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技術文章

淺談電力機房母線槽技術及測控產品介紹

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淮亞利

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定  201801

 摘要:隨著電力調度業務和信息化業務發展,電力機房對的可靠性和管理性要求越來 越高。電力生產和信息化業務對電力機房的有更可靠和更靈活的配置、更精細化的管理和更準確的成本控制等。電力數據中心對供電有高可靠性要求,機柜端配電設計不但要滿足傳統的機房端配電功能,還需利于遠期設備擴容,盡可能減少未來設備擴容時對已投運設備造成的影響。本文重點分析電力機房的母線槽技術、組成原理和與傳統電纜設計方案對比,為電力數據中心的可靠性供電提供技術分析和解決方案參考。

 

關鍵詞:機柜端供電;精密配電柜;小母線槽;可靠性

   隨著電力業務的發展和智能電網的升級,電力 數據中心對的可靠性和智能維護要求越 來越高。數據中心機柜端配電設計要滿足傳統機房的配電功能,還應滿足遠期設備擴容;同時,盡可能減少設備擴容對已投運設備的影響。除滿足高可靠性外,還應該具備強大的監控功能,機房運維人員隨時可以了解機柜負載情況、各配電分支回路的電氣狀態和不同負載機群的電量消耗等

   當前,機房的配電容量一般保持在一定的范圍內,通常按照服務器機柜、刀片機柜、網絡機柜、工作機柜、小型機機柜等,常規數據中心單機柜負荷一般在3?8kW之間。根據各類設備功率不同, 電氣連接器接口標準也有所區別,這為供電基礎配套實施帶來了的挑戰。傳統落地式配電單元 (列頭柜)已不能滿足越來越多的供電需求。

   近年來,隨著數據中心靈活性和多元化發展, 一種更加靈活的機柜端設計方案逐步在電力機房中得到應用,即母線槽配電系統。目前已有大量 大型數據中心采購母線槽設計方案,如Google、 Facebook,阿里巴巴和騰訊等數據中心。母線槽在電力行業作為一種導線應用已經有幾十年的歷史,但是對于電力數據中心應用而言,則比較新穎,應用案例不多。與傳統電纜方式對比,母線槽具備 更加可靠的安全性、接口電阻和溫升控制也更加優越

 

1母線槽結構原理

母線槽是由銅、鋁母線柱構成一個封閉金屬裝置,用來為分散系統各個元件分配較大功率。母線槽以銅或鋁作為導體、用非烯性絕緣支撐,然后封裝到金屬槽中形成的新型導體。機房母線槽的額定電壓380V,適用于交流50Hz,額定電流250 ~ 6300A的三相四線制或三相五線制供配電工程中,它具有容量大、裝拆容易、施工周期短等特點。

   (1)分類及發展

按用途分,母線槽一般分始端母線槽、直通母線槽、L型垂直彎通母線、Z型垂直偏置母線、T型垂直三通母線、X型垂直四通母線等,以及有關附件及緊固裝置。按絕緣方式,分為空氣式、密集式和高強度三種插接母線槽。按其結構及用途,可分為密集絕緣、空氣附加絕緣、空氣絕緣、耐火絕緣等;按其外殼材料分為鋼外殼、鋁合金外殼和鋼鋁混合外殼母線槽。

    母線槽的發展已經經歷三代,代為空氣型母線槽、第二代為密集型母線槽、第三代為復合絕緣性母線槽,母線槽的發展技術日臻完善和成熟。

   (2)優點分析

母線槽以銅排或鋁為導體,電流容量很大且電氣性能和機械性能好。母線槽的外殼為金屬,具有不燃燒、安全可靠且使用壽命長等特點。與傳統電纜比較,管道或橋架所占位置較少,對于大型建筑物的施工和線纜排布非常有利。

母線槽的主要特點如下:

① 容量大、壓降很小、短路負載能力強;

② 可靠性高;

③ 外形小且美觀、重量輕;

④ 施工連接方便,檢查簡單。

 

2機房母線槽組成

電力機房母線槽系統由六部分構成:線槽主體、端部饋電模塊、線槽連接模塊、接線盒、監控模塊和通訊模塊。

(1)母線槽主體

外殼提供線槽保護,提高熱穩定性,滿足各種安裝方式,如豎直吊裝或者水平安裝,側邊可貼標識。導電銅排是根據載流量需求選擇不同截面、表面鍍錫、增強抗腐蝕性并減小接觸電阻的電解銅。 表面的絕緣材料具備良好的可短路電流能力。

