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　　1 電力負(fù)荷的分級及其意義

　　根據(jù)國標(biāo)GB50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》的要求,電力負(fù)荷應(yīng)根據(jù)對供電可靠性的要求及中斷供電時,對人身安全、經(jīng)濟(jì)損失所造成的影響程度進(jìn)行分級,負(fù)荷分級主要是從安全和經(jīng)濟(jì)損失兩個方面來確定,安全包括了人身生命安全和生產(chǎn)過程、生產(chǎn)裝備的安全。為此,國標(biāo)GB50052-2009將負(fù)荷進(jìn)行如下定義與分級:

　　(1)符合下列情況之一時,應(yīng)視為一級負(fù)荷

　�、僦袛喙╇妼⒃斐扇松韨�亡時;

　�、谥袛喙╇妼⒃诮�(jīng)濟(jì)上造成重大損失時;

　�、壑袛喙╇妼⒂绊懼匾�用電單位的正常工作時。

　　一級負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電,即負(fù)荷的電源是由兩個電路提供的,這兩個電路就安全供電而言,被認(rèn)為是互相獨立的,當(dāng)一路電源發(fā)生故障時,另一路電源不應(yīng)同時受到損壞。

　　在一級負(fù)荷中,當(dāng)中斷供電將造成重大設(shè)備損壞或發(fā)生中毒、爆炸或火災(zāi)等情況的負(fù)荷,以及特別重要場所的不允許中斷供電的負(fù)荷,應(yīng)視為一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷。

　　給一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷供電,應(yīng)符合下列要求:

　�、俪龖�(yīng)由雙重電源供電外,還應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源,并嚴(yán)禁將其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

　　備用電源與應(yīng)急電源是兩個完全不同用途的電源。備用電源是當(dāng)正常電源斷電時,由于非安全原因用來維持電氣裝置或其某些部分正常運行所需的電源;而應(yīng)急電源,又稱安全設(shè)施電源,是用作應(yīng)急供電系統(tǒng)組成部分的電源。此條是從安全角度考慮,其目的是為了防止其它負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。

　�、谠O(shè)備的供電電源的切換時間,應(yīng)滿足設(shè)備允許中斷供電的要求。

　　(2)符合下列情況之一時,應(yīng)視為二級負(fù)荷

　�、僦袛喙╇妼⒃诮�(jīng)濟(jì)上造成較大損失時;

　　②中斷供電將影響較重要用電單位的正常工作時。

　　二級負(fù)荷的供電系統(tǒng),宜由兩條線路供電。在負(fù)荷較小或地區(qū)供電條件困難時,二級負(fù)荷可由一路6kV及以上專用的架空線路供電。

　　(3)不屬于一級和二級負(fù)荷的,應(yīng)視為三級負(fù)荷

　　通過上述用電負(fù)荷分級,可正確地界定不同等級的負(fù)荷對供電可靠性的要求,以便恰當(dāng)?shù)剡x擇符合實際水平的供電方式,提高投資的經(jīng)濟(jì)效益,保護(hù)人員的生命安全。有必要強(qiáng)調(diào)的是,規(guī)范中對特別重要負(fù)荷及一、二、三級負(fù)荷的供電要求是最低要求,工程設(shè)計中,用戶可以根據(jù)其本身的特點確定其供電方案。

　　2 數(shù)據(jù)中心負(fù)載的供電分級與UPS配置

　　數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求,其對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

　　數(shù)據(jù)中心通過UPS供電的負(fù)載一般分為三類:無人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備、有人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備及機(jī)房基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等。其中:

　�、贌o人區(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括小型機(jī)、服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)通信和介質(zhì)存儲等;

　�、谟腥藚^(qū)機(jī)房的IT設(shè)備包括總控中心機(jī)房設(shè)備、研發(fā)機(jī)房設(shè)備、測試機(jī)房設(shè)備及OA系統(tǒng)設(shè)備等;

　　③UPS供電的應(yīng)急照明系統(tǒng)、消防控制及撤離指示系統(tǒng)、機(jī)房空調(diào)風(fēng)機(jī)、樓宇監(jiān)控系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)等。

