1、大型數(shù)據(jù)中心限制中壓短路電流的益處 第 253 號白皮書 版本 0作者：Antony Parsons摘要 一旦 IT 負載容量超過幾兆瓦，將更多的配電基礎設施轉移到中壓是有意義的。中壓變壓器短路額定值對數(shù)據(jù)中心成本和開關設備列的占地面積有很大的影響。本白皮書介紹了將這一短路電流限制在 25 kA 或以下的益處，以及該短路電流限制可以實現(xiàn)新型開關技術的應用，從而帶來諸如尺寸、安全性、成本和可靠性方面的優(yōu)勢。 第 253 號白皮書 版本 07施耐德電氣 數(shù)據(jù)中心科研中心簡介數(shù)據(jù)中心的設計，如同其提供的應用和服務一樣，一直在變革。最新的數(shù)據(jù)中心設計趨勢注重可擴展性和模塊化，以及采用更加開放性的標準甚

2、至對硬件設施亦是如此。此外，功率容量在 10 兆瓦級以上越來越大的服務提供商類型的數(shù)據(jù)中心已成為市場發(fā)展趨勢。目前在建的最大規(guī)模數(shù)據(jù)中心功率容量已超 100 兆瓦。 此規(guī)模數(shù)據(jù)中心內的配電系統(tǒng)無論采用哪類 IT 硬件或部署方案如何都需要一些特殊的考慮，因為以可靠方式部署龐大配電模組會影響系統(tǒng)和設施最終的布局。一旦總負載達到幾兆瓦以上，那么低壓為主的配電系統(tǒng)（比如：380-480V）的適用性就會減弱， 且隨著負載容量的繼續(xù)增加，低壓配電的可行性也會降低。最顯而易見的應對方法是將更多配電網(wǎng)絡基礎設施轉移到中壓包括與后備發(fā)電機相連接、自動切換系統(tǒng)等功能。因為即使是 5kV 電網(wǎng)也會對超大型數(shù)據(jù)中心的

3、設計有所約束。當然，因為 IT 設備和其他負載以低壓電運行，低壓配電仍然會存在。但在如今的數(shù)據(jù)中心內，采用更廣泛、更復雜的 15kV（甚至更高）運行電壓的配電網(wǎng)變得越來越普遍。 由于功率與電壓和電流的乘積成正比，因此，更高的額定電壓直接允許系統(tǒng)擁有更高的額定功率。圖 1 所示為通用空氣絕緣開關柜額定電壓和額定電流與最大視在功率（即： kVA）之間的關系。 100000900008000070000600005000040000300002000010000 00051015202530系統(tǒng)電壓 (kV, L-L, RMS)最大功率 (kVA)24.913.812.48圖 1

4、空氣絕緣開關柜最大視在功率（kVA）與通用額定電壓等級和通用最大開關等級間的關系 如圖所示，從 0 至 15kV，容量呈線性增長；從 15kV 至 25kV，容量增長有一定的放緩。雖然可以獲得更多的容量，但在改用更高配電電壓時也存在一些缺點，比如至少從絕對 值來看，設備體積更大，價格更貴。倘若以每千瓦單位值考慮開關設備的成本和占地面 積， 那么中壓側兆瓦級的“規(guī)模經(jīng)濟”就變得明顯。然而，對更高系統(tǒng)功率容量的需求 可能需要采用中壓電網(wǎng)，這在很大程度上導致“采用低壓電網(wǎng)還是中壓電網(wǎng)？”成為一 個具有爭議性的話題。但即便如此，考慮諸如可用短路額定值等設計參數(shù)如何影響開關 設備設計以及如何從成本和占地

5、面積的優(yōu)化角度進行方案的選擇仍非常有用。 大型數(shù)據(jù)中心限制中壓短路電流的益處中壓開關設備特性 長期以來，依據(jù) IEEE C37.20.2 標準制造的空氣絕緣金屬鎧裝開關設備一直占據(jù)著ANSI 中壓斷路器開關設備市場的主導地位 1。而這些設備中采用的抽出式真空斷路器可靠、高效，適用于不同的電壓等級和較寬的額定參數(shù)范圍。金屬鎧裝開關設備適合用 于嚴苛的高功率應用場合（請參見圖 2），從發(fā)電站到大型石化廠、制漿造紙廠，甚至 1 IEEE C37.20.2-2015，IEEE 金屬鎧裝開關設備標準，電氣與電子工程師協(xié)會，圖 2帶有抽出式斷路器的典型鎧裝開關設備 數(shù)據(jù)中心。而這一