(2)端部饋電模塊

端部饋電模塊用于將電力接入母線槽系統。端部饋電模塊內置斷路器、監控模塊以及通訊模塊等,斷路器規格按每列負載需求配置。

(3) 線槽連接模塊

線槽連接模塊用于端部饋電模塊與母線槽主體、線槽主體與主體之間、線槽主體與彎頭之間的連接。

⑷連接盒

接線盒可以在母線槽主體上安裝,接線盒內置控制空開及給機柜供電的插座。目前行業上,接線盒在母線槽主體上安裝,大多數均支持熱插拔方式,靈活卡位固定,方便隨時為擴容負載提供電氣連接。接線盒在母線槽主體上具體安裝位置,行業上基本有兩種設計情況:固定安裝和靈活安裝。 Schneider等供應商采用固定式位置安裝,即母線槽主體上每隔600mm預留一個安裝孔位提供接線盒安裝 PDI、Startline等供應商可在主體上任何位置安裝。對不同尺寸規格機柜擺放而言,無疑后者更加適合機房的設計

 (5)監控模塊

監控模塊分為末端及主控單元兩部分。末端單元為機房母線槽通過在端部饋電模塊、接線盒等部件配置智能化電量儀等電氣采集模塊,可即時采集功率、電流、電壓等電氣數據;主控單元包括硬件主控單元和軟件管理平臺

 (6)通訊模塊

通訊模塊在方式上基本支持行業中主流通訊方式,部分廠家還同時支持銅纜和無線介質SNMP管理,增加的母線的智能化管理

 

3機房母線槽設計

本文以某約300m2的電力機房為例,進行母線槽方案和傳統列頭柜方案設計比較。該區域可布置9列機柜,每個列頭柜對就近兩列機柜供電,每個機柜尺寸為800mm x 1100mm,如圖1所示。 

方案1 :每列機柜上方懸吊雙母線槽供電,每條母線槽上的接線盒安裝兩個空開和兩個工業插座,分別為該列的兩面機柜供電,支持即插拔方式,簡易方便業務擴容和功能延伸。

方案2:如果采用傳統的精密列頭柜配電方案,則需為兩列機柜配置1個精密列頭柜,并向每面機柜提供雙電源供電,如圖2所示

⑴母線槽主體配置

每個機柜平均功率按終期需求6kW進行計算,按平面布置,機房中每列為8面機柜,每一列機柜功率為P=8 x 6kW=48kW,長期工作電流/=48/(0.8 x 3 x 0.22)=90(A)o

母線截面一般應按長期工作電流選取,在年均負荷較大且母線槽距離較長時,一般比按長期工作電流選擇的母線槽截面要大些。本案例為年均負荷大、且距離較長的情況,末端母線槽規格按160A配置,即每一列機柜配置2條160A母線槽,分別從主備供UPS接入,如圖3所示

 

⑵端部配電模塊配置

端部饋電模塊由每一列機柜對應的主備供母線槽各配置1個接入配電盒,與主干母線槽的插接箱間采用電纜連接。

(3)機柜端饋電盒配置

主備供末端母線槽上安裝機柜端饋電盒,對于服務器機柜和存儲機柜配置32A開關,對工作站機柜和網絡機柜配置16A開關,通過工業連接器與機柜上的PDU插排進行連接。

(4)智能監控和通信功能配置

監控系統采集功能包括開關狀態、電量、功率、功率因數、電壓等。通信功能為通過末端母線槽供電監控平臺向機房動力環境監控系統開放接口并提供監測數據。

⑸母線槽接地

 

傳統的保護地線PE線放置在母線槽內一側,而新型母線槽采用外殼做PE整體接地。在母線槽強制性標準GB7251.1的7.4條電擊防護的7.4.3.1.5條中規定,如果采用的措施能夠保證電路有持久良好的導電能力,而且載流容量足以承受成套設備中流過的接地故障電流,那么組裝成套設備的各種金屬部件則被認為能夠有效地保證保護電路的連續性。

4方案對比

 

針對方案1的母線槽技術和方案2的傳統精密列頭柜方案,其差異和優缺點對比分析如下:

⑴技術對比

① 散熱性

機房母線槽不同于國內傳統的密集型母線槽,選用開放式設計,載流銅排直接與空氣接觸,利用空氣傳導散熱,并通過緊密接觸的鋼制外殼,把熱量散發出去。另外,母線槽外部鋁殼除起到保護作用外,表面還經過陽極化處理,可增強散熱能力;銅排表面鍍鎳,降低接觸電阻,降低電壓降,減少損耗。傳統的列頭柜加電纜方式,電纜的絕緣材料既是絕緣材料,又是隔熱材料,在機柜數量眾多的情況下,電纜會聚集較多,較難散熱,因此電力電纜在橋架內敷設時,為保證良好散熱,一般允許敷設2層。因此母線槽的散熱性能和電纜相比更加優越。

