地下洞式數據中心電氣設計要點概述

摘 要：地下洞式數據中心利用其天然的地理優勢足以應對重大災害和極端天氣對數據安全的威脅，提供了傳統地上式數據中心無法比擬的安全性和彈性。目前我國對洞式數據中心的研究尚處于起步階段，現結合實際工程，介紹和探討了地下洞式數據中心設計中電氣專業設計的相關要點。

關鍵詞：地下洞式數據中心;電氣設計;供電電源;配電系統

中圖分類號：TM02 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-0797（2022）09-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.09.002

0 ? ?引言

地下洞式數據中心，顧名思義就是將數據中心建設于山體的隧洞之中。隧洞周圍深厚的巖石和穩固的山體結構為其提供了天然的地理優勢，足以應對極端的環境變化和突發的重大災害對數據中心安全的威脅。同時，山體結構中的溫濕度等環境狀態更容易維持穩定，對需要在穩定的環境參數范圍內運行的數據機柜及服務器非常有利。所以，地下洞式數據中心作為重要的數據節點，成為我國數據中心發展的新方向。

目前，我國對地下洞式數據中心的研究尚處于起步階段。本文結合實際工程，依據現行的相關規范，對地下洞式數據中心電氣設計中的一些要點和關鍵問題進行介紹和探討。

1 ? ?設計要點及主要內容

地下洞式數據中心的電氣設計以國家的相關標準和規范[1-7]為依據，主要的設計內容包括：機房等級劃分、設備模塊化、負荷分類與分級、供電電源、配電系統及運行方式、照明設計、線纜敷設、防雷接地等。

2 ? ?地下洞式數據中心的級別

在設計數據中心時，只有先確定設計對象的等級，才能根據規范合理地設計。基于地下洞式數據中心的優勢及定位，目前的工程均將其定為A級數據中心。因此，本文以A級為數據中心設計等級，對地下洞式數據中心的電氣設計進行一定的概述和分析。

3 ? ?設備模塊化設計

由于隧洞空間建設成本較高，因此為了合理且最大限度地利用空間，地下洞式數據中心的建設思路及發展方向是采用標準化的方艙模塊進行組合堆疊，從而提高數據中心的出柜率、可靠性等各項指標。

在項目設計中，結合整個數據中心系統的架構及層級，將電氣系統中的中壓配電系統、低壓配電系統、自備應急電源系統及IT設備供電系統等進行模塊化和標準化：設計統一規格和標準的中壓電力方艙模塊、低壓電力方艙模塊、柴油發電機方艙模塊、IT方艙模塊等模塊化設施，并將各方艙在洞內進行合理組合和堆疊。

方艙，就是采用集裝箱結構，由鋼材構建，考慮綜合運輸可靠性及模塊內承重需求，底座、支撐立柱和頂蓋采用焊接方式形成穩固的一體化框架。方艙模塊，就是對目標設備進行合理的系統及布局設計后，將其安裝在方艙內，成為相關的功能模塊。如低壓電力方艙模塊，是將變壓器、低壓進出線柜、有源濾波柜、無功補償柜、UPS等設備合理地布置在方艙中，并做到整個項目的統一設計，使其模塊化與標準化。

同時，在進行模塊化的方艙設計時，各方艙模塊需要滿足可上下堆疊、空調通風、密封性、可拼接等要求。

4 ? ?負荷分類與分級

4.1 ? ?負荷分類

地下洞式數據中心工程的負荷種類繁多，主要可分為如下幾類：

（1）IT設備：位于運營商機房、機房模塊內用于信息傳輸、處理和存儲的網絡設備、服務器、存儲設備等。

（2）輔助設備：為IT負荷正常運行提供支持的輔助設備，包括機房空調、機房照明、安防設備、控制設備等。

（3）消防設備：消防水泵、排煙風機、報警系統、應急照明等。

（4）公區照明及其他設備：一般辦公及其相關的非重要用電負荷。

（5）機房日常清掃、維護設備。

4.2 ? ?負荷分級

根據負荷重要性，參照規范[1，4]確定地下洞式數據中心各類負荷的等級：

（1）一級負荷中特別重要負荷：IT設備、輔助設備;

