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机房供电概述及系统设计

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解決方案
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機房供電工程(一)概述及系統設計

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(一)機房供電概述

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1.供配電系統

供配電是數據中心機房的生命線,這句話一點也不夸張,因為離開了電我們的機房是連一分鐘也運行不了的,因此要建一個好的機房,首先要將供配電解決好。一般要求主要開關設備應該被設計成適合增容、維護和冗余,并提供雙倍的或隔離的冗余配置。設計時應該考慮到開關裝置、總線或斷路器維護的方便性。瞬時電壓浪涌抑制(TVSS)應該被安裝在電力分配系統的每一級上,并且采用適當的規格,以便能夠抑制可能發生的瞬時的能量。

不同類別機房對電源的要求:

A類機房:停電后會產生重大損失和社會影響,要求建立不停電電源系統。

B類機房:停電后會產生一定損失和社會影響,要求建立備用電源系統。

C類機房:停電后不會產生大的隕失和社會影響,可按一般用戶配置。

2.市電輸變電系統

對于一級負荷機房應該有從不同變電站供給的雙路供電,加上柴油發電機,通過應急電源柜切換后供給機房內的UPS和精密空調機組,ATS切換最好做在機房配電系統就近,切換后以最短距離輸送給機房設備。備用發電機系統是至關重要的一個因素。即便其中有一個故障時,也能夠直接地向計算機和其它設備提供一個理想質量和容量的電力供應。發電機的設計應能夠處理UPS系統或電腦設備負荷的諧波電流。備用發電機應該提供備用電源給所有的冷卻設備,避免負載設備溫度上升以及停止運行。如果發電機不支持這些系統,它們所帶來的益處就顯得很有限。在自動控制發生故障時,發電機應該能夠采用手動控制。應該給每一個發電機輸出提供瞬時電壓浪涌抑制(TVSS)裝置。

發電機燃料應該是柴油,這樣啟動比較快。考慮現場儲藏量的要求,通常需要保證4小時到60天。并且需要給所有燃料儲藏系統提供一個遠程的燃料監控和警報系統。由于微生物增長是柴油燃料最常見的故障,應設計有便攜的或安裝固定的清潔系統。在寒冷的季節,需要考慮給燃料系統加熱或循環,避免柴油燃料膠凝。當確定好現場燃料儲藏系統的容量時,同時需要考慮燃料供貨商在緊急情況時的反應時間。在發電機周圍提供UPS照明電源或單獨的電池,在發電機和裝置同時發生故障時提供照明。同樣,在發電機周圍也應該提供UPS供電插座。

在組件的分別測試之外,備用發電機系統、UPS系統和自動轉換開關應該作為一個系統一起測試。在冗余系統測試單個組件的故障時,冗余系統是為在一個組件發生故障時能夠繼續起作用而設計的。此外,一旦數據中心開始運行,應該定期測試系統,確保各個組件能夠繼續正常地發揮作用。

3.機房用電的配置

配電必須充分考慮到今后的發展余量。如lBMP550A服務器,每臺高配功率為lKW,一個機柜若裝6臺就是6KW,假如預期機房在今后會裝到最多四十個機柜那就是240KW;UPS一般可按照設備容量的1.3倍計算,就是312KVA,再加上適當的余量,選用3臺200KVAUPS冗余供電是一種較為理想的方案。

UPS的供電總容量2臺200KVA冗余UPS可少算一臺400KVA,精密空調單臺的實際耗電功率為20KW,假如配置10臺精密空調的話,總功率為10*20引200KW,機房UPS、空調總功率為:400+200=600KW,機房供配電要考慮到日后的發展余量等因素,一般可按照UPS與空調容量總和的150%配置,就是600*1.5=900KW,另外再加上新風機4KW、照明等的用電算8KW,則機房總的配電容量應為912KW其中由應急柜供電的為UPS和精密空調。

