ABB终端配电保护产品在数据中心行业的应用

胡漫莉，季小伟

［1.ABB(中国)有限公司厦门分公司，福建厦门361006; 2.海峡之声广播电台，福建厦门361624］

ABB终端配电保护产品在数据中心行业的应用

胡漫莉1，季小伟2

［1.ABB(中国)有限公司厦门分公司，福建厦门361006; 2.海峡之声广播电台，福建厦门361624］

胡漫莉(1982—)，女，高级工程师，从事低压配电元器件产品的研究及应用推广。

分析了数据中心行业供配电的几种不同模式的特点，并从快速热插拔配电、防雷、智能监控等方面介绍了ABB终端配电保护产品的应用优势。指出ABB终端配电保护产品不仅适用于传统的UPS供电，也兼容高压直流新技术配电的应用，为数据中心行业低压供配电提供了新颖、安全、便捷的解决方案。

供配电;冗余设计;热插拔;智能监控;防雷

0 引言

近年来，随着互联网、云计算、物联网的不断发展，数据呈爆发式增长。工信部统计数据显示，2011～2014年，全国规划建设数据中心数量约为260个，总机房面积约为450万m2，总设计服务器规模约为800万台。这主要来源于电信行业的集中改造和新建以及政府数据中心建设、传统数据中心更新改造等。目前，部分行业高度依赖信息系统来支撑关键业务流程的信息化水平，并存在持续的扩容需求，这为数据中心市场带来更大的增长空间。

数据中心的更新速度越来越快，面临能源利用率低、系统可靠性和扩展性低等问题。未来数据中心将重点关注节能环保、绿色低碳，朝着模块化、智能化和集中管理的方向发展，这就需要更好的IT基础设施及解决方案来支撑，因此对IT厂家、系统集成商和元器件供应商提出了更高的要求。

1 数据中心供配电架构及发展

基础设施是保证数据中心的软、硬件设备在特定的温/湿度环境下安全、可靠运行的基础，而稳定的供配电系统则是首要保障，是机房节能的重点。数据中心供配电基本架构如图1所示。数据中心的供配电主要为动力配电和机房设备配电，这两部分在物理区域上一般是分隔开的。经过多年的发展和技术改进，配电系统根据不同的设备情况也有多种变化。交流不间断电源(Uninterrupted Power Supply，UPS)是最常用的设备，当然也存在一些直流供电设备，如老式交换机(－48 V)，因此包含一些AC/DC电源系统。

IT设备的大部分电子元件都是低压直流电源驱动运行的，通常都有开关电源回路，将输入的220 V或更高的交流电转换成12 V左右的直流电压。这个过程至少包含了AC/DC和DC/ DC，降压转换的过程会损失不少电能，效率大大降低。事实上，采用直流电压直接输入，同样可以达到目的，且还减少了AC/DC转换的步骤，从而提升效率。于是，高压直供(HVDC)技术逐渐在数据中心被接受和推广。

图1 数据中心供配电基本架构

表1 数据中心主要供电模式

数据中心主要供电模式如表1所示。

数据中心不同供电模式对比如表2所示。

由表2可见，从供电效率、占地面积、投资成本等方面对比，HVDC节省UPS，提高了转换效率，减少了单点故障，直流并机也相对简单。当然，这需要匹配的IT设备和电源模块厂家提供相应的产品来适应这个技术趋势，目前从技术角度已经完全可行。

此外，某些厂家(如腾讯等)还提出一些新型供电模式及服务器设备，比如结合交直流的优点，采用50%AC+50%HVDC的模式(双输入供电)，既能够提高系统的稳定性，又减少了成本。

2 数据中心行业执行的技术标准及要求

目前，国内对数据中心行业没有专门的技术标准或规范，参照的是通信机房建设规范: GB 50174—2008《电子信息系统机房设计规范》、GB 50462—2008《电子信息系统机房施工及验收规范》以及美国通信行业协会标准TIA-942《数据中心的通信设施标准》。而对于HVDC，各运营商则制定了相应的行业标准来规范。

2.1 机房等级的划分

GB 50174—2008将计算机机房分为A，B，C三个等级，设计时应根据机房的使用性质、管理要求及重要性确定所属级别。而TIA-942则根据数据中心的可用性将其分为TierⅠ，TierⅡ，TierⅢ，TierⅣ四个等级。机房等级划分及性能要求如表3所示。

表3 机房等级划分及性能要求

由表3可见，这两种机房等级划分对数据中心的配置和维护要求基本上一致，等级越高，配置越全面，冗余设计完善，断电风险最低，维护时间最短。如A级或TierⅣ，是很多金融系统数据中心(供电连续性要求高)的最佳设计选择，而大多数企业或互联网数据中心采用TierⅢ，甚至成本较低的TierⅡ类系统配置。

2.2 供配电要求

(1)防雷接地。在变配电室低压母线上安装设置一级电涌保护器(Surge Protective Device，SPD);UPS输入配电柜、UPS输出总柜、数据中心机房空调配电总柜应安装二级SPD;电源分配单元(PDU)内应安装三级SPD;其他与室外有关的所有配电设备和线路均应安装一级SPD。

