楊蕾蕾／江 峰／王 超（中國建筑設計研究院有限公司，北京100044）

數(shù)據(jù)中心20kV供配電系統(tǒng)及柴油發(fā)電機組的設計

楊蕾蕾／江 峰／王 超（中國建筑設計研究院有限公司，北京100044）

0 引言

目前，我國正處于城鎮(zhèn)化加速發(fā)展時期，為解決城市發(fā)展難題，建設智慧城市已成為當今世界城市發(fā)展的潮流。而智慧城市建設必然以信息技術應用為主線，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)和大數(shù)據(jù)等新興熱點技術為核心和代表。這就對數(shù)據(jù)中心的建設提出了更高的要求。結(jié)合我國電網(wǎng)發(fā)展和負荷密度增大的現(xiàn)狀，越來越多的數(shù)據(jù)中心開始采用提高電網(wǎng)電壓的方式供電，以增加中壓電網(wǎng)的供電能力、供電距離等為主要手段，20kV系統(tǒng)被逐漸采用。但是市場上很多用電設備還停留在10kV／0.4kV的電壓等級上，對于數(shù)據(jù)中心20kV配電系統(tǒng)帶來的一系列問題，采用哪一種配電形式更合理、更經(jīng)濟，也要根據(jù)不同項目的實際情況進行設計。

1 數(shù)據(jù)中心20kV供配電系統(tǒng)及柴油發(fā)電機組的設計方案

現(xiàn)以某數(shù)據(jù)機房項目為例，介紹20kV供配電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機組的幾種配電設計形式。

該數(shù)據(jù)中心機房總建筑面積約2萬m2，地下2層、地上4層；柴油發(fā)電機樓位于機房樓西側(cè)，與機房樓貼臨，地下1層、地上3層；機房東側(cè)緊鄰檔案中心，地下1層、地上3層。根據(jù)GB 50174?2008《電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范》可知，該機房等級為A級機房標準，總用電負荷約為18 000kW。結(jié)合當?shù)厥姓娋W(wǎng)情況，從市政電網(wǎng)引來兩路20kV供電電源線路，系統(tǒng)中含有10kV水冷冷水機組4臺，后備電源采用10kV柴油發(fā)電機組12臺，市電斷電時，柴油發(fā)電機組保障整個機房樓的用電負荷。

1.1 方案一

20kV市電電源通過20／10kV變壓器降壓后，配出10kV母線段，再經(jīng)過10／0.4kV變壓器，為低壓設備供電，10kV中壓設備則由10kV母線段直接供電，如中壓冷機（此類設備在很多大中型數(shù)據(jù)中心應用較多）。建議采用10kV柴油發(fā)電機并機系統(tǒng)，柴油發(fā)電機組電源與市電電源在10kV母線段上進行切換。此種配電方案如圖1所示。

此方案的特點是：柴油發(fā)電機組和中壓設備均無需另行配置輔助變壓器，需要為20／10kV變壓器及配套中壓柜、電容器等設備提供單獨的變配電房間，變配電用房較多。

圖1 配電方案一示意圖

1.2 方案二

將20kV市電電源通過20／0.4kV變壓器降壓后，配出低壓母線段，為低壓設備供電；對于存在10kV中壓設備的工程，需為每臺中壓設備配置一臺20／10kV降壓變壓器，方可由20kV母線段供電；采用0.4kV柴油發(fā)電機組，每臺柴油發(fā)電機配置一套0.4／20kV升壓變壓器等配電設備，將柴油機組輸出電壓提升到20kV，與市電在20kV母線段上進行切換。此種配電方案如圖2所示。

圖2 配電方案二示意圖

此方案的特點是：20kV市電只經(jīng)過一次降壓即可為低壓設備供電，但是對10kV中壓設備和0.4kV柴油發(fā)電機組來說，均需單獨為其配置相應的升壓變壓器，這樣就需要在中壓設備和柴油機附近增加相應的升壓變壓器等設備用房。

以上兩種方案的配電方式在大、中型數(shù)據(jù)中心機房項目中采用較多。

1.3 方案三

將20kV市電電源通過20／0.4kV變壓器降壓后，配出低壓母線段，為低壓設備供電；采用低壓柴油發(fā)電機組（大、中型數(shù)據(jù)中心采用較少）與市電在低壓母線段上進行切換。此配電方案如圖3所示。

圖3 配電方案三示意圖

此方案的特點是：適用于無10kV中壓設備的變配電系統(tǒng)，20kV市電經(jīng)過一次降壓為低壓設備供電，但若需要油機保障的負荷量較大時，仍建議采用中壓油機。因目前國內(nèi)的0.4kV低壓配電柜沒有6 300A以上的相關實驗報告，當負荷容量較大時，所需低壓油機并機臺數(shù)受限。所以此時更宜采用中壓油機。

此方案更適用于小型數(shù)據(jù)機房的20kV配電方式。

2 經(jīng)濟技術比較

本數(shù)據(jù)機房項目屬于大型數(shù)據(jù)中心，故方案三不適用于本項目，下面結(jié)合該數(shù)據(jù)中心項目的實際情況，主要針對方案一和方案二做一下設備成本的比對，如表1所示。

由表1可以看出：

1）中壓柜不同，方案一采用的主要是10kV中壓柜，而方案二采用20kV中壓柜。20kV中壓設備占地面積增大，相應的保護和絕緣等級要求提高，單臺中壓柜的造價提高。

表1 方案一和方案二的成本比對

2）IT及動力設備配電變壓器不同，方案一采用10／0.4kV變壓器，方案二采用20／0.4kV變壓器。與中壓柜的對比情況相同，20／0.4kV變壓器在占地面積和成本上均不占優(yōu)勢。