　　無人區(qū)機(jī)房IT設(shè)備的UPS供電可參照GB50174-2008的分級標(biāo)準(zhǔn)來配置,有人區(qū)和基礎(chǔ)設(shè)施區(qū)負(fù)載的UPS供電通常參照B級或C級來配置。此外,UPS配置還應(yīng)滿足:

　�、俪�主機(jī)房外,輔助區(qū)、支持區(qū)和行政管理區(qū)IT設(shè)備,宜單獨計算與配置,避免多區(qū)域共用一套UPS系統(tǒng);若不得不共用時,應(yīng)為非主機(jī)房外的設(shè)備設(shè)獨立回路,并采取完全選擇性保護(hù)的措施;

　�、谡{(diào)水泵、空調(diào)風(fēng)扇等非IT設(shè)備的UPS,應(yīng)單獨計算與配置;

　�、巯�防、監(jiān)控、安防等與生命安全相關(guān)設(shè)備的UPS或EPS,不屬于備用電源范疇,應(yīng)列入應(yīng)急電源單獨計算與配置。

　　3 數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載的供電特性

　　(1) IT負(fù)載的相關(guān)供電指標(biāo)

　　數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載具有什么樣的供電特性,這是我們在數(shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時,需要首先考慮的問題。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點和歸宿點。

　　與UPS供電系統(tǒng)相關(guān)的服務(wù)器電源指標(biāo)主要包括輸入電壓、輸入頻率、輸入電流、輸入功率、輸入功率因數(shù)等輸入數(shù)據(jù)以及輸出功率等。典型的輸入電壓范圍為AC100～240V,輸入頻率范圍為45～65Hz;隨著服務(wù)器電源技術(shù)的發(fā)展以及節(jié)能要求的提高,PFC技術(shù)(PowerFactorCorrected)越來越廣地被采用,輸入功率因數(shù)約為0.9;輸入電流、功率及發(fā)熱量視具體服務(wù)器而定。

　　在實際計算服務(wù)器功率時需要注意的是,服務(wù)器電源上標(biāo)注的,例如INPUT(輸入):220VAC /4A50Hz,容易讓人誤解為服務(wù)器的輸入功率就是220V×4A=880VA,就是該服務(wù)器的額定視在功率。需要特別強(qiáng)調(diào)的是,INPUT(輸入)中,220V是服務(wù)器電源額定輸入電壓,而4A指的是最大額定輸入電流能力,表征服務(wù)器電源在最低輸入工作電壓時的最大輸入電流能力。因此,直接用輸入額定電壓×輸入額定最大電流來表征額定輸入功率是不合適的,也是不正確的。

　　正確計算服務(wù)器功率的方法應(yīng)該用INPUT(輸入)功率,例如600W(MAX),這個參數(shù)才是該服務(wù)器電源的最大輸入功率,但很遺憾的是,通常服務(wù)器廠家不一定將這個參數(shù)標(biāo)識在服務(wù)器外殼上,這個參數(shù)通常只有在服務(wù)器電源銘牌上才能看到。

　　那么,接下來的問題是負(fù)載的容量是否直接等同于服務(wù)器電源的最大功率?答案依然是否定的。

　　對應(yīng)服務(wù)器有三種工況:

　�、巽懪乒β�:指的是服務(wù)器電源銘牌功率;

　�、谧畲蠊�況設(shè)置:指的是服務(wù)器系統(tǒng)工作在最大用電負(fù)荷時的耗電功率;

　�、跜PU100%利用率典型工況:CPU工作在100%利用率時的耗電功率。

　　通常服務(wù)器最大的功率消耗是銘牌額定值的80%,這是因為服務(wù)器廠家在選擇電源時,放寬了大約20%的裕量。而CPU的100%利用率典型工況是銘牌額定值的67%。事實上服務(wù)器正常工作時的能耗還要小于這個值。因此,在具體的設(shè)計工作中,這種裕量和工況差異也建議設(shè)計者納入考慮之中。