4.作為國家A類標準的計算機機房都要求具備雙路市電電源接入供電

雙路電源的切換開關(ATS0最好要安裝在UPS輸入的附近,這樣接法相比在遠端的配電柜切換來,可以消除從配電問到UPS之間動力線路,開關等引起的故障)。機房供配電的安全可靠性牽涉的問題很多,從市電輸入到UPS,從UPS輸出到各級ATS、各級開關然后到輸出端的各個接線盒及插座,每一個環節都十分重要,特別是處于供配電上游的UPS輸入總開關和輸出總開關以及ATS。其中任何一個一旦出現問題,都會引發嚴重的停電事故,后果將不堪設想,因此其配置問題必須慎之又慎,另外對于動力電纜的配置問題也很值得研究,由于機房內大量非線性負載的存在,使得諧波電流很大,所以一般機房剛建好時零地電壓都很低,而設備裝滿時零地電壓都會大大增加•我們的有效辦法之一就是降低零線的電阻,以前我們的零線、地線的線徑一般都比相線要,小很多,但實踐中三相配電線路內,相線上的3的整數倍諧波在中性線上會疊加,使中性線的電流值可能超過相線上的電流。但是從隆低諧波電流和零地電壓的目標出發,我們應該將零線和地線的線徑選得與相線相同甚至更粗一點。

(二)負荷等級和額定容量

依據計算機的用途和性質以及負荷分級的規定,采取相應的供電技術:對于一級負荷采用一類供電,重要機房供電屬于一級負荷,按一級負荷的供電要求,必須保證兩個以上獨立的電源點供電,采用兩條專用干線引進,兩路獨立電源在末端互投,建立不停電系統,而且要保證供電的質量;對于二級負荷采用二類供電,建立帶備用的供電系統;對于三級負荷采用三類供電,按一般用戶供電考慮。

機房用電系統要求提供的電源額定容量一般以兩種方式給出:

(1)確定機房用電系統的總功率大小或機房用電系統的總電流。這是選取電力設備、總斷路器、供電電纜、機房的總發熱量以及精密空調時都必需考慮的問題。通常供電總功率應留有不少于25%的余量。

(2)確定各機柜、分機、設備等所要求的工作電流。這對設計計算機房的配電柜、選取合適的傳輸導線和分路開關也是必需的。針對電氣設備額定電流,在整定總斷路器和分路開關時要注意電氣設備的啟動電流值。在進行方案設計時,有些經驗數據可供估算時參考,如:l)UPS功率:主機房可按350W~400W/㎡計算;照明用電可按l5W~20W/㎡計算。

(3)空調機電功率要根據機房制冷量考慮。主機房制冷量按400W/㎡計算,輔助機房制冷量按300W/m2計算,然后再根據電氣設備不同的效率和換算系數,確定空調系統用電負荷量。

(三)防雷和接地

接地極的接地電阻,當系統采用聯合接地時,R≤10Ω(北京地區可按0.5Ω考慮);當采用單獨接地時,R≤4Ω。在總配電室要做總等電位連接,各樓層的智能化系統設備機房、樓層弱電間、樓層配電間的接地,采用局部等電位聯接。貫穿弱電豎井的接地干線,應當是鍍鋅扁鋼,截面尺寸不小于一40mm×4mm。機房的重要設備和配電柜(箱),必須按GB50057一1994(2000年版),并安裝電涌保護器、做好等電位連接。


機房供電系統設計

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摘要:機房電氣工程中,安全、可靠是機房供配電系統設計的關鍵出發點,由于機房的供配電系統、照明、設備防雷、機房接地、UPS不間斷電源等與一般的強電設計有所不同,又與弱電專業的十幾個子系統密切相關。因此,它們處于強、弱電專業設計分工的接合部。

 

機房在智能建筑中的重要性確定了安全、可靠是供配電系統設計的關鍵出發點。由于機房的供配電系統、照明、設備防雷、機房接地、UPS不間斷電源等與一般的強電設計有所不同,又與弱電專業的十幾個子系統密切相關。因此,它們處于強、弱電專業設計分工的接合部。有兩種專業技術規范在這些界面上,有些規定也不十分明確,帶來的問題是:機房各子系統的設計深度差距較大;主要弱電機房預留的位置不合適,面積過大或偏小;弱電豎井中遺漏接地干線和電源插座;UPS電源容量、支持時間長短不一;UPS電源供電方式是采用集中式還是分散式不能確定;各子系統的供電和接地方式不規范等。一部分設計文件中,還經常發現有文字說明描述不清楚、系統圖和平面圖五花八門、圖形符號不按現行制圖,標準繪制等問題。