3）輔助變壓器數(shù)量不同，方案二需要為低壓油機和中壓冷機設備配置大量的0.4／20kV升壓變壓器，增加成本的同時需要增加大量升壓設備，等同為增加了風險點，且需為這些升壓設備配置其所需的土建空間，即除制冷站房外，每個柴油機室內(nèi)均需考慮升壓變壓器的空間位置。

4）方案二還需要考慮每臺柴油機至其配套升壓變壓器的連接母線成本。

綜上所述，方案一的配電方式從成本造價上優(yōu)于方案二。

3 小結(jié)

基于以上分析，并結(jié)合業(yè)主意見，該數(shù)據(jù)中心機房最終選擇按方案一的配電方式進行設計，整體系統(tǒng)架構如圖4所示。

配電系統(tǒng)單線圖如圖5所示。

圖4 配電系統(tǒng)的整體架構

其中，將兩路20kV市電電源分別經(jīng)2臺20／10kV降壓變壓器配出4路10kV配電母線段，2臺降壓變壓器分別設置在機房樓1層的2個降壓站內(nèi)；4路10kV配電母線采用單母線分段運行方式，兩兩為一組，每組的2個母線段中間設聯(lián)絡開關。平時兩路電源分列運行，互為備用；當一路電源故障時，通過手／自動操作，另一路電源可承擔全部二級以上負荷。市電電源主進開關與聯(lián)絡開關之間設電氣聯(lián)鎖，任何情況下只能閉合其中的2個開關。10kV母線以放射式電纜線路向所帶各變壓器、10kV中壓冷機供電。

4段10kV母線段電源分別通過多組10／0.4kV變壓器以放射式和樹干式相結(jié)合的方式為低壓用電設備供電。其中，根據(jù)負荷用途和性質(zhì)的不同，為IT設備配電的10／0.4kV變壓器與為整棟樓動力設備配電的10／0.4kV變壓器需分開設置。

圖5 配電系統(tǒng)單線圖

該機房共有12臺10kV柴油發(fā)電機組，單臺主用功率為2 400kW，采用（11＋1）的冗余方式。當兩路20kV市電均失電時，由10kV柴油發(fā)電機與市電開關在10kV母線段上切換后向4段10kV母線同時供電，柴油機電源開關閉合時市電進線開關斷開；市電恢復時，首先斷開柴油發(fā)電機并機柜出線開關，然后閉合市電進線開關，以防止反送電。

柴油發(fā)電機采用自啟動方式，當檢測到兩路市電均失電后，柴油發(fā)電機組并機啟動，達到帶載條件后向兩個10kV并機母線段提供應急電源；同時發(fā)電機啟動運行時，要求UPS系統(tǒng)關閉充電功能，下游負載的諧波含量要求控制在5%以內(nèi)。每臺柴油發(fā)電機配備獨立的控制系統(tǒng)，并配置冗余的PLC控制裝置。

此項目采用串聯(lián)電抗器的電容器組作為功率因數(shù)集中自動補償裝置，由于存在10kV水冷冷水機組，所以高壓部分的無功功率采用高壓電容器補償方式，設置在20／10kV降壓變壓器的10kV側(cè)，在1層2個降壓站附近分別設置單獨的高壓電容器室；低壓部分的無功功率采用低壓電容器自動補償，設置在10／0.4kV變壓器出線側(cè)。通過自動無功功率控制器根據(jù)負載吸收的無功功率控制電容器的投切，要求補償后的功率因數(shù)＞0.95。

4 結(jié)束語

20kV作為目前一種新的市電供電電源電壓等級，其變配電系統(tǒng)的設計形式是多樣的，而柴油發(fā)電機組作為數(shù)據(jù)中心的重要后備電源，其選擇形式也是多樣的。整個20kV供配電系統(tǒng)和柴油發(fā)電機系統(tǒng)設計的結(jié)構并不拘于某種固定形式，配電系統(tǒng)是采用20kV直降至0.4kV為設備配電還是通過某一個電壓等級再做轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)中心的后備保障電源是采用低壓柴油發(fā)電機組還是采用中壓柴油發(fā)電機組，都可以根據(jù)各個項目的不同特點，結(jié)合當?shù)鼐唧w情況和業(yè)主的意見，由設計師靈活掌握。最終的目的就是在滿足業(yè)主需求的同時，使整個系統(tǒng)更加安全可靠、優(yōu)化節(jié)能。

［1]JGJ 16?2008民用建筑電氣設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2]GB 50052?2009供配電系統(tǒng)設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2010.

［3]GB 50053?2013 20kV及以下變電所設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2013.

［4]GB 50174?2008電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

Design of 20kV Power Supply and Distribution System and Diesel Generator Sets

Yang Leilei／Jiang Feng／Wang Chao

通過分析比較數(shù)據(jù)中心在20kV市政電網(wǎng)電壓下的供配電系統(tǒng)與柴油發(fā)電機組的多種設計方案，表明設計的最終目的是在于滿足業(yè)主需求的同時使系統(tǒng)更加安全、節(jié)能。

數(shù)據(jù)中心 20kV 供配電系統(tǒng) 柴油發(fā)電機組

Through analyzing and comparison a variety of design schemes of power sup?ply system and diesel generator of data center in 20kV municipal grid voltage conditions，which shows that the final purpose of the design is meeting the basic needs of the owners while making the system more secure and energy saving.

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