　　對于不同負(fù)載持續(xù)率下的額定功率或額定容量,應(yīng)換算為統(tǒng)一負(fù)載持續(xù)率下的有功功率,即設(shè)備功率Pe。IT設(shè)備功率Pe的確定,可詳參ChinaDCC發(fā)行的《數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)技術(shù)白皮書》第3章“數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備電源用電特性”。

　　(2) IT負(fù)載電源的工作原理介紹

　　當(dāng)前IT負(fù)載內(nèi)部的輸入電源模塊基本采用兩種制式,即ATX標(biāo)準(zhǔn)和SSI標(biāo)準(zhǔn)。

　　無論是ATX電源還是SSI電源,UPS輸出的220V交流電進(jìn)入IT負(fù)載內(nèi)部后,都必須經(jīng)四級變換,最后轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的12V、5V、3.3V的直流電壓,提供給IT負(fù)載內(nèi)部的CPU、內(nèi)存、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通信芯片等“真正的負(fù)載”使用。這四級變換分別為(見圖1):

　　第一級:橋式整流器,將220V交流電變?yōu)榧s200～300V的直流電;

　　第二級:高頻逆變器,將直流電再轉(zhuǎn)換成幾十到幾百kHz穩(wěn)壓的高頻交流電;

　　第三級:高頻隔離變壓器,將高頻交流電降壓并隔離;

　　第四級:高頻整流器,將穩(wěn)定的高頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流12V(或5V、3.3V)輸出。

　　了解服務(wù)器電源的具體工作原理,對于我們后續(xù)進(jìn)行正確的供電系統(tǒng)設(shè)計是非常必要的。

　　4 結(jié)束語

　　數(shù)據(jù)中心作為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的重要而特殊的負(fù)荷之一,其供電保障方式的配置必須既符合GB50052-2009的要求,又必須滿足GB50174-2008的定義及條款要求。在數(shù)據(jù)中心UPS備用電源配置時,需要首先考慮數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載供電特性。而服務(wù)器是數(shù)據(jù)中心IT負(fù)載中占比最大的設(shè)備,所以服務(wù)器電源的供電特性是整個數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)建設(shè)的出發(fā)點和歸宿點。

　　UPS經(jīng)過檢查,有過載和變換器故障報警。經(jīng)過測試后,啟動UPS運行正常,UPS設(shè)備沒有損壞。電池柜分為五層,其中四層放置電池,一層放置電池開關(guān)。電池組檢查,共有4塊電池?fù)p壞,發(fā)生在電池柜內(nèi)同一層(第三層)。設(shè)備投入生產(chǎn)幾個月,現(xiàn)場分析,電池底部開裂使電解液流出造成電池回路與地短路。

　�、谀晨蒲袉挝坏囊慌_200kVAUPS,一塊電池爆炸,造成UPS內(nèi)部起火,將UPS燒壞。

　　2 事故分析

　　在UPS設(shè)計和施工安裝時,通常是將電池架或電池柜的架體與地線連接,以保證電氣安全。可是當(dāng)電池外殼開裂電解液流出時,會造成電池對地線構(gòu)成回路,致使發(fā)生電池組和UPS故障,甚至嚴(yán)重故障。

　　當(dāng)電池漏液不嚴(yán)重時,會造成整流器電流過載,整流器關(guān)閉,逆變器停機(jī),UPS轉(zhuǎn)旁路工作,不會造成斷電。一般情況下清除故障,并且更換新電池后,設(shè)備可以恢復(fù)正常工作。但電池漏液嚴(yán)重,并且電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地的短路,就會造成大事故。

　　下面按不同電路和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),對造成事故的因果關(guān)系進(jìn)行分析。

　　(1) SCR結(jié)構(gòu)整流器

　　SCR結(jié)構(gòu)整流器的原理圖如圖2所示。

　　當(dāng)電池漏液嚴(yán)重,并且電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地短路,發(fā)生因電流太大致使整流器的SCR被擊穿,無法關(guān)閉回路,引起交流電流流入直流系統(tǒng),造成電解電容器(Cx)損壞,并使電解電容器的電解液噴出,因電解電容器中電解液的導(dǎo)電性引起UPS內(nèi)部電氣的短路,故障擴(kuò)大使其損毀,嚴(yán)重時設(shè)備內(nèi)部發(fā)生著火。

