劉藝偉

（維諦技術(shù)有限公司北京分公司，北京 100026）

0 引言

目前數(shù)據(jù)中心主流的供配電架構(gòu)有2N架構(gòu)、DR架構(gòu)、RR架構(gòu)，根據(jù)GB 50174—2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》，目前A級(jí)數(shù)據(jù)中心采用的電氣架構(gòu)基本是2N架構(gòu)。同時(shí)規(guī)范規(guī)定，數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)的接地形式宜采用TN系統(tǒng)，采用交流電源的電子信息設(shè)備，其配電系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)[1]。在目前的設(shè)計(jì)中由于規(guī)范的不同要求以及成本的限制，2N架構(gòu)下的接地形式有多種，本文僅對(duì)2N架構(gòu)下的接地形式進(jìn)行初步探討。

1 數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)介紹

數(shù)據(jù)中心典型的2N架構(gòu)如圖1所示，必要時(shí)變壓器低壓側(cè)和UPS輸出側(cè)都有接地需求，故分別對(duì)變壓器低壓側(cè)和UPS輸出側(cè)的接地形式進(jìn)行討論。

圖1 典型2N供配電系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)A級(jí)數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)要求，2N系統(tǒng)中的變壓器、UPS及低壓配電柜需要進(jìn)行物理隔離，分別放置于不同的房間內(nèi)。

數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)的接地方式在規(guī)范中有著相對(duì)明確的規(guī)定，但在實(shí)際設(shè)計(jì)和建設(shè)過(guò)程中還是有很多不同的接地形式，對(duì)于比較特殊的數(shù)據(jù)中心2N架構(gòu)的供電方式，需根據(jù)實(shí)際情況的不同對(duì)接地形式進(jìn)行更多詳細(xì)的分析。

2 變壓器低壓側(cè)及低壓柜接地方式分析

2.1 一點(diǎn)接地

根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，多電源變壓器的中性點(diǎn)不直接接地，而是采用在低壓柜內(nèi)將PEN連接至接地點(diǎn)，然后接地點(diǎn)再與PE排進(jìn)行連接形成的一點(diǎn)接地系統(tǒng)[2]（圖2）。

圖2 多電源一點(diǎn)接地系統(tǒng)

在2N架構(gòu)體系下，低壓側(cè)兩個(gè)進(jìn)線斷路器及母聯(lián)斷路器均需采用3極。

14D504《接地裝置安裝》也根據(jù)上述要求給出了相關(guān)做法。

主進(jìn)線斷路器及母聯(lián)斷路器采用3P，不存在斷零的風(fēng)險(xiǎn)，在正常運(yùn)行模式和一路失電情況下均沒有雜散電流（圖3、圖4）。

圖3 一點(diǎn)接地正常工作時(shí)電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖4 一點(diǎn)接地一路失電工作時(shí)電流流向示意圖（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

但對(duì)于A級(jí)數(shù)據(jù)中心，2N系統(tǒng)分別位于不同的變配電室內(nèi)時(shí)，一點(diǎn)接地一般在低壓主斷路器柜或母線聯(lián)絡(luò)柜內(nèi)，必然在一個(gè)變配電室內(nèi)，而另外一個(gè)變配電室則沒有接地，如果在有中性點(diǎn)接地的變配電室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)或其他事故，導(dǎo)致主中性點(diǎn)接地發(fā)生斷線，則將導(dǎo)致事故擴(kuò)大化，有悖于2N架構(gòu)保障數(shù)據(jù)中心供電高可靠性的初衷。在實(shí)際項(xiàng)目設(shè)計(jì)過(guò)程中，也需要注意這方面的影響。

2.2 獨(dú)立接地

對(duì)于數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)2N電氣架構(gòu)的TN-S系統(tǒng)，架構(gòu)采用單母線分段運(yùn)行方式時(shí)，這種運(yùn)行方式并非并列運(yùn)行的兩套電壓系統(tǒng)，大部分情況下兩套系統(tǒng)是完全獨(dú)立工作的，目前很多設(shè)計(jì)都是兩套系統(tǒng)各自的變壓器中性點(diǎn)直接接地。

GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》7.5.3-1要求電源轉(zhuǎn)換功能開關(guān)應(yīng)作用于所有帶電導(dǎo)體，且不得使所連接電源并聯(lián)[3]，TN-S系統(tǒng)屬于三相四線制系統(tǒng)，母聯(lián)斷路器具有電源轉(zhuǎn)換功能，按照規(guī)范要求應(yīng)采用4極斷路器。

15D202-3《UPS與EPS電源裝置的設(shè)計(jì)與安裝》也建議母聯(lián)斷路器采用4極。

此時(shí)，低壓側(cè)兩個(gè)主進(jìn)線斷路器及母聯(lián)斷路器均需采用4極，這樣在正常運(yùn)行和一路市電失去的情況下每個(gè)變壓器都是一點(diǎn)接地，不存在雜散電流（圖5、圖6），在接地安全性和規(guī)范性上不存在問題。

圖5 各自變壓器單獨(dú)接地正常工作時(shí)電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖6 各自變壓器單獨(dú)接地一路市電失電時(shí)電流流向示意圖（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

但在有一路市電失電后，主斷路器斷開，母聯(lián)斷路器合閘的切換過(guò)程中，存在短暫的斷零時(shí)間，中性線電壓會(huì)變化，可能會(huì)對(duì)末端IT設(shè)備造成影響，斷零一般持續(xù)2～4 s時(shí)間，相線和中性線之間的電壓不會(huì)發(fā)生變化，IT設(shè)備外殼本身做了接地，內(nèi)部都是直流供電，是否會(huì)造成很大影響值得配電側(cè)和IT服務(wù)器側(cè)進(jìn)行統(tǒng)一探討。

2.3 其他接地方式

變壓器低壓側(cè)各自變壓器中性點(diǎn)直接接地，但兩個(gè)主進(jìn)線斷路器采用3極、母聯(lián)斷路器均需采用4極，這種設(shè)計(jì)方式也時(shí)常出現(xiàn)，這樣在正常運(yùn)行時(shí)是一點(diǎn)接地（圖7），在一路市電失去的情況下切換過(guò)程中沒有斷零的風(fēng)險(xiǎn)，但在切換完成后運(yùn)行變壓器存在兩個(gè)中性點(diǎn)接地，可能會(huì)存在雜散電流（圖8），雜散電流路徑為a→b→c→d→e。

圖7 各自變壓器單獨(dú)接地一路市電失電時(shí)電流流向示意圖（QF1/QF2閉合，QF3斷開）

圖8 各自變壓器單獨(dú)接地一路市電失電時(shí)電流流向示意圖（（QF1斷開，QF2/QF3閉合）

變壓器低壓側(cè)各自變壓器中性點(diǎn)直接接地，但兩個(gè)主進(jìn)線斷路器采用3極、母聯(lián)斷路器均需采用3極，這種設(shè)計(jì)方式也時(shí)常出現(xiàn)，這樣在正常運(yùn)行和在一路市電失去的情況下切換完成后運(yùn)行變壓器均存在兩個(gè)中性點(diǎn)接地，可能會(huì)存在雜散電流，應(yīng)避免此種接地和斷路器選擇的形式出現(xiàn)。數(shù)據(jù)中心雜散電流過(guò)大，會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)中心整體的安全運(yùn)行造成一定的隱患和風(fēng)險(xiǎn)，因此在整體設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)考慮這個(gè)配電系統(tǒng)的架構(gòu)，盡量避免和減小雜散電流。

2.4 其他規(guī)范要求

根據(jù)GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》條文12.4.11-2，對(duì)于兩臺(tái)及以上變壓器，數(shù)據(jù)中心的2N架構(gòu)是典型的2臺(tái)變壓器為同一設(shè)備供電的模式。

