超过100W灯具）嵌入安装时，应采用隔热，散热措施，其电源线应不低于4mm²。

2. 防雷与接地防护

   1. 静电防护

项目主机房中铺设防静电地面，其静电耗散性能应长期稳定，且不应起尘，辅助区的地板或地面应有静电泄放措施和接地构造。防静电地板、地面的表面电阻或体积电阻值应为：2.5*10^4~1.0*10^9Ω，且应具有防火、环保、耐污耐磨性能。同时应符合《电子工程防静电设计规范》GB50611-2010的有关规定。

1. 2. 接地系统：

此类工程项目采用TN-S系统，N线仅在电源侧（变压器低压侧）一次性接地，接地保护线（PE）宜多次重复接地，要求接地电阻不大于1Ω，如实测不足，应加打人工接地体。利用土建桩基及承台板中的钢筋作为共用接地体，在基础承台板面下0.2m处，沿建筑物外围采用50*5mm热镀锌扁钢作环形敷设，同时采用50*5热镀锌扁钢焊接组成不大于15*15m的接地网格。

在各楼层强电间、弱电间、设备机房内设置等电位联结措施，在正常情况下不带点的设备金属外壳、金属管道和建筑金属构件等均需进行等电位联结并可靠接地。所有垂直敷设的金属管道及金属物的顶端和底端均应就近与防雷装置连接。

桥架全场不大于30m时，应不少于2处与接地干线连接；全场大于30m时，应每隔20-30m增加与接地干线的连接点。室外电缆桥架的起始端与终点端应与接地网可靠连接。

在建筑物的地下室或地面层处，下列物体与防雷装置做防雷等电位连接：建筑物金属体、金属装置、建筑物内系统、进出建筑物的金属管线。

1. 3. 防雷系统：

数据中心工程一般按二类防雷建筑物考虑，利用建筑物屋面钢结构与女儿墙作为接闪器，集装箱结构立柱作为防雷引下线，上下贯通。上部与屋面接闪带焊接，下部与环形接地扁钢，接地测试点焊接，所有集装箱钢结构必须可靠连接，形成电气通路。

在壁垒引下线的外侧距室外地坪0.5m处，设一外接100*100*5mm热镀锌钢板用作测量接地电阻。工程电子信息系统的雷电防护等级为B级。为防止过电压对设备造成损害，在各级低压电源进线处设置相应的电涌保护器。

1. 4. 防雷接地：

数据中心防雷接地设计应符合《建筑防雷设计规范》GB50057-2010和《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB50343-2012的有关规定。数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等必须进行等电位联结并接地。项目采用SM混合型等电位联结方式，主机房设置等电位联结网格，网格四周应设置等电位联结带，并应通过等电位联结道题将等电位联结带就近与接地汇流排。各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等进行联结。每台电子信息设备（机柜）应采用两根不同长度的等电位联结道题就近与等电位联结网格连接。

3. 消防系统

   1. 消防动力系统

消防电柜的电源区别于普通配电需要单独分开设置，并应有明显标识，对应的消防负荷、设备，照明应按照消防分区进行配电，并在末端箱采用自动互投切换。

消防专用设备，如稳压泵，排烟风机，加压送风机等不纳入BA系统，设备的过载保护应只报警，不跳闸，若采用空气断路器保护时，其整定电流应不小于额定电流的1.5倍~2倍，放置出现切断电路。有备用设备时，如消防水泵：首台过载保护动作跳闸，备用泵投入过载时只报警不跳闸。

新风机、排风机、送风机等采用手、自动转换控制并预留BA控制接口。排风兼排烟风机，进风兼补风风机：平时，由BA系统控制，火灾时，由消防控制室控制，消防控制室具有控制优先权。用于消防时过载保护只报警不跳闸。

设备配电装置安装在强电竖井、配电间或设备间内；远地控制电动机应在现场设有紧急启停装置及信号指示。

1. 2. 火灾应急照明

照度：消防灯具，地面最低水平照度如下：

1. 疏散照明≥1.0lx；

2. 人员密集场所≥5.0lx；

3. 楼梯间、前室或合用前室、人防区≥5.0lx；

4. 人员密集场所的；楼梯间，前室或合用前室≥10lx。

持续工作时间：消防应急照明，疏散指示系统灯具须自带蓄电池，系统应急启动后，在蓄电池电源供电时持续工作时间如下：

1. 地上最少持续供电时间≥1h；

2. 地下室最少持续供电时间≥1.5h；

应急照明配电箱防护等级：在潮湿场所，防护等级不低于IP65；在电气竖井内，防护等级不低于IP33。

应急照明控制器：应能接收火灾报警控制器或消防联动控制器干接点信号或DC24V信号接口。

消防备用照明：在消防控制室、消防水泵房、发电机房、变电所等火灾时继续工作用的场所设消防备用照明，同事设置疏散照明和疏散指示标志。备用照明灯具应由正常照明电源和消防电源专用应急回路互投供电。