　　SCR整流器(相控),都是角形工作方式,當(dāng)全波整流時，標(biāo)準(zhǔn)電壓380V整流得到540V左右的直流電壓。而當(dāng)電池組中間某一點與地線短路，增加新的電流回路(如圖2中的實線電流所示)，則整流器的接線方式就變成星形工作方式，而整流器輸出為622V左右的直流電壓，這種升壓的結(jié)果將造成電池組和電解電容器過壓，進(jìn)而引起嚴(yán)重的過電流。SCR擊穿后將無法關(guān)閉整流器，并且交流電流會流入直流電路中，這就會使電池因過電壓充電而損壞甚至起火或爆炸。直流電解電容器也會因電壓升高而損壞，并使電解電容器的電解液噴出，因電解電容器中電解液的導(dǎo)電性引起UPS內(nèi)部電氣的短路,故障擴(kuò)大，致使其損毀,更嚴(yán)重時設(shè)備內(nèi)部著火。

　　(2) IGBT結(jié)構(gòu)整流器

　　IGBT結(jié)構(gòu)整流器的原理圖如圖3所示。

　　圖中TB1、TB2、TB3構(gòu)成整流電路,C1x和C2x為濾波電容器,提供直流供電,而TB4構(gòu)成一個Buck/Boost電路結(jié)構(gòu),電路在市電正常時供給電池組充電(電路工作在Buck方式)。當(dāng)市電故障時,電池組向C1x和C2x供電,并保障直流母線電壓的穩(wěn)定(電路工作在Boost方式)。

　　在市電正常工作情況下,電池漏液嚴(yán)重并有電池內(nèi)部極板、板柵出問題,造成對地短路時,增加了新的電流回路(如圖3中的實線電流所示),就會有大電流經(jīng)過TB4(電路工作在Buck方式),LM檢測到超過設(shè)定電流時,將會通過控制邏輯電路關(guān)閉TB4中IGBT的工作,使其構(gòu)不成電流的回路。從而降低電池組和UPS設(shè)備損壞的程度。

　　在電池漏液嚴(yán)重造成對地短路時,因TB4的二極管的存在,電池組與逆變器及濾波回路放電回路構(gòu)成電流通路,因此在一些UPS制造商設(shè)計時考慮到此,設(shè)計輸入/輸出及電池開關(guān)時采用接觸器或空氣開關(guān)安裝脫扣器,便于電路異常時,分?jǐn)嗷芈?保護(hù)設(shè)備的安全。在電路中有異常時,有效地轉(zhuǎn)換到旁路工作,不使后端負(fù)荷設(shè)備斷電。這樣的設(shè)計可以對UPS進(jìn)一步進(jìn)行保護(hù)。

　　3 電池架或電池柜安裝問題

　　為電氣和人身安全考慮,所有的電氣設(shè)備外殼均接地線。下面提供幾種電池架或電池框的安裝方式。處理好電池安裝及運行維護(hù)保養(yǎng)的工作很重要。

　�、僭缭谏鲜兰o(jì)70年代引進(jìn)的UPS配套的電池柜,每四塊電池固定在一個電池托盤(絕緣材料制成)。這樣,電池致使產(chǎn)生漏液也不會造成對地短路的問題。

　　②XX國大使館的UPS電池柜的每層托板為絕緣材料制成,電池不與金屬架體接觸,有效地解決了電池漏液所造成的對地短路問題。

　�、鄱鄶�(shù)供應(yīng)商和一些使用者,因各種原因?qū)㈦姵刂苯臃旁阼F架上,這樣一來,電池漏液或電池的短路開裂,會使電池組的部分電極與地線連接,造成事故。

　�、芤灿须姵丶荏w上放置絕緣材料或架體不接地線。