② 可維護性

傳統的電纜方式,因其材料易磨損和易老化,且壽命較短等因素,需要定期進行檢查和維護,到使用年限后還需更換。而母線槽為金屬架構,維護容易,日常維護通常僅需測量外殼和穿芯螺栓的溫升、進線箱的接頭溫升等而已。

③過載能力

電纜所用的絕緣材料常期工作溫度一般為95- 105-C,母線槽的過載能力大高于電纜。另外,電纜的載流范圍為1000mm截面積,額定電流1600A,而母線槽額定電流能做到6300A

④ 空間布置

母線槽可節省配電柜或列頭柜占用的空間,可避免使用電纜,從而減少布線的困難,以圖1為例,可節約6個列頭柜空間。

⑤ 設計和安裝

設計簡單,布局容易,安裝步驟簡單,無需工具。

⑥ 擴容和總擁有成本(TCO)

母線槽安裝后可根據需要重新配置,可在設計時預留容量,未來擴容方便,總擁有成本較低。

⑦ 環保特性

 母線槽全部材料都選用無毒阻燃材料,99%的材料可回收,環保特性較好,而電纜則有一定的污染性冋

(2)投資對比

針對方案1和方案2不同機柜末端配電方案,兩者的投資造價對比如表1所示。對比列頭柜,電纜,電纜橋架等總體費用,母線槽設計方案的總體投資和傳統的列頭柜加電纜方式基本相當,但是后期維護費用比電纜要低,總體而言總擁有成本TCO較低。

 

 5安科瑞列頭柜及監測產品介紹

隨著數據中心的迅猛發展,數據中心能耗問題也越來越突出,高效可靠的數據中心配電系統方案,是提高數據中心電能使用效率,降低設備能耗的有效方式。

AMC系列數據中心精密配電系統是針對數據機房末端設計的,能夠綜合采集所有能源數據的智能系統,為交直流電源配電柜提供的電參量信息,并可通過通訊將數據上傳到動環監控系統,實現對整個數據機房的實時監控和有效管理,為實現綠色IDC提供可靠保證。5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統

1)功能要求:

遙測:輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度;輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度;

遙信:輸入分路的過壓/欠壓,缺相,過流,輸入分路和輸出分路的開關狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限報警功能。

2)配置方案-示意圖

5.1.2直流系統

1) 功能要求

遙測:輸入分路的電壓、電流、功率、電度;

遙信:輸入分路的過壓/欠壓,輸入分路的熔絲狀態,具備電流、功率需用量分析和統計,實現電壓、電流、功率等參數的越限功能。

2)配置方案-示意圖

5.2產品規格

說明:■為標配功能。

6安科瑞母線槽監測產品介紹

6.1概述

數據中心小母線系統是數據中心末端母線供配電系統的俗稱。近年來,隨著數據中心建設的快速發展和更高需求,智能小母線系統逐漸被應用于機房的末端配電中,具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點,即插式插接箱給各個機柜內的PDU分配電。始端箱和插接箱內可設置監測模塊,將數據上傳至動環監控中心。

6.2  AMB智能小母線管理系統

1)交流系統功能:

遙測:三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、有功電能、無功電能、電纜溫度,系統頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電壓/電流諧波含量、電流/功率;

遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;    

2)直流系統功能:

遙測:電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機柜溫度、機柜濕度、開關狀態、電流/功率;

遙信:過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警,開關狀態、開關跳閘;                             

 

6.3產品介紹

說明:■為標配功能。

7結束語

母線槽具備靈活性和擴展性,同一母排上可根據不同機柜負載大小不同而靈活分配,(即類似網絡帶寬共享方式一樣,功率負荷共享);如需擴容、調整相(三相不平衡時),只需相應調整對應的插接箱。機房母線槽方案是一種能有效減少電纜的使用量的選擇方式,對于集中供電模式電力機房具有實際應用意義。隨著智能電網和大數據業務發展,電力數據中心建設中,其應用開始逐年增加,也是一種發展趨勢所需。母線槽具有穩定可靠、配電效能高、散熱好、電壓低、耐機械沖擊和安裝 簡便等特點,是一種電力數據中心良好的末端供電方式

 

參考文獻:

1】趙德寧、吳勁松、李光泰、李舒濤、陳肖龍.電力機房母線槽技術分析.

【2】安科瑞數據中心IDC配電監控解決方案.2020.03版.

3】安科瑞企業微電網設計應用手冊.2019.11版

 

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