金融企业数据中心剩余电流检测仪表读数超标的分析

俞　杰

(上海慧腾信息科技有限公司, 上海　200331)



金融企业数据中心剩余电流检测仪表读数超标的分析

俞杰

(上海慧腾信息科技有限公司, 上海200331)

摘要：结合某金融企业数据中心实例,详细地分析了引起火灾的剩余电流检测仪表读数超标的5种因素,并提出了针对性的整改方案。整改方案有效降低了线路中的剩余电流,在自然负载情况下剩余电流小于300 mA,符合国家规范的要求,保障了机房设备安全运行。

关键词：数据中心; 火灾; 剩余电流; 检测仪表; 读数超标; MgO电缆

0引言

随着网络科技的不断发展,人们对各类信息数据的需求量、信息速率要求不断提高,使得各个行业(如银行、证券、运营商等)加快了自身数据中心的建设。本文针对某金融企业数据中心配电系统在后期调试中发现的火灾剩余电流检测仪表读数超标问题进行了分析,详细阐述了解决的方案。

1项目概况

某金融企业建设自用A级数据中心,机房建筑面积约为8 000 m2,其中核心机房面积约为5 000 m2,每平方米单位用电量约为1.3 kWh。

机房不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)设备系统总共设置4组USB设备(1A与1B,2A与2B互为备份),每组由3台容量为600 kVA机组并机输出,每两组并机系统互为备用。每组UPS输入前端采用双回路母线(4 000 A)进线至自动转换开关(Automatic Transfer Switch,ATS)柜,再进入3台UPS电源输入柜,3台UPS经过同步后并机输出至负载。

数据中心机房分为地下2层,地上4层,-1F、2F分别为UPS配电室和电池室。1F设置设备拆卸间、电信接入间、网络通信机房等,2F设置网络通信机房、核心机房、精密空调机房等,3F设置介质库、核心机房、总控中心、精密空调机房等,4F设置屏蔽机房、核心机房、精密空调机房等。UPS输出电缆通过1F～4F的垂直电缆沟至各机房智能配电柜。

按照JGJ 284—2012《金融建筑电气设计规范》[1]条文说明:“在某些次要区域着火时,重要金融设施主机房可能有必要维持一段时间的工作”,故此类区域采用AI级耐火电缆。本文选用氧化镁(MgO)电缆,其具有完全防火、过载能力强、防腐、防爆性能好、使用寿命长等优点。

2火灾剩余电流检测仪表读数超标的分析及处理

2.1发现的问题

整个配电系统建设后发现,设置在ATS切换柜、UPS输入柜及UPS输出柜侧的剩余电流检测仪表读数为4 000～8 000 mA,超过有关国家规范规定的设备安全剩余电流应小于300 mA的规定,表明供配电系统存在不安全因素。

2.2问题分析及查找

A级机房的安全可靠性非常重要。依据国家相关标准规范,检查现场设备线路,分析相关仪表指示数据,并进行数次试验。同时组织多次专家论证,分析产生剩余电流的原因,编制解决方案并逐一验证整改结果。经研究发现,火灾剩余电流检测仪表读数超标由以下5种因素引起。

2.2.1IT电源系统UPS设备接地不良

UPS系统如图1所示,3台600 kVA UPS设备并机运行,总线上装有漏电检测仪表。

图1　UPS系统

在机房自然负载情况下,采用在线工作方式、静态旁路工作方式和外旁路工作方式分别对1#UPS系统B总线进行检测,并对输出回路负载分别送电和切断有关电缆线路,检测剩余电流产生的原因。

原UPS设备的PE接地是依靠电源MgO电缆铜表皮实现的,由于没有采用专用接地电缆,线路中剩余电流值增大。

整改方案:取消电源MgO电缆铜表皮作为UPS设备专用接地线,改为240 mm2专用接地电缆,实现UPS设备接地,有效降低了剩余电流。

机房接地电流很复杂,通常采用塑料电缆输送电力,其UPS的接地必须采用专用电缆接地。如利用电源MgO电缆的铜表皮给UPS接地,节省了专用接地电缆,但增大了线路剩余电流。

2.2.2OEC系统UPS设备并机产生的问题

原OEC UPS系统的2台UPS分别由两路市电供电,其输出总线并机运行,造成两台电力变压器的N线在UPS输出母线上并网运行,造成电路剩余电流,给系统带来不安全因素。原OEC UPS系统如图2所示。

