數據中心中、低壓柜操作電源的研究

盧學山，張文利

（中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

1 數據中心電源概述

近年來，數據中心的建設呈高速發展態勢。數據中心用電的特點是耗電量大，IT負荷及其配套空調用電可靠性要求高。對于每棟大型數據中心，通常是由園區內110 kV（220 kV）變電站引入兩回或4回10 kV進線分A、B路供電。在數據中心內部，除一層布置動力用變壓器為冷卻水泵、冷凍水泵及其他動力設備供電外，標準層均配置IT用變壓器，為IT負荷及其配套設備供電。因此在數據中心設計有10 kV中壓柜和400 V低壓柜為各電壓等級設備配電，本文主要探討數據中心中、低壓柜的操作電源的設計。

2 10 kV中壓柜操作電源

對于10 kV中壓柜的操作電源設計，通常采用配備蓄電池的專用直流屏。其輸入為兩路不同上級的三相交流380 V，輸出電壓為直流110 V或220 V。在電力系統中，將用于控制或信號指示的直流控制回路電源母線稱為控制母線，用字母KM來表示，將用于合閘電磁鐵或合閘儲能電機的電源母線稱為合閘母線，用字母HM來表示，這兩種母線共用負極母線。

合閘母線與控制母線用途不同，其區別在于控制母線需要提供較小負荷的持續直流電源，而合閘母線只在需要在動力負荷啟動時提供瞬時較大的電源，平時無負荷電流，其用電負荷包括多臺設備同時合閘和直流動力負荷啟動兩部分。由于在動力負荷啟動或合閘線圈、儲能電機合閘時電流較大，會造成合閘母線電壓的短時下降，因此合閘母線電壓要求設計的稍高一些，為直流240 V或直流125 V?？刂颇妇€電壓則一般為直流220 V或直流110 V。蓄電池并接在合閘母線上，控制母線由合閘母線經硅鏈降壓后供電。

隨著科技的發展，近些年來電磁操作機構已經逐漸被淘汰，取代它的是彈簧機構和液壓機構等新的操作機構。這些采用新機構斷路器的分、合閘是依靠儲能電機提前儲好能量，在斷路器動作（手動分、合或保護動作）時釋放能量來完成，所以合閘電流不需要很大，對于合閘母線也就不是太依賴。因此部分設計師會設計控制母線帶保護裝置，所謂的合閘母線帶儲能電機，其實這個控制母線和合閘母線電壓已經統一?，F在控制母線和合閘母線的概念已經淡化，用保護母線和控制母線來描述更恰當些。保護母線提供保護裝置和其他自動化裝置的電源，控制母線提供斷路器的操作電源等?，F在新建的變電站基本上不設置合閘母線，但是在某些特定設計背景下，這種設計方案仍需保留。

數據中心相比于電力系統的繼電保護裝置配置略少一些，但是供電可靠性要求略高于電力系統。在某數據中心10 kV中壓柜配套操作電源直流屏設計中，每套直流屏配置了兩組閥控鉛酸免維護50 Ah蓄電池，其操作控制電源延用了合閘母線+控制母線的方案。該操作控制電源主要用于假負載測試柜、柴發并機柜以及各配電室饋線柜等10 kV開關柜的柜內控制電源。

在某些數據中心的設計中，由于直流屏僅布置在一層，而每個標準層變壓器前的10 kV中壓配電柜也需要有操作控制電源。從一層引接直流電源一方面是距離遠，電壓降大，另外一方面是直流饋線電纜跨越的樓層數多，增加了直流接地的風險。因此在標準層10 kV配電柜的操作控制電源會考慮從本層的UPS取，其控制電源為交流220 V。此外，由于UPS自帶蓄電池，也能滿足標準層10 kV中壓柜操控電源的需求。

3 0.4 kV低壓柜操作電源

數據中心0.4 kV低壓柜配電的用電負荷主要有冷站設備、BA動環智能化設備、機柜不間斷電源（UPS、HVDC）以及機柜精密空調等。按照GB 50174—2017《數據中心設計規范》中對于用電負荷的分類，大型數據中心中IT設備、冷凍水二次泵、精密空調、安防和控制以及備用照明等負荷按一級負荷中特別重要負荷標準供電，為IT設備服務的冷源系統、通風系統以及消防設備（報警設備、排煙等級、消防水泵）等按一級負荷標準供電，檢修動力和普通照明等按三級負荷標準供電。其中一級負荷的供電可靠性為GB50052—2009《供配電系統設計規范》中供配電最高等級要求，常按2N或2N+1原則配置相關配套電氣設備。

數據中心0.4 kV配電柜按上級設備來分可分為變壓器低壓側0.4 kV配電柜、UPS輸出0.4 kV配電柜以及HVDC直流240 V輸出柜。在HVDC直流輸出柜中，其負荷饋線采用了熔斷器+直流斷路器的方式來實現對用電負荷的保護。