機房常用的供電方式不間斷電源(UPS)供電。由于采用了脈寬調頻技術、高效功率器件的成熟、微處理器的發展等因素,不間斷電源已經成為計算機房供電的主要手段。不間斷電源最大的特點,在于不間斷性,而且能最大限度地提供穩定電壓,隔離外電網的干擾。外電網一旦停電,UPS能在設備所允許的極短時間內(微秒至毫秒級)自動從備用能源經逆變器變換成電壓、頻率和相位都與原供電電源相同的電能繼續向計算機供電。或者平時由逆變器供電,只在逆變器發生故障時,由靜態電子開關自動將計算機瞬時切換到外電網供電或切換到另一臺與之并聯的UPS上,實現不間斷供電。UPS提供的電源具有較高的電壓和頻率穩定性,波形失真也較小,干擾更優于外電網,是計算機系統最理想的供電方式。幾乎所有的重要計算機設備都采用UPS供電。

(一)電源布置和系統設計

設計和施工必須充分了解并掌握供電對象。充分搜集機房設備和系統的資料才能做好電源布置和系統設計,從而合理地滿足機房用電需要。

機房應設單獨電源管理間,用符合防火要求的隔墻與弱電設備隔離,避免電源管理間操聲、蓄電池酸堿液滲漏和電氣火災等事故傳播到計算機設備機房內。計算機設備機房與電源管理間中間設單扇朝電源管理間方向開啟的連通門,還可考慮設置玻璃觀察視窗。電源管理間應做水泥地面,為防潮、防濕可砌高0.3~0.5m的水泥平臺擱置配電柜和UPS電源等。

UPS主供:主機設備、網絡設備、保安監控設備、多媒體、消防、應急照明等。

市電主供:空調設備、普通照明和給排風、維修插座、一般動力等。

(二)動力供配電系統

由總配電柜饋出的動力供配電系統采用50Hz交流電,380/220V三相五線電源,TN-S接地方式,零線和地線分開設置且零地線之間電壓小于lV。動力配電柜、照明配電箱采用放射式配電直接配至各用電設備。

機房內所有線纜須設計鋼制橋架、線槽或鋼管敷設。由于精密空調的供電電流大、負載動態范圍寬,為防止干擾,應考慮另選路徑單獨敷設電纜。

動力配電柜(箱)具有火警聯動保護功能,出現火警時可與消防系統聯動及時切斷電源,關閉防煙防火閥,并且在值班室安裝手動電源切斷裝置。動力柜、照明箱內的開關和主要元器件采用進口產品,并設置有效的防雷措施。有條件時,大型機房最好采用專用電力變壓器供電。

(三)UPS供配電系統

UPS供配電系統的供電范圍是計算機設備(主機和附屬設備)、通信設備、網絡設備、保安監控設備、消防系統、應急照明等。UPS輸出配電回路(每個配電控制開關為一個回路)需按機房內設備要求設置,小型機/服務器、網絡核心交換機及重要路由器要由獨立雙回路供電,其他計算機設備可用一個回路帶3~4個插座,固定于地板下。UPS電源分別送到主機房配電柜(末端)既可靠,又方便使用。還應該考慮為數據中心中關鍵的負載設備安裝電源分配單元(PDU),這些設施是合并了幾個組件功能到一起的一個裝置,通常很小,比分開安裝幾個獨立的面板和變壓器更有效。如果機房細分為不同的房間或空間,每一個房間或空間是由它們各自獨立的緊急電源開關(EPO)所支持,那么這些空間應該擁有自己獨立的水平分布區域。