6、傳統(tǒng)中壓斷路器開關設備的最常見替代產(chǎn)品也許已變?yōu)橹袎喝蹟嚅_關設備或是符合 IEEE C37.20.3 標準 2的金屬封閉開關裝置其設備的價格更經(jīng)濟，但其參數(shù)范圍和保護方案的靈活性較低。請參見圖 3 示例。 圖 3典型中壓金屬封閉開關設備 雖然鎧裝開關設備在應用和額定值這兩方面具有很大的靈活性，但在以下一些方面并不理想。首先，相對而言，此類開關設備體積較大，也偏貴（請參見下文中更為詳細的內容）。應用的靈活性也意味著開關設備可能需要大量的定制設計，可能會延長從訂貨到交貨的周期。由于設計要求斷路器可從設備中取出，所以線纜安裝區(qū)一般位于開關設備的背面，這會增加設備的占地面積，增加設備的操作空間需求。

7、不過，如今中壓斷路器開關設備領域也提供其他可選方案，包括體積更小、價格更經(jīng)濟的固定斷路器設計，其既不犧牲裝置的功能性或可靠性，也能提高操作人員的安全性。我們對傳統(tǒng) 15kV 級金屬鎧裝開關設備和屏蔽式固體絕緣開關設備（SSIS）進行比較。在 SSIS 中，帶電部分的外層先是由一層絕緣層包裹（例如：環(huán)氧樹脂），再是一層接 2 IEEE C37.20.3-2013，IEEE 金屬封閉開關裝置標準（1kV-38kV），電氣與電子工程師協(xié)會， 地導電層 3。SSIS 和金屬鎧裝開關設備的其他差別將在下文中進行討論。在我們的比較中，我們假定設備額定電流為 1200A，短路電流額定

8、值為 25kA。圖 4 所示為一個典型的 SSIS 設備圖片。 圖 4SSIS 斷路器截面（左圖） 與絕緣母線結構（右圖） 首先，要考慮設備的占地面積，其中可能最顯著的差異是：典型金屬鎧裝開關設備的截面為 36 英寸寬 x 91 英寸深，總占地面積為 3276 平方英寸。1200A SSIS 開關設備的截面為 29.5 英寸寬 x 36 英寸深，總占地面積為 1062 平方英寸。不過，這并沒有考慮國家電氣規(guī)程表 110.34(A)4所要求的設備周圍“工作空間凈距”，其應當始終保持無障礙。工作空間要求雖然取決于安裝細節(jié)，但 15kV 等級設備前后的典型最小“凈工作空間” 為 5 英尺（60 英寸

9、）。這就使單個設備的總占地面積變?yōu)?36 英寸 x 211 英寸， 即 7596 平方英寸。固定斷路器 SSIS 僅要求正面觸及，所以只需要 5 英尺的工作空間， 推薦在設備背后留出 18 英寸的工作空間，方便對斷路器進行更換操作（如場地空間有 限，設備背后也至少需要 10cm 的最小間隙）。該設備的總占地面積（包括工作空間） 為 3363 平方英寸，略大于傳統(tǒng)金屬鎧裝開關設備的實際設備占地面積。如圖 5 所示。 請注意，這僅僅是一個基本的比較。在某些情況下，金屬鎧裝開關柜可以構建為“雙層” 配置即同時包含上下兩個斷路器而諸如 SSIS 的固定斷路器開關柜通常只允許放置一個斷路器。不過，600

