金融企業(yè)數(shù)據(jù)中心剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)的分析

俞　杰

(上?；垓v信息科技有限公司, 上海　200331)

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金融企業(yè)數(shù)據(jù)中心剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)的分析

俞杰

(上海慧騰信息科技有限公司, 上海200331)

摘要：結(jié)合某金融企業(yè)數(shù)據(jù)中心實(shí)例,詳細(xì)地分析了引起火災(zāi)的剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)的5種因素,并提出了針對(duì)性的整改方案。整改方案有效降低了線路中的剩余電流,在自然負(fù)載情況下剩余電流小于300 mA,符合國(guó)家規(guī)范的要求,保障了機(jī)房設(shè)備安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心; 火災(zāi); 剩余電流; 檢測(cè)儀表; 讀數(shù)超標(biāo); MgO電纜

0引言

隨著網(wǎng)絡(luò)科技的不斷發(fā)展,人們對(duì)各類信息數(shù)據(jù)的需求量、信息速率要求不斷提高,使得各個(gè)行業(yè)(如銀行、證券、運(yùn)營(yíng)商等)加快了自身數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。本文針對(duì)某金融企業(yè)數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)在后期調(diào)試中發(fā)現(xiàn)的火災(zāi)剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)問題進(jìn)行了分析,詳細(xì)闡述了解決的方案。

1項(xiàng)目概況

某金融企業(yè)建設(shè)自用A級(jí)數(shù)據(jù)中心,機(jī)房建筑面積約為8 000 m2,其中核心機(jī)房面積約為5 000 m2,每平方米單位用電量約為1.3 kWh。

機(jī)房不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)設(shè)備系統(tǒng)總共設(shè)置4組USB設(shè)備(1A與1B,2A與2B互為備份),每組由3臺(tái)容量為600 kVA機(jī)組并機(jī)輸出,每?jī)山M并機(jī)系統(tǒng)互為備用。每組UPS輸入前端采用雙回路母線(4 000 A)進(jìn)線至自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Automatic Transfer Switch,ATS)柜,再進(jìn)入3臺(tái)UPS電源輸入柜,3臺(tái)UPS經(jīng)過同步后并機(jī)輸出至負(fù)載。

數(shù)據(jù)中心機(jī)房分為地下2層,地上4層,-1F、2F分別為UPS配電室和電池室。1F設(shè)置設(shè)備拆卸間、電信接入間、網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)房等,2F設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)房、核心機(jī)房、精密空調(diào)機(jī)房等,3F設(shè)置介質(zhì)庫(kù)、核心機(jī)房、總控中心、精密空調(diào)機(jī)房等,4F設(shè)置屏蔽機(jī)房、核心機(jī)房、精密空調(diào)機(jī)房等。UPS輸出電纜通過1F～4F的垂直電纜溝至各機(jī)房智能配電柜。

按照J(rèn)GJ 284—2012《金融建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]條文說明:“在某些次要區(qū)域著火時(shí),重要金融設(shè)施主機(jī)房可能有必要維持一段時(shí)間的工作”,故此類區(qū)域采用AI級(jí)耐火電纜。本文選用氧化鎂(MgO)電纜,其具有完全防火、過載能力強(qiáng)、防腐、防爆性能好、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2火災(zāi)剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)的分析及處理

2.1發(fā)現(xiàn)的問題

整個(gè)配電系統(tǒng)建設(shè)后發(fā)現(xiàn),設(shè)置在ATS切換柜、UPS輸入柜及UPS輸出柜側(cè)的剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)為4 000～8 000 mA,超過有關(guān)國(guó)家規(guī)范規(guī)定的設(shè)備安全剩余電流應(yīng)小于300 mA的規(guī)定,表明供配電系統(tǒng)存在不安全因素。