電源分配單元(PDU)集成了獨立的變壓器、瞬時電壓浪涌抑制(TVSS)、輸出面板和電源控制的功能,并提供了更多的優點。

一個典型的PDU包括以下組件。

● 離線變壓器雙輸入斷路器應被視為允許連接一個臨時接駁,允許維護或資源冉分布時不用關閉關鍵的負載。

● 變壓器:盡可能靠近負載以減少從地線到零線之間的共模噪聲,減少電壓源接地和信號源接地之間的差別。當變壓器位于PDU裝置內時,就達到了最近的位置。

● 瞬時電壓浪涌抑制(TVSS):當導線長度盡可能的短時,最好低于2OOm皿,瞬時電壓浪涌抑制(TVSS)裝置的效率將大大地提高了。通過提供在同一個裝置中瞬時電壓浪涌抑制(TVSS)作為分配面板,可以提高效率。

● 分配面板:可以將面板與變壓器安裝在同一個機柜中或在需要更多面板的情況下,可以使用一個遠程的電源面板。

● 計量、監測、警報、和遠程控制當提供一個傳統的面板系統時,通常意味著大量的空間要求。

● 緊急電源關閉(EPO)控制。

單點接地總線應該用電力分配單元(PDU)將電源分配到關鍵的負載上。在需要額外分支電路的地方,面板或PDU"sidecars"可以是次級反饋的。應該提供兩個冗余PDU給每個機架供電,每一個PDU最好采用不同的UPS系統供電;提供給單相或三相計算機設備一個可以安裝在機架上的快速轉換開關或從每一個PDU饋給的靜態開關。選擇性地,可以提供給單線和三線設備,從分開的UPS系統饋給的雙饋給靜態開關式PDU,盡管這種安排提供稍微少一些的冗余和靈活性。應該考慮用彩色的表示牌和饋給電纜來區別A和B分布,例如,所有的A側用白色,所有的B側用藍色。

一條電路不應該服務多于一個機架,防止一條電路對多個機架產生電路故障。為了提供冗余,每一個機架和機柜應該各自獨有的、兩個專用的、從兩個不同的電力分配單元(PDU)或供電面板來的16A、220V的電路。對于高密度的機架可能要求更高的安培容量,一些新服務器可能要求一個或多個、單相或三相插座,額定電流要求5OA或更高。每一個插座應該用服務于它的PDU或電路號來標識。

(四)配電設備的安裝和線路敷設問題

在機房設備布局確定的前提下,按照電氣設備用途和設計圖紙進行設備安裝和線路敷設。

(1)設備安裝。機房配電柜、UPS電源柜落地安裝;動力配電箱、照明配電箱底邊距地1.4m墻上暗裝;根據機房內設備負荷容量和分布情況,機柜(箱)內元器件配置作到排列有序、安裝牢固、理線整齊、接線正確、標志明顯、外觀良好,內外清潔。分設單相、三相回路,配用小型真空斷路器,如C65N等線路保護開關。箱內設置輔助等電位接地母排。電源柜及其他電氣裝置的底座應與建筑樓地面牢靠固定。電氣接線盒內無殘留物,蓋板整齊、嚴密、緊貼墻面。同類電氣設備安裝高度應一致。吊頂內電氣裝置應安裝在便于維修處。特種電源配電裝置應有明顯標志,并注明頻率、電壓。暗裝照明箱或開關面板安裝在機房出入口附近墻面的方便位置。分體空調插座設置在機房內墻面上距地1.8m處。主機房內應分別設置維修和測試用電源插座,兩者應有明顯的區別標志。測試用電源插座應由計算機主機電源系統供電。其他房間內應適當設置維修用電源插座。單相檢修電源回路要在電源管理間各墻面距地0.3m設置檢修電源插座,禁止使用2kW以上大功率電感性電動工具。確需使用這類工具以及三相檢修設備,應使用施工移動式配電盤從機房所在樓層附近的動力或照明配電箱接取電源。