10、A SSIS 單柜僅 14.75 英寸寬，因此即使有此限制，尺寸 較小的回路（例如，變壓器饋線）需要的總體空間也更小。（作為參考，一個 600A 饋線可以在 4160V 和 12.47kV 下分別提供超過 4MVA 和 12MVA 功率。） 正如前面討論過的，金屬鎧裝開關設備和諸如 SSIS 等較新的替代方案之間的一個區(qū)別是，金屬鎧裝開關設備允許使用抽出式的斷路器，而設計更加緊湊的 SSIS 通常使用固定斷路器。最早開發(fā)抽出式斷路器是因為早期的中壓空氣斷路器（ACB）和油壓斷路器 （OCB）需要頻繁維護?？諝鈹嗦菲骺赡茉趲状伍_關操作后就需要進行維護，而制造商一般建議用戶每三個月檢查并測試一次油

11、壓斷路器。而現(xiàn)代的真空斷路器可以進行多達數(shù)千次的開關操作，且維護需求相當少，但在 ANSI 市場上使用抽出式斷路器的習慣仍然保持。（諷刺的是，現(xiàn) 關設備的部分維護要求，是由需要對那些允許斷路器從設備中抽出的部件進行維護、清潔和潤滑而產(chǎn)生的習慣性操作。）現(xiàn)代斷路器不斷提高的可靠性使固定式開關設備成為傳統(tǒng)開關設備的一種可行替代方案；請參閱腳注 5，獲得這一話題的更多討論。 3 Biasse, J. M., V. Ferraro, G. Wang；施耐德電氣#FP0314 技術文獻屏蔽固體絕緣的中壓開關設備 （2SIS）可適合嚴苛環(huán)境，能極大降低內部電弧的可能性。施耐德電氣，www.schneide

12、4NFPA 70-2014，國家電氣規(guī)程，美國國家消防協(xié)會，。 5 Chandrapati, J., V. E. Wagner 和 J. K. Stacy；“ANSI 中壓應用市場中從抽出式斷路器開關設備向固定斷路器開關設備轉移”，即將在“2016 年 IEEE PCIC 大會會議記錄”中發(fā)表，費城，賓夕法尼亞州。 檢修空間5 英尺作業(yè)空間固態(tài)絕緣屏蔽開關設備 金屬封閉開關設備5 英尺作業(yè)空間5 英尺作業(yè)空間鎧裝 開關設備5 英尺作業(yè)空間圖 51200A 金屬鎧裝開關設備和固體絕緣開關設備的工作空間要求圖例 近年來，業(yè)界普遍提高了對電氣安全性

13、的認識，特別是涉及弧閃的 。雖然采取諸如進行系統(tǒng)研究、為工作人員提供合適的培訓以及配備適當?shù)膫€人防護設備等行動，可以很大程度上幫助解決這一問題，但更為理想的應對做法是采用“安全設計”原則，以便在問題發(fā)生前減少或消除 和風險。固定斷路器開關設備可以通過免除安裝具有“搖入搖出”的抽出式斷路器來降低這一風險，抽出式斷路器在 IEEE6和 NFPA7標準中被公認為是一項弧閃危險因素。與傳統(tǒng)開關設備相比，固定開關設備采用三工位的隔離和接地開關，也有助于降低這一風險。氣體絕緣開關設備（GIS）或 SSIS 也具備一些母線絕緣相關的優(yōu)勢。對于 GIS 和 SSIS 而言，可通過設置物理屏障將單相母線與另一條

14、母線或接地部分完全隔離，這可以降低系統(tǒng)內引發(fā)錯誤的可能性，無論這一錯誤是有關污染、組件故障還是意外觸及。經(jīng)測試顯示可幫助控制內部電弧故障影響的“耐弧”空氣絕緣開關設備 8，雖然有助于最大程度減少此類事故對工作人員的影響，但電弧故障導致的設備內部損壞仍非常顯著。GIS 或 SSIS 除了可實現(xiàn)“耐弧”等級，其具備的額外優(yōu)勢是，破壞性電弧發(fā)生的可能性（相-地或相-相之間）顯著降低。它不僅能為工作人員提供保護，也能保護設備本身可以幫助提高系統(tǒng)的整體可靠性。SSIS 內的固體絕緣屏蔽也具備一定程度的防電擊保護根據(jù) IEC 62271-201 標準 9，其可歸入“PA” 保護等級，即表明在維護操作中若發(fā)