图2　原OEC UPS系统

整改方案:在OEC UPS电源端增加一台ATS切换柜,把原独立双市电电源输入、UPS输出并机系统变更为ATS双市电电源切换输入、UPS输出并机系统,消除两路市电电源的N线通过OEC UPS系统联网而形成系统环流的不良影响,有效降低系统的剩余电流。整改OEC UPS系统如图3所示。

2.2.3滤波器回路产生剩余电流

数据中心4F设置屏蔽机房,进入屏蔽机房所有电缆均设置滤波器。由于滤波器LC电路的特性,会增加供配电电路的剩余电流,这种剩余电流属于正常剩余电流,但往往高于规范规定的安全值范围。对于滤波器回路产生的自然剩余电流值较大的情况,根据JGJ 16—2008《民用建筑电气设计规范》[2]第13.12.6条规定:“需采用门槛电平可调的剩余电流动作报警器或分段报警方式抵消自然泄漏电流的影响”,实际应用中将门槛电平提高至滤波器产生的剩余电流(约1.2 A)。

2.2.4MgO电缆接头故障

每根MgO电缆的出厂长度不超过90 m,造成施工中电缆的中间接头多,中间接头处容易出现故障。

检查发现,UPS输出到智能配电柜回路中一根N相线的中间接头绝缘未处理妥当,产生了剩余电流。经过检修处理,消除了产生的剩余电流。

图3　整改OEC UPS系统

以上4项问题整改后,系统在机房自然负载(不大于200 kW)下剩余电流指示小于300 mA,符合国家有关规范要求。

2.2.5MgO电缆表皮接地问题

(1) 假负载提升测试。上述4项完成了供配电系统低负载测试,并解决了在低负载情况下存在的剩余电流问题,而数据中心的供配电系统必须满足从低负载到全负载范围的安全、可靠运行。负载逐步增加到额定最大值的情况必须通过试验得到,以验证系统的安全性、可靠性。由此,引出大容量假负载测试。

假负载测试就是在UPS输出母线上接入人工负载,这种负载通常是纯阻性的,负载功率可逐挡调整,满足对系统的试验和安全性、可靠性的评估。

对1#UPS系统B总线进行了假负载检测试验,以检查系统在不同负载直至满载工作情况下的剩余电流。

采用4台假负载(三相五线制的纯电阻负载),每台最大功率为400 kW,总功率为1 600 kW,试验负载分别为0、200、400、500、700、1 000、1 200、1 400 kW,逐步递增。

试验时发现,系统输入的剩余电流随着负载的增大而增大,在200 kW以下时变化很小;负载上升至500～700 kW时,系统输入的剩余电流产生较大增值,并超过300 mA;随着负载继续增加,系统输入的剩余电流产生更大的增值,超出仪表8 000 mA的量程。

试验结果表明,MgO电缆的表皮接地线电流是电缆空间电磁场感应引起的,是MgO电缆本身具有的物理特性。

① 表皮电磁感应电压很低,最大不超过0.4 V。

② 表皮接地线电流随着负载电流增大而增加。

③ 表皮接地电流为矢量值,合成后电流最小。

④ 表皮接地线电流具有发热效应,但电能耗散功率很小。

⑤ 表皮间隔0.8 m以上重复接地对原接地点表皮接地线电流不产生影响,即不会减小原端点表皮接地电流。

(2) 表皮的可靠接地保护。UPS电源MgO电缆表皮电流检测试验数据如表1所示。

表1UPS电源MgO电缆表皮电流检测试验数据

假负载总功率/kWUPS编号电源状态MgO电缆表皮PE线电流/AA-PEB-PEC-PE N-PE 平均电流最高温度/℃PE线缆主体电缆1200UPS1正常供电65.449.677.664.164.238.430.1UPS2正常供电60.934.380.165.860.338.430.1UPS3正常供电55.651.889.489.271.538.430.11400UPS1正常供电68.654.287.877.371.940.133.2UPS2正常供电67.242.485.472.866.940.133.2UPS3正常供电65.857.7101.0100.081.140.133.2

为减小接地环流,MgO电缆采用单端放射式接地。根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》[3],接地线的截面为35 mm2,长度为6 m,电缆表皮在UPS输出并机柜端接地。