这是因为除了接地装置和机房地网布置手段外，对于动力配电室到机房，应逐级配备SPD进行分级防雷(至少三级:B，C，D)，室外设备也应配置相应的B级防雷装置。

(2)自动控制管理系统。为节电降耗，除强化日常管理外，还应采取必要措施优化自动控制系统，主要包括机房集中环境监控、建筑设施监控。

3 ABB终端配电产品的几种解决方案

数据中心供配电结构可分为交流和直流两大类，其配电系统基本相同。交流配电系统如图2所示，主要由交流输入柜(切换柜)、动力输出柜、UPS系统输入/输出柜，蓄电池、机房列头柜、(服务器)设备机柜等组成。

图2 交流配电系统

直流配电系统如图3所示。

图3 直流配电系统

3.1 220V交流供电方案

3.1.1 输入/输出保护

交流配电系统的输入/输出保护可采用ABB断路器产品，功能强大，体积小，安装便捷。

交流输入配电柜的电流高达2 500～4 000 A，可选择Emax系列万能式断路器，降低系统功耗，并监控电能质量。

动力柜输出、UPS输入/输出及列头柜输入选择Tmax系列塑壳断路器，100 A及以下的小电流回路输出可选择S200系列小型断路器。

可插拔维护是数据中心对供电连续性的共同要求，但实现起来做法却不尽相同。有的仅做到了最低等级的断电维护更换，并不具备快速操作的便捷性。

三种不同的配电方案如下:

(1)S400+Smissline-TP热插拔方案如图4所示。S400系列小型断路器与Smissline-TP母排直接安装，实现在线热插拔和在线相位调节; Smissline-TP母排模块化结构，可根据需要选择长度;防触摸的结构设计防止意外电击;母排最大可输入电流200 A，可水平或垂直布局;母排上可直接插拔的元器件有小型断路器、剩余电流保护器、SPD、隔离开关以及电动机保护器，在母排上可并列混装或多极混装;节省了输出回路所有进线，提升了集成度。

图4 Smissline-TP完美热插拔方案

(2)基于适配器和Smissline-TP母排的间接插拔方案如图5所示。该配电方案是较经济的一种方案，可间接实现插拔，但维护时间较长，且不支持在线换相，需要更换适配器来换相、调节。

图5 基于适配器的间接热插拔方案

(3)S750DR提供的选择性保护方案如图6所示。前两种方案主要是从快速维护的角度设计的，尽可能缩短操作时间。而此方案则从上下级保护开关的选择性匹配角度设计的，以达到供电连续性。

图6 选择性保护方案

3.1.2 防雷

进入机房的电源线、数据线和信号线应在LPZ0与LPZ1、LPZ1与LPZ2区交界处以及终端设备的前端。根据GB 50057—2010《建筑物防雷设计规范》、GB 50343—2012《建筑物电子信息系统防雷技术规范》、IEC 1312《雷电电磁脉冲防护》标准，需要配置不同系列的电源类SPD以及信号网络类SPD。

(1)OVR T1(10/350 μs)用于第一级防雷保护，安装于室内/外的配电变压器的低压侧，交流进线的入口处;冲击电流In为25 kA，切断工频续流值达50 kA;采用主动电子触发式火花间隙技术，寿命长，可靠性高。

(2)OVRB T2(8/20 μs)用于第二、三级保护，安装于数据中心机房配电柜或设备前端，如UPS柜、整流屏、列头柜等;插拔式结构，自带保护脱扣装置和三种状态指示;冗余保护，有效防止老化引起的起火事故，放电电流为20～160 kA。

(3)OVR TC可用于信号传输线路的保护，如设备柜内的小型机、服务器、PC机和其他通信设备等;电压等级为6、12、24、48、200 V;提供不同型式的底座，用于各类设备的通信接口，如RJ45、RJ11以及BNC视频接口等。

数据中心防雷保护器选型表如表4所示。

表4 数据中心防雷保护器选型表

3.1.3 监控

电源管理控制系统包括底层的多功能仪表、通信等一系列软硬件体系。在配电输入总回路，重要输出的馈线回路必须采用数字显示仪表监测设备电气参数，并通过RS-485总线上传至后台监控，通过获得实时数据，能够快速定位故障，掌握电网质量的波动，并能够方便地统计各设备的用电量。

同时，对于输出分路的监控，推荐紧凑的导轨电表或CMS多回路监测系统。CMS多回路测量系统如图7所示。该CMS系统比传统的互感器走线更方便、美观，且自带欠压、过载告警，是一套智能的测量系统。

CMS监控方案如图8所示。导轨电表监控方案如图9所示。

图7 CMS多回路测量系统

图8、图9是列头柜上监控的两种不同方式，最终实现包括总回路和分支回路的智能监控。图9是一种基于导轨电表的监控，实现了分支回路电量可视化。

3.2 －48 V直流供电方案

直流屏包含整流模块和直流配电柜。整流模块输入需要断路器保护，电流在32 A以下，选用S200小型断路器3极产品，而直流配电柜的输入/输出则宜用熔断器保护，可选用OS系列熔断器式隔离开关。