（2）一級負荷：消防設備、公區照明;

（3）二級負荷：一般辦公負荷、機房日常清掃及維護設備。

5 ? ?供電電源設計

地下洞式數據中心內共設置三種供電電源，分別為：市電電源、自備應急電源、不間斷電源。

5.1 ? ?市電電源

市電電源是數據中心的主電源，為數據中心的設備提供電力供給。根據規范，地下洞式數據中心的市電電源不僅需要滿足2N的容錯架構，還必須滿足雙重電源的要求。其中，雙重電源的要求在規范《民用建筑電氣設計標準》（GB 51348—2019）第3.2.8條的條文說明中有詳細介紹與解釋。在方案設計階段就需要對建設點的供電情況進行合理的調查與分析，將用電容量、回路數量及雙重電源的需求提交給當地的供電部門，保證后期的設計與建設階段能有滿足要求的雙重電源供給。

5.2 ? ?自備應急電源

在A級數據中心中，必須配置自備應急電源以防止突發情況導致市電中斷，造成數據中心癱瘓。

由于柴油發電機組的操作性較高，所以在地下洞式數據中心的設計中將柴油發電機組作為應急電源，同時根據規范要求，柴油發電機系統應該按照N+1的架構進行冗余配置。地下洞式數據中心柴油發電機組主要技術參數的選擇可按照表1進行。

5.3 ? ?不間斷電源

為了保障數據中心運行可靠穩定，UPS不間斷電源被廣泛應用于數據中心的電源系統。UPS電源的作用主要包括中斷保護（可靠性）和防止電涌或持續電壓尖峰對電子信息設備的影響（抗干擾性）。

在洞式數據中心項目UPS設備的選型中，一般采用三相交流引入、三相交流輸出IGBT整流型不間斷電源設備，為保證系統的可靠性，要求采用大容量高頻塔式或模塊化UPS。

根據規范要求，為洞式數據中心的不間斷電源配置2N的容錯架構，系統電池備用時間不應小于15 min。同時，為了保證洞內各輔助系統的穩定運行，為洞內的制冷、安防等系統亦配置了不間斷電源系統，并按基本容量N配置。

6 ? ?配電系統及運行方式

6.1 ? ?高壓配電系統

地下洞式數據中心的高壓電源建議為10 kV。根據實際的負荷容量，10 kV電源可以由市政電網直接按提資要求（雙重電源）供給或者在場區內自建110 kV（或220 kV）變電站降壓后提供。兩組10 kV電源不僅需要滿足雙重電源的要求，還需要采用兩路電源同時工作、互為備用的方案，當一路電源突發故障時，另一路電源能夠完全滿足數據中心的運行要求。

根據模塊化設計的要求，地下洞式數據中心高壓配電系統的設備集中設置于標準的中壓方艙內，并將此中壓方艙設置于整個項目的負荷中心，為各區域的低壓電力艙提供高壓電源。

10 kV系統設置單母線分段的結構：同組兩路市電電源分別接至兩段母線，母線間設分段母聯斷路器（母聯具備自投手復、手投手復功能），同時，運行時兩個進線斷路器、母聯分段斷路器間設置聯鎖，保證只能有兩個斷路器同時閉合。

6.2 ? ?柴油發電機配電系統

依據規范并結合具體情況，地下洞式數據中心的后備柴油發電機容量應包含洞內所有負荷的容量，包括UPS系統（含IT設備和輔助設備）的容量、公區照明及其他設備的容量、機房日常清掃及維護設備的容量。目前，在具體的地下洞式數據中心工程中，柴發機組總容量較大（均超過10 000 kW），故應采用10 kV中壓機組。