① 验证MgO电缆表皮接地线的截面和长度。MgO电缆表皮接地线布线方式:正规布线,每路电源每根电缆配置一根表皮接地线,A相用黄色线,B相用绿色线,C相用红色线,N相用蓝色线,每路电缆配8根电缆表皮接地线(黄、绿、红、蓝各2根),上下各4根矩形截面编织,沿着配电柜壳体理线敷设。

表1中,假负载总功率为1 400 kW(系统运行的最高额定负载)时,电缆表皮接地电流最大值为101 A,电缆表皮接地线平均电流为66.9～81.1 A;表皮接地线的最高温度为40.1 ℃,主体电缆最高温度为33.2 ℃。

根据文献[4],ZR-BV 35mm2阻燃铜芯电线在环境温度25 ℃条件下,允许连续载流量为192 A,允许长期工作温度为70 ℃;在环境温度40 ℃条件下,允许连续载流量为157 A,允许长期工作温度为70 ℃,而在假负载功率1 400 kW时表皮接地线电流最大值为101 A,只占其允许连续载流量的52%,电流远低于157 A,而温度约为40.1 ℃。可见,ZR-BV 35mm2阻燃铜芯电线在该条件下运行安全、可靠。系统正常运行时双UPS电源系统热备份运行,其MgO电缆的表皮接地电流减小50%,只占其允许连续载流量的26%,即在负载1 400 kW时表皮接地线最大电流约为50.2 A。因此,采用ZR-BV 35mm2阻燃铜芯电线作为MgO电缆表皮接地线。多次对比测试结果表明,6 m长接地线可有效将接地电流控制在安全性范围内,同时具有可操作性[5]。

② 验证机房等电位接地系统中MgO电缆表皮接地后感生电压的安全性。当假负载功率为1 400 kW时,表皮接地线的最大表皮对地电压为0.579×6×101/[1+0.004 3×(60-37.5)]=0.32 V。其中,铜导线在60 ℃时的电阻取0.579 mΩ/m,铜导体电阻的温度补偿系数取0.004 3。

表皮接地线的平均表皮对地电压为(0.579×6×81.5/[1+0.004 3×(60-37.5)]=0.26 V。

根据GB 50054—2011《低压配电设计规范》[6],局部等电位联结或辅助等电位联结的有效性校验:

RIa≤Ua

式中:Ua——人身电击安全电压限值,50 V;

R——接地线电阻;

Ia——接地电流。

根据以上计算可知,当假负载功率为1 400 kW时,表皮接地线的最大表皮对地电压为Ua=0.32 V,远小于50 V。系统正常运行时双UPS电源系统热备份运行,MgO电缆的表皮接地电流减小50%,表皮接地线的表皮对地电压减小50%,表皮接地线的最大表皮对地电压仅为Ua=0.32/2=0.16 V,可见MgO电缆的表皮感应电压在安全电压范围内。

3结语

分析了火灾剩余电流检测仪表读数超规范的原因,并提出了解决方案,消除了剩余电流,保障了机房设备及人身安全。另外,对MgO电缆在数据中心或大电流负载状况下的特性进行介绍,可为相关企业数据中心提供参考。

参考文献

[1]金融建筑电气设计规范:JGJ 284—2012[S].

[2]民用建筑电气设计规范:JGJ 16—2008[S].

[3]交流电气装置的接地设计规范:GB 50065—2011[S].

[4]中国航空工业规划设计研究院.工业与民用配电设计手册[M].3版.北京:中国电力出版社,2005.

[5]电子信息系统机房设计规范:GB 50174—2008[S].

[6]低压配电设计规范:GB 50054—2011[S].

Discussion About Exceeding Reading of Residual Current Detecting Meter in Data Center of Financial Enterprise

YUJie

(Shanghai Huiteng Information Technology Co., Ltd., Shanghai 200331, China)

Abstract：Combining by the data center of a financial enterprise,this paper analyzed five factors which cause the exceeding reading of fire residual current detecting meter,and put forward the corresponding improvement schemes. The improvement schemes effectively reduce the residual current in the circuit. The residual current of less than 300 mA is in accordance with the requirements of national standard in the natural load cases. It ensures the safe operation of data center equipment.

Key words:data center; fire; residual current; detecting meter; exceeding reading; MgO cable

收稿日期：2015-10-22

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2016.04.005

中图分类号：TU 852

文献标志码：B

文章编号：1674-8417(2016)04-0018-06