数据中心中、低压柜操作电源的研究

卢学山，张文利

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 数据中心电源概述

近年来，数据中心的建设呈高速发展态势。数据中心用电的特点是耗电量大，IT负荷及其配套空调用电可靠性要求高。对于每栋大型数据中心，通常是由园区内110 kV（220 kV）变电站引入两回或4回10 kV进线分A、B路供电。在数据中心内部，除一层布置动力用变压器为冷却水泵、冷冻水泵及其他动力设备供电外，标准层均配置IT用变压器，为IT负荷及其配套设备供电。因此在数据中心设计有10 kV中压柜和400 V低压柜为各电压等级设备配电，本文主要探讨数据中心中、低压柜的操作电源的设计。

2 10 kV中压柜操作电源

对于10 kV中压柜的操作电源设计，通常采用配备蓄电池的专用直流屏。其输入为两路不同上级的三相交流380 V，输出电压为直流110 V或220 V。在电力系统中，将用于控制或信号指示的直流控制回路电源母线称为控制母线，用字母KM来表示，将用于合闸电磁铁或合闸储能电机的电源母线称为合闸母线，用字母HM来表示，这两种母线共用负极母线。

合闸母线与控制母线用途不同，其区别在于控制母线需要提供较小负荷的持续直流电源，而合闸母线只在需要在动力负荷启动时提供瞬时较大的电源，平时无负荷电流，其用电负荷包括多台设备同时合闸和直流动力负荷启动两部分。由于在动力负荷启动或合闸线圈、储能电机合闸时电流较大，会造成合闸母线电压的短时下降，因此合闸母线电压要求设计的稍高一些，为直流240 V或直流125 V。控制母线电压则一般为直流220 V或直流110 V。蓄电池并接在合闸母线上，控制母线由合闸母线经硅链降压后供电。

随着科技的发展，近些年来电磁操作机构已经逐渐被淘汰，取代它的是弹簧机构和液压机构等新的操作机构。这些采用新机构断路器的分、合闸是依靠储能电机提前储好能量，在断路器动作（手动分、合或保护动作）时释放能量来完成，所以合闸电流不需要很大，对于合闸母线也就不是太依赖。因此部分设计师会设计控制母线带保护装置，所谓的合闸母线带储能电机，其实这个控制母线和合闸母线电压已经统一。现在控制母线和合闸母线的概念已经淡化，用保护母线和控制母线来描述更恰当些。保护母线提供保护装置和其他自动化装置的电源，控制母线提供断路器的操作电源等。现在新建的变电站基本上不设置合闸母线，但是在某些特定设计背景下，这种设计方案仍需保留。

数据中心相比于电力系统的继电保护装置配置略少一些，但是供电可靠性要求略高于电力系统。在某数据中心10 kV中压柜配套操作电源直流屏设计中，每套直流屏配置了两组阀控铅酸免维护50 Ah蓄电池，其操作控制电源延用了合闸母线+控制母线的方案。该操作控制电源主要用于假负载测试柜、柴发并机柜以及各配电室馈线柜等10 kV开关柜的柜内控制电源。

在某些数据中心的设计中，由于直流屏仅布置在一层，而每个标准层变压器前的10 kV中压配电柜也需要有操作控制电源。从一层引接直流电源一方面是距离远，电压降大，另外一方面是直流馈线电缆跨越的楼层数多，增加了直流接地的风险。因此在标准层10 kV配电柜的操作控制电源会考虑从本层的UPS取，其控制电源为交流220 V。此外，由于UPS自带蓄电池，也能满足标准层10 kV中压柜操控电源的需求。

3 0.4 kV低压柜操作电源

数据中心0.4 kV低压柜配电的用电负荷主要有冷站设备、BA动环智能化设备、机柜不间断电源（UPS、HVDC）以及机柜精密空调等。按照GB 50174—2017《数据中心设计规范》中对于用电负荷的分类，大型数据中心中IT设备、冷冻水二次泵、精密空调、安防和控制以及备用照明等负荷按一级负荷中特别重要负荷标准供电，为IT设备服务的冷源系统、通风系统以及消防设备（报警设备、排烟等级、消防水泵）等按一级负荷标准供电，检修动力和普通照明等按三级负荷标准供电。其中一级负荷的供电可靠性为GB50052—2009《供配电系统设计规范》中供配电最高等级要求，常按2N或2N+1原则配置相关配套电气设备。

数据中心0.4 kV配电柜按上级设备来分可分为变压器低压侧0.4 kV配电柜、UPS输出0.4 kV配电柜以及HVDC直流240 V输出柜。在HVDC直流输出柜中，其负荷馈线采用了熔断器+直流断路器的方式来实现对用电负荷的保护。