2.2問題分析及查找

A級(jí)機(jī)房的安全可靠性非常重要。依據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備線路,分析相關(guān)儀表指示數(shù)據(jù),并進(jìn)行數(shù)次試驗(yàn)。同時(shí)組織多次專家論證,分析產(chǎn)生剩余電流的原因,編制解決方案并逐一驗(yàn)證整改結(jié)果。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),火災(zāi)剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超標(biāo)由以下5種因素引起。

2.2.1IT電源系統(tǒng)UPS設(shè)備接地不良

UPS系統(tǒng)如圖1所示,3臺(tái)600 kVA UPS設(shè)備并機(jī)運(yùn)行,總線上裝有漏電檢測(cè)儀表。

圖1　UPS系統(tǒng)

在機(jī)房自然負(fù)載情況下,采用在線工作方式、靜態(tài)旁路工作方式和外旁路工作方式分別對(duì)1#UPS系統(tǒng)B總線進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)輸出回路負(fù)載分別送電和切斷有關(guān)電纜線路,檢測(cè)剩余電流產(chǎn)生的原因。

原UPS設(shè)備的PE接地是依靠電源MgO電纜銅表皮實(shí)現(xiàn)的,由于沒有采用專用接地電纜,線路中剩余電流值增大。

整改方案:取消電源MgO電纜銅表皮作為UPS設(shè)備專用接地線,改為240 mm2專用接地電纜,實(shí)現(xiàn)UPS設(shè)備接地,有效降低了剩余電流。

機(jī)房接地電流很復(fù)雜,通常采用塑料電纜輸送電力,其UPS的接地必須采用專用電纜接地。如利用電源MgO電纜的銅表皮給UPS接地,節(jié)省了專用接地電纜,但增大了線路剩余電流。

2.2.2OEC系統(tǒng)UPS設(shè)備并機(jī)產(chǎn)生的問題

原OEC UPS系統(tǒng)的2臺(tái)UPS分別由兩路市電供電,其輸出總線并機(jī)運(yùn)行,造成兩臺(tái)電力變壓器的N線在UPS輸出母線上并網(wǎng)運(yùn)行,造成電路剩余電流,給系統(tǒng)帶來不安全因素。原OEC UPS系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　原OEC UPS系統(tǒng)

整改方案:在OEC UPS電源端增加一臺(tái)ATS切換柜,把原獨(dú)立雙市電電源輸入、UPS輸出并機(jī)系統(tǒng)變更為ATS雙市電電源切換輸入、UPS輸出并機(jī)系統(tǒng),消除兩路市電電源的N線通過OEC UPS系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)而形成系統(tǒng)環(huán)流的不良影響,有效降低系統(tǒng)的剩余電流。整改OEC UPS系統(tǒng)如圖3所示。

2.2.3濾波器回路產(chǎn)生剩余電流

數(shù)據(jù)中心4F設(shè)置屏蔽機(jī)房,進(jìn)入屏蔽機(jī)房所有電纜均設(shè)置濾波器。由于濾波器LC電路的特性,會(huì)增加供配電電路的剩余電流,這種剩余電流屬于正常剩余電流,但往往高于規(guī)范規(guī)定的安全值范圍。對(duì)于濾波器回路產(chǎn)生的自然剩余電流值較大的情況,根據(jù)JGJ 16—2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第13.12.6條規(guī)定:“需采用門檻電平可調(diào)的剩余電流動(dòng)作報(bào)警器或分段報(bào)警方式抵消自然泄漏電流的影響”,實(shí)際應(yīng)用中將門檻電平提高至濾波器產(chǎn)生的剩余電流(約1.2 A)。

2.2.4MgO電纜接頭故障

每根MgO電纜的出廠長(zhǎng)度不超過90 m,造成施工中電纜的中間接頭多,中間接頭處容易出現(xiàn)故障。

檢查發(fā)現(xiàn),UPS輸出到智能配電柜回路中一根N相線的中間接頭絕緣未處理妥當(dāng),產(chǎn)生了剩余電流。經(jīng)過檢修處理,消除了產(chǎn)生的剩余電流。

圖3　整改OEC UPS系統(tǒng)