15、生“意外碰觸”，也能保證安全性。（歸入“故意碰觸”安全性分類的組件必須滿足一些額外要求，但最終的結果大同小異 即工作人員不會因電擊而死。） 6 IEEE 1584-2002，IEEE 電弧閃光焊接計算執(zhí)行指南，電氣與電子工程師學會，7 NFPA 70E-2015，工作場所的電氣安全標準，美國國家消防協(xié)會，8 C37.20.7-2007，IEEE 內部電弧故障用壓力等級小于 38kV 的金屬封閉開關設備的測試用指南，電氣與電子工程師學會，9 IEC 62271-201:2014，高壓開關設備和控制設備 第 201 部分：額定

16、電壓大于 1kV 小于等于 52kV 的交流固體絕緣封閉開關設備和控制設備，國際電工委員會，www.iec.ch表 1金屬鎧裝開關設備和SSIS 開關設備之間的關鍵區(qū)別總結 上面所列優(yōu)勢需 衡，主要涉及設備可用的額定值。例如，上述 SSIS 的限值為1200A 持續(xù)電流、15kV 最大電壓和 25kA 短路電流。對于更高電壓或電流的應用，傳統(tǒng)金屬鎧裝開關設備或其他方案（如：GIS）仍有采用的必要，尤其是對于大型數(shù)據(jù)中心的主中壓開關設備而言可能是必不可少的。但替代方案的尺寸、成本和安全性優(yōu)勢當 類型 金屬鎧裝開關設備 SSIS 開關設備 尺寸（占地面積） 基準 小 30%-60%價格（投資成本）

17、 基準 少 20%斷路器類型 抽出式 固定式 維護頻率 3-5 年 10 年 安全性 良好 更佳 設計與操作性 通過抽出斷路器進行隔離；背面操作需要更大空間 通過斷開隔離開關隔離；正面操作實現(xiàn)緊湊設計 可靠性 手動取出斷路器隔離電路；需要使用抽架機構和活門 直觀的互鎖操作；不存在復雜的抽架機構或需要安裝活門； 集成接地開關 然也是值得考慮的。表 1 總結了金屬鎧裝開關設備和 SSIS 開關設備之間一些關鍵區(qū)別。 數(shù)據(jù)中心設計可靠性與 Tier 等級分類考量因素 數(shù)據(jù)中心通常是以配電基礎設施和設計為核心，從而為設施內的 IT 負載提供可靠而不間斷的電源。無論配電網(wǎng)彈性是以“可靠性”還是“可用性”

18、10來衡量，或者僅僅從預期宕機時間的角度來看，系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計度量的優(yōu)化需要更復雜的配電網(wǎng)。國際正常運 行時間協(xié)會（Uptime Institute）提供的數(shù)據(jù)中心等級分類從分配路徑數(shù)量、冗余性、分區(qū)、維護和容錯角度考慮了可靠性和可用性 11，表 2 進行了匯總。下一個層級包含了上特征Tier ITier IITier IIITier IV分配路徑 1 路 1 路 1 路主用 1 路備用 2 路主用 支持 IT 負載的活動容量組件 NN+1N+12(N+1)分區(qū) 無 無 無 有 可并行維護性 不能 不能 可以 可以 容錯 無 無 無 有 持續(xù)制冷 無 無 無 有 一層級的所有要求。數(shù)據(jù)中心 Up

19、time Tier 等級決定了基礎設施的設計。 表 2Uptime Tier I-IV 特征 10 IEEE 493-2007 標準，可靠工業(yè)和商業(yè)電力系統(tǒng)的設計用 IEEE 推薦實施規(guī)程，電氣與電子工程師學會， 11 Turner, W.P., J.H.Seader.V. Renaud, K.G.Brill；“采用 Tier 等級分類的方式定義場地基礎設施性能” 2008 年，Uptime Institute，NM圖 6 所示為大型數(shù)據(jù)中心的 Tier III/IV 典型架構。 中壓中壓 低壓 低壓圖 6大型數(shù)據(jù)中心的 Tier III/IV基本架構 圖 6 所示系統(tǒng)

