数据中心低压配电系统应用建设方案.doc
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1、数据中心低压配电系统应用建设方案数据中心的低压配电设计特指频率50HZ,交流电压1200V及以下的配电方案及产品设计。主要由两部分组成:一部分由UPS及机房空调、照明、动力等系统的输入配电系统组成,本白皮书统称为数据中心输入低压配电系统;另一部分由UPS输出配电系统组成,本书称之为UPS输出低压配电系统。这两个部分的建设都必须满足几乎相同的国家或者行业的法规与条文,但从工程实践上看,这两个部分的建设方式和建设理念等有很大的不同。1.1 低压电器设备概述低压系统的建设首先涉及到的就是低压电器设备,低压电器通常是指工作在交流1200V或直流1500V以下的电器,在供电系统和用电设备的电路中起保护、
2、控制、调节、转换和通断作用。分类:1)配电保护用电器:用于电力网系统,主要是指低压熔断器、低压隔离电器(刀开关、隔离开关、负荷开关等)、低压断路器(自动开关)等。技术要求是通断电流能力强、限流效果好、保护性能好、抗电动力和热耐受性好。2)控制用电器:用于电力拖动及自动控制系统,主要是接触器、启动器和各种控制继电器、主令电器等。技术要求是有相应的转换能力、操作频率高、电寿命和机械寿命长。本书主要就数据中心常用的配电保护用电器设备作简要介绍。1.1.1 低压隔离电器1定义:电气设备带电部分进行维修时,隔离器分断能保证将电路中的电流通路切断,并保持有效的隔离距离,一般规定660V及以下隔离距离应大于
3、25mm,对地距离不小于20mm。但不起频繁接通和分断电气控制线路的作用。2分类:隔离器、刀开关、负荷开关、刀熔开关1)隔离器(开关)一般属于无载通断电器,只能接通或分断“可忽略的电源”,但有一定的载流能力。2)刀开关主要供无载通断电路使用,当满足隔离功能时可用来隔离电源。3)隔离开关结构设计变化后(增加灭弧和耐受能力等),可作为开断小容量过载电流使用,称负荷开关。 图17 刀开关 图18 负荷开关4)负荷开关和熔断器串联组合成一个单元,简称刀熔开关,具有隔离和故障保护功能。在一定的范围内可替代低压断路器。5)低压隔离电器按极数可分为单极和多极刀开关,按切换功能(位置)可分为单投和双投刀开关,
4、按操纵方式又可粗分为中央手柄式、侧面操作式、带连杆机构式等。3主要技术参数根据组合开关型号可查阅更多技术参数,表征组合开关性能的主要技术参数有: 1)额定电压 额定电压是指在规定条件下,开关在长期工作中能承受的最高电压。 2)额定电流 额定电流是指在规定条件下,开关在合闸位置允许长期通过的最大工作电流。 3)通断能力 通断能力指在规定条件下,在额定电压下能可靠接通和分断的最大电流值。 4)机械寿命 指在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作次数。 5)电寿命 指在规定的正常工作条件下,不需要修理或更换零件情况下,带负载操作的次数。4低压隔离电器选用选用低压隔离电器时,其额定电流应为低于被隔
5、离电路中各负载电流的总和;用于控制电动机时,其额定电流一般取电动机额定电流的1.52.5倍。 应根据电气控制线路中实际需要,确定组合开关接线方式,正确选择符合接线要求的低压隔离开关规格。 1.1.2 低压断路器1低压断路器定义低压断路器也俗称自动空气开关,用来接通和分断负载电路,具有过载和短路保护等功能,是电网中一种重要的保护电器,是数据中心低压配电系统重要的组成部分。2低压断路器工作原理断路器实现过载及短路保护,主要是靠断路器内部的脱扣器来完成上述功能的。目前应用的断路器脱扣器主要有两种:热磁脱扣器和电子脱扣器。热磁脱扣器包含热脱扣、电磁脱扣两个功能。热脱扣是通过双金属片过电流延时发热变形推
6、动脱扣传动机构,主要完成断路器的过载保护;磁脱扣是通过电磁线圈的短路电流瞬时推动衔铁带动脱扣,用来完成断路器的短路保护。 电子脱扣器也包含过载及短路保护功能,并可以方便地进行整定。电子脱扣器就是用电子元件构成的电路,用来检测主电路电流,放大、然后推动脱扣机构动作来实现保护。 热磁脱扣器性能稳定且不受电压波动影响、寿命长、灵敏度低、不易整定,一般用于200A以下小容量断路器。电子脱扣器功能完善、灵敏度高、整定方便、但是相对容易受到受电源影响,主要用于大容量断路器。3低压断路器的分类断路器分类方式有很多种。 按照结构构造不同,将断路器分为如下几种类型:微型断路器、塑壳断路器、框架断路器。微型断路器