在交流低壓柜中，較常采用的電氣分斷元器件為空氣斷路器，含ACB框架斷路器、MCCB塑殼斷路器以及MCB微型斷路器3種。其中，塑殼斷路器和微型斷路器由于體積小，載流量和分斷短路能力弱，常用于饋線的輸出，而框架斷路器因其體積大，載流量和分斷短路能力強，常用于0.4 kV母線進線和母聯。在數據中心設計中，由于IT用電設備集中，UPS采用多機并機運行，當UPS單臺容量超過500 kVA時，其UPS輸出斷路器和母聯斷路器也會采用框架斷路器。此外，由于塑殼斷路器的框架規格最大為800 A，因此800 A以上規格斷路器常采用框架斷路器。

常規的400 A及以下規格塑殼斷路器和微型斷路器為手動分、合操作，不需設置操作電源，其控制電源常用于紅綠指示燈和表計。而630 A以上規格塑殼斷路器（加裝自動操作裝置）和框架斷路器由于機構復雜，內部集成了儲能機構和脫扣裝置，需要設置有操作電源才能實現遠方操控。

框架斷路器和加裝了自動儲能裝置的塑殼斷路器按照安裝位置的不同，其操控電源的配備也不相同，主要可分為以下兩種。

一是變壓器低壓側0.4 kV進線斷路器及母聯斷路器。數據中心的變壓器低壓側0.4 kV進線斷路器及母聯斷路器操控電源取自變壓器低壓側A相母線，經微型斷路器或熔斷器接至框架斷路器的操作控制回路，用于儲能電機及分合閘線圈供電。此方式存在的問題為一旦變壓器高壓側失電，低壓側斷路器會失去操控電源，僅能靠失壓脫扣裝置或串接在控制回路中的高壓側輔助接點才能分開斷路器，因此該配備方式僅適用于可靠性要求較低的用電負荷。在電力系統中，重要設備斷路器的控制電源常需要采用取自直流屏的可靠直流電源。

二是UPS低壓側0.4 kV輸出斷路器。UPS低壓側0.4 kV框架斷路器操控電源可取自直流屏輸出，也可取自兩路不同段0.4 kV母線饋線經PC級ATS切換裝置后供給。該配備方式可在本路市電斷電情況下保證操控電源的持續供應，可靠性較高。

不配備控制電源的0.4 kV框架斷路器僅能依靠手動儲能的方式來實現斷路器的分合，只能滿足試驗和正常運行時斷路器的分、合閘，無法實現遠方操作和自動分合閘，因此必須按照實際需要設計合適的操控電源。

4 切除非消防負荷的分勵脫扣

除了常規的手動、自動分閘方式外，數據中心用電設備存在一種需要遠方自動分閘的情況，那就是消防切非。在非消防電源用電負荷的切除中，強切消防時必須要停電的饋線，因此選用帶分勵脫扣器的斷路器，以便消防控制中心的消防火災報警系統能通過輸入輸出控制模塊遠距離使斷路器跳閘，以切斷非消防負荷的電源，避免發生次生傷害。

在發生火災時，消防控制室發出報警信號，由于非消防負載的斷路器上安裝了分勵脫扣器，同時加裝有中間繼電器，通過消防跳閘信號接通至此中間繼電器，在斷路器的分勵脫扣線圈回路中串接中間繼電器的常開觸點，通過分勵脫扣器、中間繼電器與輸出模塊的配合來切除非消防負荷。分勵脫扣器和輔助觸頭如圖1所示，其額定控制電壓一般為直流220 V或交流220 V/380 V。當電源電壓處于控制電壓的70%～110%時，在斷路器的合閘情況下分勵脫扣器使斷路器能脫扣斷開。

圖1 分勵脫扣器和輔助觸頭

分勵脫扣器的原理如圖2所示。通過分析可以看出，分勵脫扣器是一個加有脫扣器的分閘線圈。當給分閘線圈加上24 V電壓時，斷路器就會脫扣分閘。斷路器操作把手的位置除了上合、下分兩個位置外，脫扣后斷路器的把手將會停留在中間位置，相當于釋放了能量。斷路器分勵脫扣后無法遠方操控合閘，也不能直接手動合閘，必須將斷路器再扣后才能合閘。所謂再扣，就是將斷路器把手從中間位置向下扳到最底的位置后，使脫扣器重新鉤住，然后斷路器才能操作。切斷非消防電源時用直流24 V，該24 V電源取自消防控制室帶蓄電池的火災報警裝置。分勵脫扣線圈只能短時間通電，時間長會燒損分閘線圈。因此為防止線圈燒毀，塑殼斷路器會在分勵脫扣器中串聯微動開關，當分勵脫扣器通過銜鐵吸合時，微動開關狀態從閉合轉換成斷開，從而切斷分勵脫扣器的控制回路。

圖2 分勵脫扣器原理圖

5 結 論

近些年來，隨著國家5G布局，數據中心的建設快速發展，對數據中心的電源可靠性要求也越來越高。在重視數據中心供電安全可靠的同時，也需要關注中、低壓柜操作電源的正確設計，以保證數據中心的安全運行。