根據模塊化設計的要求，項目中的柴發系統應設置標準化的柴油發電機方艙，并集中設置于洞內的動力區域，且需要配置配套的油庫區域為柴發機組提供柴油的儲存及輸送功能。

同時，柴發機組按照規范要求應設置N+1的冗余架構。N+1臺中壓發電機組成系統并機，電源輸出至洞內10 kV中壓方艙的配電柜內與兩路市電電源進行電氣互鎖，并在需要時從市電切換到發電機組供電。

6.3 ? ?低壓配電系統

地下洞式數據中心的低壓系統具有負荷種類繁多、供電形式多樣等特點，必須依照相關規范的規定進行設計才能保持供電系統的可靠性和穩定性。

第一，低壓變配電系統應設置2N的容錯架構：配置同規格、同容量的變壓器，每兩臺為一組，兩臺變壓器間設置低壓母聯開關，互為備用。同時，在地下洞式數據中心的設計中應將變壓器設置在每條洞的負荷中心，從而降低中性線與PE線之間的電位差。

第二，低壓系統的接地應采用TN-S系統，主接線采用單母線分段運行。

第三，地下洞式數據中心內負荷種類較多，每種負荷應采用符合規范要求的合理供電方式。

（1）IT設備：由兩路電源、兩回線路，集中設置2N在線式UPS系統，雙電源供電至設備。

（2）輔助設備：采用“一路市電+一路U電”的供電方式，由兩路電源、兩回線路，集中設置UPS系統，雙電源供電至設備。

（3）消防、公區照明等設備：由兩路市電電源供電并在末端自動切換。

（4）一般辦公負荷、機房日常清掃等負荷：由一路市電電源供電。

根據模塊化設計的要求，低壓配電系統中相關設備應設置于標準的低壓電力方艙內，其中包括變壓器、UPS、低壓進出線柜、有源濾波及補償柜、氣體滅火和電力監控柜等。方艙內頂部考慮布置強電、弱電、光纖橋架等線路敷設的路由。同時，低壓電力方艙應設置于各自供電范圍內的負荷中心。

6.4 ? ?不間斷電源配電系統

設計中需要配置UPS的設備包括：IT設備、安防與控制設備及輔助設備。

配置UPS系統時，為了減少對IT設備的干擾，需要為IT設備單獨設置一組不間斷電源系統，不能與其他設備合用不間斷電源。其中，為了保證IT設備供電的可靠性與可擴展性，同時也考慮到UPS在承受較低功率因數時存在不同程度的降容運行，其輸出功率Pu應滿足下列式子：

為IT設備供電時：

Pu>1.2Pit（1）

為輔助設備供電時：

Pu>1.3Pfz（2）

式中：Pu為UPS的輸出功率;Pit為IT設備的額定功率;Pfz為輔助設備的額定功率。

根據規范要求，地下洞式數據中心內IT設備均由兩組UPS供電，兩組UPS按2N容錯方式配置，為每組機架提供兩路UPS電源，正常工況下每組UPS只負擔一半負荷，故障工況時單組UPS負擔全部負荷。

同時，為了保證洞內各輔助系統的穩定運行，建議為洞內的制冷、安防及控制等系統亦配置不間斷電源系統，并按基本容量N配置，采用“一路市電+一路U電”的模式進行配電。

7 ? ?照明設計

在洞式數據中心的照明設計中，首先需要對照明區域進行劃分。以洞內各區域的功能作為劃分依據，可以將洞內的照明區域劃分為輔助區、工作區及檢修走道區域，不同的工作區域需要根據規范[1，7]設計合理的照度值，同時，工作區的照度均勻度、輔助區與工作區照度值的比值等均需要滿足規范[1，7]的要求。其次，整個洞內的照明建議設計為智能控制：采用分布式計算機控制與管理的集散型控制系統，由控制中心進行集中監控。第三，各功能區域均應設置應急照明及疏散指示照明，且采用集中電源集中控制型的系統。

8 ? ?線纜敷設設計

由于地下洞式數據中心的重要性，在線纜選擇時不僅要考慮其穩定性和可靠性，還需要注意電氣防火。選擇線纜時，消防負荷采用無鹵低煙阻燃耐火交聯電纜或礦物絕緣電纜，非消防負荷采用無鹵低煙阻燃電纜，電纜耐壓等級和載流量（考慮溫度系數和并列系數）滿足使用要求。敷設時，洞內電纜沿橋架敷設，出橋架后穿金屬管敷設，橋架做防銹防潮整體考慮。