7、: Miniature Circuit Breaker,简称MCB。容量以163A为主。塑壳断路器:Moulded Case Circuit Breaker,简称MCCB,容量以80800A为主。框架式断路器:Air Circuit breaker,简称ACB,容量以800A3200A为主。 图10-19 从左至右依次为:微型断路器,塑壳断路器,框架式断路器)4低压断路器主要技术参数1)额定电压额定工作电压:是指与通断能力以及使用类别相关的电压值,对多相电路是指相间的电压值。分断能力与电压大小有关系。额定绝缘电压:在任何情况下,最大额定工作电压不能超过额定绝缘电压。断路器额定绝缘电压与介电性能
8、试验电压、爬电距离等有关。额定冲击耐受电压:电器在规定试验条件下能耐受具有规定波形和特性的冲击电压峰值而无故障。额定冲击耐受电压与电气间隙等有关。额定冲击耐受电压应等于或大于该电器所处电路中可能产生的瞬态过电压。2)额定电流额定不间断电流Iu :是额定持续电流,是电器在不间断工作制中能够承载的电流。断路器壳架等级额定电流:是基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中能承载的最大额定电流。脱扣器电流整定值In (或Ir) :在规定的脱扣器和电流条件下,断路器工作的电流。约定发热电流 Ith :是大气中不封闭电器用作温升试验的试验电流最大值。(无通风和外来辐射的大气条件)额定短时耐受电流:在规定
9、实验条件下短时能承载而不损坏的电流值,短时时间为0.05,0.1,0.25,0.5,1S。电流不大于2500A断路器短时耐受电流最小值为12Inm或5kA(取较大者)3)额定频率 除非具体产品标准有约定,一般频率为50Hz或60Hz。4)短路分断能力额定短路通断能力(小型断路器)在规定条件下能够接通,在其分断时间内能够承受和能够分断预期电流值。一般情况下,断路器额定短路分断能力优先从下列数值中选取:1.5,3,4.5,6,10kA。 额定短路接通能力Icm是在额定工作电压、额定频率和规定的功率因数(交流)或时间常数(直流)下,电器能够接通的短路电流值。额定短路分断能力Icn是在额定工作电压、额
10、定频率和规定的功率因数(交流)或时间常数(直流)下,电器能够分断的短路电流值。用规定条件下的预期分断电流值(交流用有效值标示)。额定短时耐受电流Icw在规定实验条件下短时能承载而不损坏的电流值,短时时间为0.05,0.1,0.25,0.5,1S。电流不大于2500A断路器短时耐受电流最小值为12Inm或5kA(取较大者)该参数主要用于选择性断路器。 5低压断路器选择要点低压断路器的主要参数有:额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、整定范围、电磁脱扣器整定范围、主触点分断能力等。在选择低压断路器的时候,应遵从以下原则:1)断路器额定工作电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压。低压配
11、电系统中,我们一般采用交流断路器工作电压一般满足220V低压配电线路,需要注意的是,某些交直流两用断路器用于直流电路中时,电压等级往往不满足要求,比如ABB微型断路器,交流工作电压230V,直流工作电压60V,就不能用于超过60V的直流回路中,如UPS与蓄电池连接的开关,UPS蓄电池组电压一般超过100V。2)断路器脱扣器整定电流应大于或等于线路的最大负载电流。通常设计原则是,断路器按照最大负载电流的1.151.2倍选取,当然,还需要考虑其他因素,如断路器在不同环境温度和安装方式下的容量降额问题。3)断路器的短路整定电流应躲过线路的正常工作启动电流。数据中心中,如服务器设备,启动冲击电流可能达
12、到额定电流58倍,如果断路器选择不当,断路器有可能因为大的冲击电流而引起误动作,造成不必要损失。4)根据断路器短路通断能力Icu选择断路器。低压断路器的分断能力;应大于或等于电路最大短路电流;另外,需要关注的是,在满足短路分断能力前提下,断路器短路整定电流也不是越大越好,根据低压配电设计规范GB5005495规定,断路器灵敏度应不小于1.3,即线路最小短路电流应不小于断路器短路整定电流的1.3倍,以此来来校验断路器动作的灵敏性。6断路器选择性保护的定义为了保证低压配电系统的可靠性,低压断路器的选择性成为终端低压配电系统设计的一项重要内容。如图20所示在断路器所保护的配电系统中,当支路F点发生电