4. 电控柜的安装要求

动力柜的自动转换开关电器（ATS）需要采用PC级，且需要配置隔离开关使用。

防护等级：配电柜、照明柜、控制柜的防护等级在室内安装时不低于IP30，在潮湿场所安装时不低于IP55，室外安装时不低于IP65，在室内安装的地插座盒地面灯具防护等级不低于IP54。封闭式母线的防护等级不低于IP65，消防泵控制柜的防护等级为IP55。

装在配电间内，设备机房内的配电箱采用壁挂式安装，柜体与墙壁之间应采用金属膨胀螺栓连接，各电气配电箱安装高度要求如下：

1. 箱体高度600mm以下，底边距地1.6m；

2. 箱体高度600mm-800mm高，底边距地1.2m；

3. 箱体高度800mm-1000mm高，底边距地1.0m；

4. 箱体高度1000mm-1200mm高，底边距地0.8m；

装在公共区域及功能房间内的照明配电箱，采用嵌墙式安装，其底边距地为1.6m。

落地安装的配电箱、控制台，应有不小于10cm高的混凝土或金属底座，以防地面水的浸蚀。

5. 电缆

高压电源需采用阻燃耐火铠装交联电缆，推荐型号ZAN-YJV22-8.7/15kV，室外沿电缆沟内支架敷设，室内沿桥架敷设。10kV馈电线路选用ZA-YJV-8.7/15kV交联电缆沿桥架敷设，10kV室外线路选用ZA-YJV22-8.7/15kV交联电缆直埋或穿管敷设。

低压配电柜的馈电线路中采用ZA-YJVR-0.6/1kV（交联聚乙烯绝缘聚氯乙烯护套）阻燃电缆；消防设备和重要设备的电力电缆采用ZAN-YJVR-450/750V耐火电缆；消防配电线路干线采用柔性矿物绝缘电缆（BTTRZ）；非消防负荷支线采用ZA-YJVR-450/750V电缆。低压电缆沿桥架敷设。照明、电力配电支线采用ZB-450/750V-BV型铜芯导线穿金属线槽或金属管在墙、楼板或吊顶内敷设。

一般的，控制电缆为阻燃型线缆，与消防设备有关的控制电缆为耐火型线缆，室外敷设的电缆采用铠装电缆。380/220V低压配电回路中，使用的绝缘导线，其额定电压应不低于750V，普通电力电缆额定电压应不低于1000V。

配电电缆保护线截面配置应满足下表：

6. 节能措施

供配电系统节能：降低配电系统自身能耗，提高设备用能效率。

变电所设于负一层，靠近负荷中心（下雨200m），低压配电系统采用单母线分段运行方式，系统接线适应负荷变化，按经济运行方式灵活投切变压器。配电不超过三级，减少正常运行时线路损耗，降低配电系统本身能耗。同时合理选择线路路径，尽量缩短线路长度，降低线路损耗。

选用IGBT脉宽调制整流型UPS，减少大功率整流逆变设备对供配电系统的谐波输出。设置自动补偿装置，补偿后的功率因数大于0.9，减少无功损耗。空调水泵等采用节能型电动机，提高电动机的能效，对于动态变化的负荷采用变频器控制，根据负荷大小实时调节电能供应。

7. 规范解读：

随着《数据中心设计规范》GB50174-2017的发布，替代了原《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008，电气技术要求也作出了相应的调整：

1. A级机房柴油发电机的备用时间由72h下降为12h，B级机房由24h下降为不做要求，满足外部供油时间即可。

2. 电子信息设备供电稳态电压偏移要求由±3%-5%，下降为-10%- 7%；

3. A级机房电子信息设备供电允许中断时间由0-4ms下降到0-10ms，B级机房0-10ms的要求取消了。

4. 不间断电源的输入端谐波电流畸变总含量要求由<15%升为<5%。

这些改变体现了我国在数据中心机房的设计建造领域上方案越发成熟，更多的追求提高电能质量和降低能耗。

结语：近些年来随着数据中心电气技术在运维实践中逐步完善，推动国家相关标准的更迭进步，相信随着行业的持续发展，我国科技人员的不懈努力，定会实现整个行业的繁荣发展，为我国在数据中心这一领域占领技术创新的前沿高地。

[1] 《数据中心设计规范》GB50174-2017；

[2] 《电子工程防静电设计规范》GB50611-2010