在交流低压柜中，较常采用的电气分断元器件为空气断路器，含ACB框架断路器、MCCB塑壳断路器以及MCB微型断路器3种。其中，塑壳断路器和微型断路器由于体积小，载流量和分断短路能力弱，常用于馈线的输出，而框架断路器因其体积大，载流量和分断短路能力强，常用于0.4 kV母线进线和母联。在数据中心设计中，由于IT用电设备集中，UPS采用多机并机运行，当UPS单台容量超过500 kVA时，其UPS输出断路器和母联断路器也会采用框架断路器。此外，由于塑壳断路器的框架规格最大为800 A，因此800 A以上规格断路器常采用框架断路器。

常规的400 A及以下规格塑壳断路器和微型断路器为手动分、合操作，不需设置操作电源，其控制电源常用于红绿指示灯和表计。而630 A以上规格塑壳断路器（加装自动操作装置）和框架断路器由于机构复杂，内部集成了储能机构和脱扣装置，需要设置有操作电源才能实现远方操控。

框架断路器和加装了自动储能装置的塑壳断路器按照安装位置的不同，其操控电源的配备也不相同，主要可分为以下两种。

一是变压器低压侧0.4 kV进线断路器及母联断路器。数据中心的变压器低压侧0.4 kV进线断路器及母联断路器操控电源取自变压器低压侧A相母线，经微型断路器或熔断器接至框架断路器的操作控制回路，用于储能电机及分合闸线圈供电。此方式存在的问题为一旦变压器高压侧失电，低压侧断路器会失去操控电源，仅能靠失压脱扣装置或串接在控制回路中的高压侧辅助接点才能分开断路器，因此该配备方式仅适用于可靠性要求较低的用电负荷。在电力系统中，重要设备断路器的控制电源常需要采用取自直流屏的可靠直流电源。

二是UPS低压侧0.4 kV输出断路器。UPS低压侧0.4 kV框架断路器操控电源可取自直流屏输出，也可取自两路不同段0.4 kV母线馈线经PC级ATS切换装置后供给。该配备方式可在本路市电断电情况下保证操控电源的持续供应，可靠性较高。

不配备控制电源的0.4 kV框架断路器仅能依靠手动储能的方式来实现断路器的分合，只能满足试验和正常运行时断路器的分、合闸，无法实现远方操作和自动分合闸，因此必须按照实际需要设计合适的操控电源。

4 切除非消防负荷的分励脱扣

除了常规的手动、自动分闸方式外，数据中心用电设备存在一种需要远方自动分闸的情况，那就是消防切非。在非消防电源用电负荷的切除中，强切消防时必须要停电的馈线，因此选用带分励脱扣器的断路器，以便消防控制中心的消防火灾报警系统能通过输入输出控制模块远距离使断路器跳闸，以切断非消防负荷的电源，避免发生次生伤害。

在发生火灾时，消防控制室发出报警信号，由于非消防负载的断路器上安装了分励脱扣器，同时加装有中间继电器，通过消防跳闸信号接通至此中间继电器，在断路器的分励脱扣线圈回路中串接中间继电器的常开触点，通过分励脱扣器、中间继电器与输出模块的配合来切除非消防负荷。分励脱扣器和辅助触头如图1所示，其额定控制电压一般为直流220 V或交流220 V/380 V。当电源电压处于控制电压的70%～110%时，在断路器的合闸情况下分励脱扣器使断路器能脱扣断开。

图1 分励脱扣器和辅助触头

分励脱扣器的原理如图2所示。通过分析可以看出，分励脱扣器是一个加有脱扣器的分闸线圈。当给分闸线圈加上24 V电压时，断路器就会脱扣分闸。断路器操作把手的位置除了上合、下分两个位置外，脱扣后断路器的把手将会停留在中间位置，相当于释放了能量。断路器分励脱扣后无法远方操控合闸，也不能直接手动合闸，必须将断路器再扣后才能合闸。所谓再扣，就是将断路器把手从中间位置向下扳到最底的位置后，使脱扣器重新钩住，然后断路器才能操作。切断非消防电源时用直流24 V，该24 V电源取自消防控制室带蓄电池的火灾报警装置。分励脱扣线圈只能短时间通电，时间长会烧损分闸线圈。因此为防止线圈烧毁，塑壳断路器会在分励脱扣器中串联微动开关，当分励脱扣器通过衔铁吸合时，微动开关状态从闭合转换成断开，从而切断分励脱扣器的控制回路。

图2 分励脱扣器原理图

5 结 论

近些年来，随着国家5G布局，数据中心的建设快速发展，对数据中心的电源可靠性要求也越来越高。在重视数据中心供电安全可靠的同时，也需要关注中、低压柜操作电源的正确设计，以保证数据中心的安全运行。