20、不僅有 2N 中壓配電，2N 低壓配電，并且還有連接 2N UPS 系統(tǒng)的 2N 發(fā)電機。對于 5MW 以上 IT 負載的系統(tǒng)容量，可能需要采用其他的架構，以減少所需備用發(fā)電機的數(shù)量，同時也需要優(yōu)化低壓側開關設備所需的額定值。這兩種方式都傾向于將更多的電力基礎設施轉移到中壓側。圖 7 所示為中壓側的 Tier III/IV 系統(tǒng)，要求N+1 冗余（而非 2N）發(fā)電機、2N 中壓配電和三總線分布式冗余低壓配電。最終結果是低壓配電系統(tǒng)被簡化，而中壓系統(tǒng)變得更加復雜。 主中壓開關設備 中壓 低壓 低壓 圖 7超大數(shù)據(jù)中心 Tier III/IV電氣架構示例 當然，雖然還有其他多種系統(tǒng)架構可供使用，但

21、這兩個架構在一定程度上顯示了 情 況一個系統(tǒng)是帶有最簡中壓配電和復雜的低壓系統(tǒng)，另一個系統(tǒng)是具有更復雜的中 壓配電和簡化的低壓系統(tǒng)。中壓網(wǎng)越復雜、越廣泛，需要的斷路器和開關設備就會越多， 因此使用占地面積更小的設備就能具有更大的優(yōu)勢。圖 8a 和 8b 的圖表顯示了用于600A 和 1200A 饋線的金屬鎧裝開關設備和 SSIS 開關設備所需的占地總面積（不包括規(guī)程需要的工作空間）。請注意，金屬鎧裝設備尺寸假定采用雙層配置安裝斷路器， SSIS 設備則安裝一個斷路器。大型數(shù)據(jù)中心可能要求數(shù)十個中壓饋線，因此所需地面 空間的節(jié)省相當可觀。 第 253 號白皮書 版本 09施耐德電氣 數(shù)據(jù)中心科研

22、中心 不同數(shù)量的 600A 斷路器的占地面積 （平方英尺） 1000900800700600 500 40030020010000510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80斷路器數(shù)量 鎧裝SSIS占地面積（平方英尺）圖 8a金屬鎧裝開關設備和 SSIS 開關設備所需地面空間比較 METAL CLAD600A 斷路器 不同數(shù)量的 1200A 斷路器的占地面積（平方英尺） 100090080070060050040030020010000510 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80斷路器數(shù)量 鎧裝SSIS

23、占地面積（平方英尺）圖 8b金屬鎧裝開關設備和 SSIS 開關設備所需地面空間比較 1200A 斷路器 METAL CLAD設計實踐與短路額定值如上所述，設施負載增加和所需冗余的組合設計，可能導致需要的中壓開關設備總數(shù)量 顯著增多。然而，設施的總體規(guī)模并不是唯一的考慮因素通常需要將設施負載分割 成更小顆粒度以提高可靠性（例如，假設所有 100MW 設施負載可以流經(jīng)單一的開關設備，它會不會成為“單一故障點”？）或出于可擴展性的目的，隨著時間的推移，設施 的安裝總負載逐漸增加。設施負載的分配方式也會影響所要使用的開關設備所需額定值。 這兩個額定值持續(xù)電流額定值和短路電流額定值，具有相關性。中壓配電

24、開關設備通常所具有的母線持續(xù)額定電流值為 1200A-3000A。在 13.8kV 等級下，其對應容量約為 30-70MVA，因此，設備的連續(xù)額定值一般不會是影響容量的受限因素。但短路額定值卻并非是一回事。若系統(tǒng)存在“故障”或短路，那么電源配電系統(tǒng)的容量越大，則該電流就越大。斷路器必須能夠用來切斷可用故障電流，否則，故障可能會持續(xù)很長一段時間，并可能造成很大的破壞。由于斷路器不能始終立即響應以中斷故障（例如，倘若保護繼電器設定一定延時，使其配合系統(tǒng)中遠在下游的設備），所以開關設備的額定規(guī)格也必須能夠承受既定時間段的故障電流，從而最大限度減輕設備在故障期間所承受的損壞程度。 大型數(shù)據(jù)中心限制中壓