以上4項(xiàng)問題整改后,系統(tǒng)在機(jī)房自然負(fù)載(不大于200 kW)下剩余電流指示小于300 mA,符合國(guó)家有關(guān)規(guī)范要求。

2.2.5MgO電纜表皮接地問題

(1) 假負(fù)載提升測(cè)試。上述4項(xiàng)完成了供配電系統(tǒng)低負(fù)載測(cè)試,并解決了在低負(fù)載情況下存在的剩余電流問題,而數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)必須滿足從低負(fù)載到全負(fù)載范圍的安全、可靠運(yùn)行。負(fù)載逐步增加到額定最大值的情況必須通過試驗(yàn)得到,以驗(yàn)證系統(tǒng)的安全性、可靠性。由此,引出大容量假負(fù)載測(cè)試。

假負(fù)載測(cè)試就是在UPS輸出母線上接入人工負(fù)載,這種負(fù)載通常是純阻性的,負(fù)載功率可逐擋調(diào)整,滿足對(duì)系統(tǒng)的試驗(yàn)和安全性、可靠性的評(píng)估。

對(duì)1#UPS系統(tǒng)B總線進(jìn)行了假負(fù)載檢測(cè)試驗(yàn),以檢查系統(tǒng)在不同負(fù)載直至滿載工作情況下的剩余電流。

采用4臺(tái)假負(fù)載(三相五線制的純電阻負(fù)載),每臺(tái)最大功率為400 kW,總功率為1 600 kW,試驗(yàn)負(fù)載分別為0、200、400、500、700、1 000、1 200、1 400 kW,逐步遞增。

試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)輸入的剩余電流隨著負(fù)載的增大而增大,在200 kW以下時(shí)變化很小;負(fù)載上升至500～700 kW時(shí),系統(tǒng)輸入的剩余電流產(chǎn)生較大增值,并超過300 mA;隨著負(fù)載繼續(xù)增加,系統(tǒng)輸入的剩余電流產(chǎn)生更大的增值,超出儀表8 000 mA的量程。

試驗(yàn)結(jié)果表明,MgO電纜的表皮接地線電流是電纜空間電磁場(chǎng)感應(yīng)引起的,是MgO電纜本身具有的物理特性。

① 表皮電磁感應(yīng)電壓很低,最大不超過0.4 V。

② 表皮接地線電流隨著負(fù)載電流增大而增加。

③ 表皮接地電流為矢量值,合成后電流最小。

④ 表皮接地線電流具有發(fā)熱效應(yīng),但電能耗散功率很小。

⑤ 表皮間隔0.8 m以上重復(fù)接地對(duì)原接地點(diǎn)表皮接地線電流不產(chǎn)生影響,即不會(huì)減小原端點(diǎn)表皮接地電流。

(2) 表皮的可靠接地保護(hù)。UPS電源MgO電纜表皮電流檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1UPS電源MgO電纜表皮電流檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

假負(fù)載總功率/kWUPS編號(hào)電源狀態(tài)MgO電纜表皮PE線電流/AA-PEB-PEC-PE N-PE 平均電流最高溫度/℃PE線纜主體電纜1200UPS1正常供電65.449.677.664.164.238.430.1UPS2正常供電60.934.380.165.860.338.430.1UPS3正常供電55.651.889.489.271.538.430.11400UPS1正常供電68.654.287.877.371.940.133.2UPS2正常供電67.242.485.472.866.940.133.2UPS3正常供電65.857.7101.0100.081.140.133.2

為減小接地環(huán)流,MgO電纜采用單端放射式接地。根據(jù)GB/T 50065—2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)范》[3],接地線的截面為35 mm2,長(zhǎng)度為6 m,電纜表皮在UPS輸出并機(jī)柜端接地。

① 驗(yàn)證MgO電纜表皮接地線的截面和長(zhǎng)度。MgO電纜表皮接地線布線方式:正規(guī)布線,每路電源每根電纜配置一根表皮接地線,A相用黃色線,B相用綠色線,C相用紅色線,N相用藍(lán)色線,每路電纜配8根電纜表皮接地線(黃、綠、紅、藍(lán)各2根),上下各4根矩形截面編織,沿著配電柜殼體理線敷設(shè)。