13、气故障时,距故障点最近的断路器QF2动作将故障切除,而QF1断路器不动作,从而将故障所造成断电限制在最小范围内,使其他无故障供电回路仍能保持正常供电,这就是对低压断路器所要求的选择性。低压断路器的选择性在低压配电系统的设计中占有十分重要的位置,它可以给用户带来便利,并能保证供电回路工作的连续性。如设计不当,图20中,支路负载F点短路引起上级空开QF1断路器动作,引起整个供电系统的瘫痪,后果十分严重。 图20 配电系统图 图21 非选择性断路器上下级选择性保护曲线7如何实现断路器选择性保护在低压配电系统中用的低压断路器按其保护性能可分为,选择性和非选择性两类。所谓选择性低压断路器,是指断路器具有
14、过载长延时,短路短延时和短路瞬时动作的三段保护特性。绝大部分框架式断路器和部分塑壳断路器就属于选择性断路器。有两段保护和三段保护两种。非选择性低压断路器,是指只具有过载长延时,短路瞬时动作的二段保护特性。微型断路器和部分塑壳断路器就属于非选择性断路器。配电系统一:上级断路器:选择性断路器下级断路器:选择性断路器/非选择性断路器在低压配电系统中,如果上一级断路器采用选择性断路器,下一级断路器采用非选择性断路器或选择性断路器,主要是利用短延时脱扣器的延时动作或延时动作时间的不同,以获得选择性。如图20中,F点发生短路时,短路电流流过QF2支路和QF1主回路,QF2脱扣器短路瞬时动作,动作时间一般小
15、于0.1秒。QF1设置短路短延时(短延时时间一般为0.10.5秒),在0.1秒以内,QF1不动作,QF2在0.1秒以内动作,切断短路故障,系统恢复正常。在实际设计时,需要注意以下几点问题: 1)无论下一级是选择性断路器还是非选择性断路器,上一级断路器的瞬时过电流脱扣器整定电流一般不得小于下一级断路器出线端的最大三相短路电流的1.1倍;2) 如果下一级是非选择性断路器,为防止在下一级断路器所保护回路发生短路电流时,因这一级瞬时动作灵敏度不够,而使上一级短延时过电流脱扣器首先动作,使其失去选择性。一般上一级断路器的短延时过电流脱扣器的整定电流不小于下一级瞬时过电流脱扣器的1.2倍;3)如果下一级也
16、是选择性断路器,为保证选择性,上一级断路器的短延时动作时间至少比下一级断路器的短延时动作时间长0.1s。一般来说,要保证上下两级低压断路器之间选择性动作,上一级断路器宜选择带短延时的过流脱扣器,而且其动作电流要大于下一级过流脱扣器动作电流一级以上。配电系统二上级断路器:非选择性断路器下级断路器:非选择性断路器事实上,低压配电系统中许多断路器均为小容量断路器,如200A以下塑壳断路器和微型断路器,由于多采用热磁脱扣器,均为只具有过载及短路瞬时保护的非选择性断路器,这些断路器一般位于配电系统终端部分,与负载直接连接,给负载供电。由于平时需要维护等操作,这部分也是最容易发生短路故障的地方,设计中需要
17、注意该部分的上下级断路器的选择性保护。上下级的断路器脱扣器脱扣曲线需要如图25所示,才能做到选择性保护。图21中,上下级断路器均为非选择性断路器时,上级断路器的脱扣曲线需包含下级断路器的脱扣曲线,即相同的过载或短路电流情况下,下级断路器的动作时间会更短,在上级断路器响应之前消除故障,从而实现上下级的选择性保护的实现。由于断路器开关的合闸/跳闸操作、均是通过“弹簧储能式”的机械动作来实现的,无论其脱扣电流、还是脱扣时间均呈现相当大的离散度。要想设计出一套具有“完全选择性”的脱扣调控特性的低压配电系统时,应注意到此特性。一般情况下,选择同一品牌非选择性断路器,大容量断路器和小容量断路器本身考虑了一
18、定的选择性保护,从实际设计经验来看,一般建议上级断路器电流值不小于下级断路器最大电流值的1.6倍,更有助于实现上下级的选择性保护。8断路器在数据中心应用注意事项数据中心使用大量IT及动力设备,他们的一些工作原理也对断路器的应用提出了特殊的要求,需要注意。(1)慎用剩余电流断路器(漏电保护断路器)剩余电流保护装置的工作原理:在正常情况下,电路中没有发生人身电击、设备漏电或接地故障时,剩余电流保护装置通过电流互感器一次侧电路的电流矢量和等于零。这样在电流互感器的二次线圈中没有感应电压输出,因此剩余电流保护装置保持正常供电。当电路中发生人身电击、设备漏电、故障接地时,通过设备接地电阻有接地电流流过,
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- 数据中心 低压配电 系统 应用 建设 方案
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