地下洞式數據中心內有較多的非線性負荷與單相負荷，運行中不僅容易產生諧波，而且較多的單相負荷也容易產生三相不平衡現象，故電力線路的中性線含三相諧波電流的疊加及三相負荷不平衡電流，實測往往等于或大于相線電流，因此所選線路的截面積應滿足：

SN≥SL（3）

式中：SN為中性線截面積;SL為相線截面積。

此外，設計時應將單相負荷均勻地分配在三相線路上，從而減小中性線電流和由三相負荷不平衡引起的電壓不平衡度。

9 ? ?防雷與接地設計

9.1 ? ?防雷電電磁脈沖

對于地下洞式數據中心，防雷電電磁脈沖是防雷工程的主要任務。雷電電磁脈沖產生的感應浪涌電流會影響數據中心內設備的正常工作，其產生的過電壓甚至能導致設備損壞。

在地下洞式數據中心工程中采取的防止雷電電磁脈沖的主要措施包括：屏蔽、接地與等電位連接、浪涌保護器保護。

（1）屏蔽。屏蔽是防雷電電磁脈沖的基本措施，包括空間屏蔽和線路屏蔽。空間屏蔽，包括利用建筑金屬構件與防雷裝置連接形成格柵型屏蔽大空間的建筑物屏蔽，也包括利用屏蔽性能更好的金屬構件增加機房本體及其門、窗等構件的屏蔽性能的機房屏蔽。線纜屏蔽，通過采用屏蔽電纜或金屬管并且在線路兩端及防雷區交界處做等電位連接的方法，從而降低系統中的感應浪涌。

（2）接地與等電位連接。接地起到將防雷電流泄放入地的作用;等電位連接網絡將各設備間的電位差減至最小，從而減小由此產生的磁場。

（3）采用浪涌保護器組合限制浪涌。在數據中心內，將不能進行等電位連接的金屬導體，如電源線和數據線等，利用浪涌保護器與接地系統連接，起到限制浪涌電壓的作用。

9.2 ? ?接地設計

地下洞式數據中心內應設置聯合接地體：變壓器中性點接地、電氣設備的保護接地、弱電系統等的接地共用統一接地體，接地電阻不大于1 Ω。同時，項目內設置總等電位連接。

在隧洞兩側敷設通長的主接地銅排（采用規格為100×5的熱鍍鋅扁鋼），并經LEB板和結構預埋件與洞壁結構預留鋼筋焊接連通。隧洞內各類金屬管道、金屬線槽、集裝箱體外殼、建筑物金屬結構就近與接地干線進行連接。

在各方艙集裝箱內設置通長的接地銅排（采用規格為25×5的熱鍍鋅扁鋼），方艙內設備外殼采用6 mm2接地線與接地銅排可靠連接，接地銅排通過接地線（25×5熱鍍鋅扁鋼）接至方艙外部對應的兩處接地端并與主接地干線連接。方艙集裝箱體外殼與內殼的金屬構件間應可靠焊接，形成電氣的可靠連接。

洞內各個接地端串聯形成環網，最終構成一個整體的等電位接地網，該等電位接地網再通過接地體與接地網相連。

10 ? ?結語

地下洞式數據中心是數據中心發展的新突破，也是數據中心工程在“新基建”中的全新方向，它為大數據時代的信息安全提供了傳統地上數據中心無法比擬的可靠保障。目前地下洞式數據中心的設計和建設均處于起步階段，本文的要點概述是通過實際工程得到的經驗和總結。地下洞式數據中心是一個極為復雜的綜合工程，設計中的每個環節都需要研究和探索，唯有科學合理的設計才能保證數據中心的可靠、穩定和安全。

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收稿日期：2022-02-21

作者簡介：羅文（1985—），男，貴州貴陽人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣工程。