表1中,假負(fù)載總功率為1 400 kW(系統(tǒng)運(yùn)行的最高額定負(fù)載)時(shí),電纜表皮接地電流最大值為101 A,電纜表皮接地線平均電流為66.9～81.1 A;表皮接地線的最高溫度為40.1 ℃,主體電纜最高溫度為33.2 ℃。

根據(jù)文獻(xiàn)[4],ZR-BV 35mm2阻燃銅芯電線在環(huán)境溫度25 ℃條件下,允許連續(xù)載流量為192 A,允許長(zhǎng)期工作溫度為70 ℃;在環(huán)境溫度40 ℃條件下,允許連續(xù)載流量為157 A,允許長(zhǎng)期工作溫度為70 ℃,而在假負(fù)載功率1 400 kW時(shí)表皮接地線電流最大值為101 A,只占其允許連續(xù)載流量的52%,電流遠(yuǎn)低于157 A,而溫度約為40.1 ℃?？梢?ZR-BV 35mm2阻燃銅芯電線在該條件下運(yùn)行安全、可靠。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)雙UPS電源系統(tǒng)熱備份運(yùn)行,其MgO電纜的表皮接地電流減小50%,只占其允許連續(xù)載流量的26%,即在負(fù)載1 400 kW時(shí)表皮接地線最大電流約為50.2 A。因此,采用ZR-BV 35mm2阻燃銅芯電線作為MgO電纜表皮接地線。多次對(duì)比測(cè)試結(jié)果表明,6 m長(zhǎng)接地線可有效將接地電流控制在安全性范圍內(nèi),同時(shí)具有可操作性[5]。

② 驗(yàn)證機(jī)房等電位接地系統(tǒng)中MgO電纜表皮接地后感生電壓的安全性。當(dāng)假負(fù)載功率為1 400 kW時(shí),表皮接地線的最大表皮對(duì)地電壓為0.579×6×101/[1+0.004 3×(60-37.5)]=0.32 V。其中,銅導(dǎo)線在60 ℃時(shí)的電阻取0.579 mΩ/m,銅導(dǎo)體電阻的溫度補(bǔ)償系數(shù)取0.004 3。

表皮接地線的平均表皮對(duì)地電壓為(0.579×6×81.5/[1+0.004 3×(60-37.5)]=0.26 V。

根據(jù)GB 50054—2011《低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)范》[6],局部等電位聯(lián)結(jié)或輔助等電位聯(lián)結(jié)的有效性校驗(yàn):

RIa≤Ua

式中:Ua——人身電擊安全電壓限值,50 V;

R——接地線電阻;

Ia——接地電流。

根據(jù)以上計(jì)算可知,當(dāng)假負(fù)載功率為1 400 kW時(shí),表皮接地線的最大表皮對(duì)地電壓為Ua=0.32 V,遠(yuǎn)小于50 V。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)雙UPS電源系統(tǒng)熱備份運(yùn)行,MgO電纜的表皮接地電流減小50%,表皮接地線的表皮對(duì)地電壓減小50%,表皮接地線的最大表皮對(duì)地電壓僅為Ua=0.32/2=0.16 V,可見MgO電纜的表皮感應(yīng)電壓在安全電壓范圍內(nèi)。

3結(jié)語(yǔ)

分析了火災(zāi)剩余電流檢測(cè)儀表讀數(shù)超規(guī)范的原因,并提出了解決方案,消除了剩余電流,保障了機(jī)房設(shè)備及人身安全。另外,對(duì)MgO電纜在數(shù)據(jù)中心或大電流負(fù)載狀況下的特性進(jìn)行介紹,可為相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)中心提供參考。

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[6]低壓配電設(shè)計(jì)規(guī)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

中圖分類號(hào)：TU 852

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-8417(2016)04-0018-06