－48 V直流列头柜配电方案如图10所示，输入仍采用塑壳断路器，输出可以采用单极直流断路器S201M-DC，输出分路可以采用Smissline-TP的适配器方案，以提升维护的便捷性。

图8 CMS监控方案

图9 导轨电表监控方案

图10 －48V直流列头柜配电方案

二、三级防雷部分需采用直流SPD:C级，OVR BT2 40-150 P TS(40 kA，DC 150 V);D级，OVR BT2 20-75 P TS(20 kA，DC 75 V)。

另外，监控部分仍然可以采用CMS监测系统。

3.3 240V HVDC方案

HVDC直流与48V低压直流方案存在差异，可参照标准YD/T 2378—2011《通信用240 V直流供电系统》以及行业规范《CN电信HVDC240试行2011》:

(1)240 V额定电压供电，电压为DC 204～ 288 V;正、负极全程均不接地，采用悬浮方式供电;直流输出全程正/负极，应安装过流保护器件。

(2)宜采用熔断器作为蓄电池组过流保护器;不应采用带电磁脱扣功能的断路器作为蓄电池组过电流保护。系统总输入过流采用交流断路器保护，每一个整流模块输入应有独立的断路器。

(3)交流配电屏应具备测量电压、电流功能，并采用数字显示方式;电力质量管理功能(可选)。输出宜采用断路器保护;应能测量总输入电压、电流，并采用数字显示方式，显示误差±1%以下。

(4)系统应进行在线监测;可对每个分支路的绝缘状况进行在线或非在线检测，在直流输出总配电屏中应对总母排的绝缘状况在线监测。

HVDC与－48 V相比，电压等级更高，因此列头柜及其后部分保护元件的额定电压选型较高。输出分路开关选S202M-DC双极产品(DC 250 V (1P)，DC 500 V(2P))，其单极产品的对地电压已通过288 V的测试。

SPD选型时，额定电压也需要更高选型:C级，2×OVR BT2 40-320P TS(40 kA，320 V);D级，2×OVR BT2 20-320P TS(20 kA，320 V)。

3.4 336V HVDC方案

依据2012年12月30日发布实施的《336 V直流系统》:

(1)交流输入380 V(50 Hz)，双电源输入，具有手动或自动转换装置。

(2)直流输出额定电压336 V，整流器输出在300～400 V内可调;直流配电过流保护器件工作电压不低于系统最高电压(400 V)，且分断回路时同时切断正、负极。

(3)蓄电池组正、负极宜采用直流熔断器作为过流保护装置，应配置操作手柄和有效灭弧功能的保护器件。

(4)交流输入回路应设有断路器保护，直流输出回路应设有熔断器(或断路器)保护，蓄电池回路宜具有熔断器保护。

同样，336 V供电的结构与240 V的基本一致，只是直流供电电压更高，电压等级越高，保护元件在选型时相应的额定电压需要增大。在336 V系统，所有元器件必须满足400 V以上额定电压。

4 结语

本文分析了四种不同供配电模式，提供了一整套低压配电元器件和解决方案，包括万能式断路器、塑壳断路器、小型断路器、隔离开关熔断器组、防雷保护等。ABB终端配电保护产品适应各种不同模式的配电特点和要求，适应了数据中心高效节能、绿色环保的发展趋势。

［1］GB 50174—2008电子信息系统机房设计规范［S］.

［2］GB 50462—2008电子信息系统机房施工及验收规范［S］.

［3］TIA-942数据中心电信基础设施标准［S］.

［4］中国电信集团公司通信用240 V高压直流(HVDC)供电系统技术应用指导意见［G］.

［5］YD/T 2378—2011通信用240 V直流供电系统［S］.

［6］中国移动通信集团设计院有限公司新一代数据中心供电系统336 V直流供电系统［G］.

Application of ABB Terminal Distribution Protection and Products in Data Center

HU Manli1，JI Xiaowei2
［1.Xiamen Branch of ABB(China)Co.，Ltd.，Xiamen 361006，China; 2.The Voice of Strait Broadcast Station，Xiamen 361624，China］

This paper analyzed the characteristics of several different power supply and distribution modes in data center，and introduced the application advantages of ABB terminal distribution and protection products including by hot plug for power distribution，lightning protection，intelligent monitoring etc.It is pointed out that ABB terminal distribution and protection product which provides a novel，safe and convenient solution for power supply and distribution of data center，is not only appropriate for the power supply of traditional UPS，but also compatible with the application of high voltage direct current power distribution technology.

power supply and distribution redundancy design;hot plug;intelligent monitoring;lightning protection

TU 852

B

1674-8417(2015)11-0049-07

2015－08－18

季小伟(1983—)，男，工程师，从事广播发射、高低压配电方面的工作。