25、短路電流的益處)ps m A(nte rur Ctula Fe bl ali a v A可用故障電流（安培）圖 9 所示為基于典型變壓器 10%阻抗的 13.8kV 配電系統(tǒng)的最大可用故障電流與變壓器容量之間的關系 12。這些級別將根據(jù)所使用的實際配電電壓等級（常見的配電電壓等級為 12.47kV、13.2kV、13.8kV）以及變壓器阻抗變化而變化。其也取決于系統(tǒng)運行情況并聯(lián)運行的兩個相同變壓器會使可用的故障電流增加一倍，而市電電源和備用發(fā)電之間的閉路轉換操作也意味著這兩種電源貢獻的短路電流的疊加。 圖 913.8kV 配電系統(tǒng)可用故障電流與變壓器容量之間的關系 Transformer Ca

26、pacity (MVA)3500030000250002000015000100005000001020304050607080變壓器容量（MVA）對于最大系統(tǒng)和閉路轉換運行，故障電流等級可以接近標準金屬鎧裝開關設備的最大 63kA 分斷額定值。正如前面所討論的，緊湊型開關設備的一個受限因素是可用的最大額定值，例如 15kV 1200A 連續(xù)電流和 25kA 短路電流。根據(jù)圖 9，對于大約相當于 1200A 電流限值的 30MVA 額定值，故障電流大約是 SSIS 開關設備 25kA 限值的一半。 當在大容量系統(tǒng)中使用 SSIS 開關設備（例如，二級中壓配電開關），需要進行更多詳細的分析，確保

27、設備滿足額定值應用要求圖 8 中的數(shù)據(jù)是基于“無窮大容量母線” 假設，通過假設電網(wǎng)市電的系統(tǒng)擁有無窮大容量來簡化計算。實際值應比假設值略小。 如圖 8 所示，預計 25kA 適用于較大范圍的單源系統(tǒng)。若多個電源在一段時間內并行運行，顯然必須考慮短路計算。但關于“閉路轉換”運行，兩個電源可能只是短時間并聯(lián)運行例如，在短暫斷電后從備用發(fā)電機電源切回市電供電。一些業(yè)內 認為，此 類系統(tǒng)可被視為電源獨立，特別是如果兩個電源僅在規(guī)定的短時間內并聯(lián)的話，例如100 毫秒。不過，100 毫秒的“時間限制”的出處尚不清楚，且在 IEEE C37.01013標準中并未專門談到“閉路轉換”運行的問題，雖然該標準定

28、義了如何設定中壓和高壓斷路器的短路電流額定值。保守的方法是使用帶有聯(lián)鎖系統(tǒng)的斷電切換系統(tǒng)，以確保電源不并列運行，依靠 UPS 系統(tǒng)來確保關鍵負載在切換時間內的正常供電。當然，也可以根據(jù)兩種或兩種以上并聯(lián)運行的電源確定設備額定值，即使并聯(lián)只發(fā)生了很短的時間。這可能需要其他限制系統(tǒng)故障電流的考量，例如使用高阻抗變壓器。雖然這可能需要其他的考慮因素，例如特殊變壓器設計，以幫助限制變壓器損耗并使用有載分接開關來幫助改善設備的電壓調節(jié)，任何與此相關的額外費用都應當通過使用尺寸更緊湊的中壓開關設備所節(jié)省的費用來加以抵消。 12 IEEE C57.12.00 標準，油浸式配電、電力和調壓變壓器的 IEEE 標準一般要求，電氣與電子工程師學會， 13 IEEE C37.010-1999 標準，IEEE 基于平衡電流的額定交流高壓斷路器應用指南，電氣與電子工程師學會 ， 第 253 號白皮書 版本 011施耐德電氣 數(shù)據(jù)中心科研中心高壓輸電網(wǎng)供電的影響大型數(shù)據(jù)中心不斷增加的規(guī)模不僅導致設施內部發(fā)生變化，而且還影響設施連接公用電 網(wǎng)的方式。從過去的情況來看，中小型數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)做法都是連接中壓電網(wǎng)（15-35kV） 的配電線路，但是，當數(shù)據(jù)中心的規(guī)模達到數(shù)兆瓦以上，那么這種配置變得不太實用。 這種規(guī)模的設施（無論數(shù)據(jù)中心、工業(yè)廠