(2)線路敷設。供電距離盡量短,主要是從供電安全考慮,電子計算機電源間應靠近主機房設備。主機房內活動地板下部的低壓配電線路應采用銅芯屏蔽導線或銅芯屏蔽電纜。機房內的電源線、信號線和通信線應分別鋪設,排列整齊,捆扎固定,長度留有余量。UPS電源配電箱(柜)引出的配電線路,穿薄皮鋼管或阻燃PVC管,沿機房活動地板下敷設至各排機柜和配線架的背面,經帶穿線孔的活動地板引上,穿管保護迸大金屬導軌式插座線槽、機柜或配線架。控制臺或設備桌后的敷線,用金屬導軌式插座線槽并用螺栓固定,安裝在設備桌背面距活動地板0.1~0.3m處。

信號線纜在活動地板下從機柜、配線架至各設備,應采用金屬線槽沿設備周圍或主機房從設備背面的活動地板穿線孔引人的設備(注意不得與電源線路共用活動地板穿線孔,且間距大于0.1m),信號線纜避免沿機房墻邊敷設以防與強電線管交叉。活動地板下部的電源線應盡可能遠離計算機信號線,并避免并排敷設。當不能避免時,應采取相應的屏蔽措施。桌上設備之間的信號連線是短線的(長度于3m)應沿設備背部桌面明敷,但不得懸吊在設備桌背側空中;是長線的(長度大于3m)應從活動地板穿線孔翻下(上)穿薄皮鋼管在活動地板下敷設。機房照明負荷和普通空調負荷,由電源管理間分別引出動力和照明回路供電。照明和空調負荷線路均沿吊頂內或墻面敷設,避免在弱電機房

(3)可靠接地。總配電柜、UPS電源柜、動力配電箱、照明配電箱的金屬框架及基礎型鋼必需接地(PE)或接零(PEN)可靠。門和框架的接地端子間用裸編銅線連接。柜、箱內配線整齊。照明配電箱內的漏電保護器的動作電流不大于30mmA,動作時間不大于0.ls。接地(PE)或接零(PEN)支線必須單獨與接地(PE)或接零(PEN)干線相連接,不得串聯連接。UPS電源柜輸出端的中性線(N極),必須與由接地裝置直接引來的接地干線連接,作重復接地,接地電阻小于4Ω。當燈具距地面高度小于2.4m時,燈具的可接近裸露導體必須接地(PE)或接零(PEN)可靠,并應有專用接地螺栓和標識。外電源進線至機房電源管理間時,應將電纜的金屬外皮與接地裝置連接;從樓外引入的皚裝信號電纜和屏蔽信號線,進入弱電機房前也應注意采取防雷擊措施,避免沿建筑外墻或防雷引線引雷人室,遭受雷擊和高頻電磁干擾。同軸電纜的屏蔽層必須與機殼一起接地。

上述線纜進人機房后,應設金屬接線箱(盒),并將線纜金屬(屏蔽)外皮連接避雷器或浪涌電壓抑止器(SPD),然后與機房等電位接地母排,用截面積不小于16mm2的銅芯絕.緣線連通。這樣可以有效的抑制線纜接收到的電磁干擾信號,從而保證信號傳輸的質量。從機房送出的信號線路應采用金屬線槽沿墻并在吊頂內敷設,避免與其他電氣管路平行緊貼。盡量避開空調、消防、暖氣和給排水等管道,與它們的間距按相關規范執行。金屬電纜橋架及其支架和引入或引出的金屬電纜導管必須接地(PE)或接零(PEN)可靠,且必須符合下列規定:

1)金屬電纜橋架及其支架全長應不少于2處與接地(PE)或接零(PEN)干線相連接。

2)電纜橋架間連接板的兩端跨接銅芯接地線,接地線最小允許截面積不小于6mm2。

3)接地(PE)或接零(PEN)線在插座間不串聯連接。工程實施中按上述做法可以較好地處理機房供電的可靠和安全,各種不同電壓和頻率的信號線纜敷設安全、相互隔離度好、整齊、美觀并方便維護管理。

(4)消防系統的要求。消防系統的設備動力電纜,控制電纜、電線,按規范要求選用耐火型電纜、電線。其他弱電系統所用電纜、電線均采用阻燃型。在設備選擇及線路敷時,應充分考慮電磁兼容問題。

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