（1）當(dāng)變壓器0.4 kV側(cè)中性點(diǎn)在各自變壓器的中性點(diǎn)處接地時(shí)，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器均應(yīng)選用4極斷路器；當(dāng)與其他變電所有低壓連接時(shí)，其他變電所也應(yīng)在各自變壓器的中性點(diǎn)處接地，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器也應(yīng)選用4極斷路器，每臺(tái)變壓器0.4 kV側(cè)中性線（N）利用絕緣導(dǎo)線引出后不允許再接地[3]。

（2）當(dāng)變壓器0.4 kV側(cè)中性點(diǎn)在低壓配電柜處接地時(shí)，不允許在中性點(diǎn)處再接地，每臺(tái)變壓器0.4 kV側(cè)中性線（PEN）利用絕緣導(dǎo)線接到各自的低壓配電柜電源中性線（N）母排上，所有低壓配電柜電源中性線（N）母排連接在一起后，只能與保護(hù)接地線一處連接，然后通過(guò)保護(hù)接地線（PE）再接地，所有主斷路器與母聯(lián)斷路器均可選用3極斷路器，此種接地方式不能用于與其他變電所有低壓連接的變電所[3]。

以上規(guī)范并沒有要求2臺(tái)變壓器必須采用一點(diǎn)接地，而是接地方式與斷路器極數(shù)的選擇相對(duì)應(yīng)即可，每種接線方式都有各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，要根據(jù)項(xiàng)目的情況和經(jīng)濟(jì)性的要求進(jìn)行綜合分析，選擇更加恰當(dāng)?shù)慕拥胤绞健?/p>

3 UPS輸出側(cè)接地方式分析

關(guān)于UPS輸出側(cè)是否重復(fù)接地需要根據(jù)目前UPS設(shè)備的實(shí)際性能進(jìn)行不同的選擇。

目前高頻UPS機(jī)，電源輸入側(cè)的中性線（N）與輸出側(cè)的中性線（N）在UPS內(nèi)部貫通，并沒有斷開，因此使用高頻UPS時(shí)不需要對(duì)中性線進(jìn)行重復(fù)接地。如果輸出開關(guān)和維修旁路斷路器采用4極，在進(jìn)行維修旁路切換時(shí)有斷零的風(fēng)險(xiǎn)，此種風(fēng)險(xiǎn)要重點(diǎn)注意；如輸出開關(guān)和維修旁路斷路器采用3極，在進(jìn)行維修旁路切換時(shí)沒有斷零的風(fēng)險(xiǎn)，但當(dāng)負(fù)載不平衡時(shí)，中性線（N）如有電流流過(guò)，可能會(huì)有部分電流不經(jīng)過(guò)UPS的中性線（N），而流經(jīng)維修旁路的中性線，此時(shí)不會(huì)對(duì)設(shè)備造成影響，但需要在運(yùn)維時(shí)特別注意。大部分時(shí)候中性線（N）電流都較小，流經(jīng)維修旁路中性線的電流也非常小，整體影響較小。

在使用工頻UPS機(jī)時(shí)，輸出側(cè)一般都配有隔離變壓器，因此建議輸出側(cè)的中性線（N）重復(fù)接地，保證中性線的電位處于正常水平。

4 結(jié)論

在同一個(gè)變配電室內(nèi)的2N架構(gòu)，建議采用一點(diǎn)接地，不僅滿足規(guī)范及使用要求，而且不存在斷零的問題，是值得推薦的一種接地方式。

在不同變配電室內(nèi)的2N架構(gòu)變配電系統(tǒng)，建議采用單獨(dú)接地方式，主進(jìn)線斷路器和母聯(lián)斷路器均采用4P，以避免雜散電流，但在切換過(guò)程中存在短暫斷零，這是相對(duì)合理安全可靠的一種接地方式。

數(shù)據(jù)中心的整體設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)工民建設(shè)計(jì)有所不同，因?yàn)槠淇煽啃砸蟾撸瑪?shù)據(jù)中心整體的電氣架構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，接地形式的選擇和確定需要根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行整體考慮，找到最適合的方法。