试论不同架构数据中心预制化交流电力模块的利与弊_江峰.pdf

智能建筑电气技术Electrical Technology of Intelligent Buildings2022 年 12 月第 16 卷 第 6 期试论不同架构数据中心预制化交流电力模块的利与弊江 峰,郭利群(中国建筑设计研究院有限公司,北京 100044)摘要 本文通过对产品化极简设计类和电气工程设计类两种预制化电力模块的技术特点进行分析讨论;阐明使用外置断路器或仅依靠 UPS 内部的负荷开关+熔断器作为 UPS 的输入输出保护,哪种方式更有利于系统安全运行。关键词 不同架构;预制化交流电力模块;利弊;负荷开关+熔断器中图分类号:TU852文献标识码:A文章编号:1729-1275(2022)06-0096-05Advantages and Disadvantages of Prefabricated AC PowerModules in Data Centers with Different ArchitecturesJiang Feng,Guo Liqun(China Architectural Design and Research Group Co.,Ltd,Beijing 100044,China)Abstract:This paper analyzes and discusses the technical characteristics of the two types of powermodules through the minimalist design idea of taking power modules as products and the electricalengineering design idea of taking power modules as projects;It is clarified whether the external circuitbreaker is used as the input and output protection of the UPS or only the load switch+fuse inside theUPS,which is more conducive to the safe operation of the system.Keywords:different architectures;prefabricated AC power module;advantages and disadvantages;loadswitch+fuse作者简介:江峰,本科,高级工程师,Email:jiangf 。0引言 自 2018 年底数据中心预制化直流电力模块(巴拿马电源)推出以后,其一体化整合供配电全链路资源的思路引发关注,随后不到一年时间,数据中心预制化交流电力模块也在市场上崭露头角,短短几年就有若干知名厂商加入赛道,发布了自己的产品。这些厂商有来自互联网领域的巨擘,也有传统配电领域的常青树,各自对预制化交流电力模块理解不同,所发布的产品也有一定的差别。1数据中心预制化交流电力模块主要架构 数据中心预制化交流电力模块主要架构的区别体现在设计思路,分为视电力模块为产品的极简类和视电力模块为电气工程类。1.1 极简设计类数据中心预制化电力模块 极简设计思路的电力模块(图 1),UPS 主路与旁路合用一个输入端,直连电力模块柜顶水平母线。因采用模块机形式,主路各功率模块内部和集中静态旁路的输入输出端都设有熔断器保护,UPS整体利用隔离开关作为输入输出的隔离电器。图 1 极简设计电力模块单线图1.2 电气工程设计类数据中心预制化电力模块 电气工程设计思路的电力模块(图 2),UPS 主路与旁路合用一个输入端,UPS 整体利用外置断路69DOI:10.13857/11-5589/tu.2022.06.021第 16 卷 第 6 期江 峰,等.试论不同架构数据中心预制化交流电力模块的利与弊器作为输入输出的隔离电器。图 2 电气工程设计电力模块单线图1.3 数据中心预制化电力模块是一种紧凑型工程 通过与各家厂商的技术交流以及一段时间的工程实践得知:电力模块内部的变压器、低压柜、UPS 均可以选择不同厂商的产品,电力模块的系统架构以及低压柜内的分隔形式、垂直母线等也可以根据工程需要调整。因此,笔者团队认为预制化电力模块虽然是作为一种产品向市场推出,但其本质更应该是一种紧凑型工程。2数据中心预制化交流电力模块主要技术点及注意事项 电力模块主要技术差异集中体现在 UPS 的输入输出保护是使用外置断路器,还是仅依靠 UPS 内部的负荷开关+熔断器。2.1 占地空间变化(配电柜数量)与传统的方案对比,电力模块将原本部署于不同位置的变配电设备(如变压器、低压柜、UPS 输入输出保护、UPS、馈出柜等)紧邻部署,占地面积能减少 20%以上。其中极简设计思路的电力模块由于省略了 UPS 输入输出保护断路器,更加节省配电柜数量,占地面积进一步减少,这对于一些强调出房率、节约成本的客户来讲是喜闻乐见的。2.2 对 UPS 进线保护开关分断或耐受性能要求的改变 电力模块作为整体解决方案,其 UPS 及相应配电保护设备的安装位置前移到紧邻变压器低压侧,与远离变压器的传统部署方案明显不同。在数据中心行业初期,UPS 的容量较小,部署位置也远离变电站或变压器,需通过电缆为 UPS 及配套设备进行供电。经过电缆的限流后,在 UPS 上口的短路电流会明显变小;而当电力模块式的 UPS安装在变压器低压侧时,此种限流作用便不复存在。用一个案例(图 3)来说明短路电流的变化。案例中设置了 2 个短路点,短路点 1 位于变压器低压侧,即电力模块场景;短路点 2 位于经过 50m 电缆后的 UPS 上端口,可以理解为传统配置下的场景:出线回路电缆为截面积 185mm2的单芯电缆,每相 3根。变压器额定容量为 2 500kVA,短路阻抗为 6%,连接组别为 Dyn11。变压器 10kV 侧系统内短路电流,分别按照主流断路器额定分断电流(25kA 及31.5kA)进行假设,假设 10kV 系统内感抗与电阻比值(X/R)为 10。短路电流计算见表 1。图 3 ETAP 模拟案例ETAP 模拟的不同位置短路电流计算表 1电源侧短路容量433MVA(25kA)545MVA(31.5kA)短路点 1:变压器低压侧I”k=Ik=56.1kAIth=56.7kA/1s=57.3kA/0.5sI”k=Ik=57.3kAIth=57.9kA/1s=58.5kA/0.5sip=129.1kAip=131.6kA短路点 2:50m 电缆末端I”k=Ik=37.8kA;Ith=37.9kA/1s=38.1kA/0.5sI”k=Ik=38.3kAIth=38.5kA/1s=38.6kA/0.5sip=69.7kAip=70.4kA说明:(1)由于案例中未计入电动机负荷,因此表中对称短路电流初始值 I”k与稳态短路电流值 Ik相同。(2)Ith的计算方法:在仿真软件中电缆末端设置断路器,从而获得故障时流经断路器的热等效短路电流。通过 ETAP 的模拟计算(结算标准采用 IEC-60909),可以清晰看出当安装位置越靠近变压器时,流经配电设备(如断路器、熔断器、负荷开关、电79智能建筑电气技术2022 年缆、母线等)的短路电流就越大,对 UPS 主回路及静态旁路中保护分断设备的分断或耐受性能要求就越严苛。2.3 断路器 VS 负荷开关+熔断器的保护能力 断路器进线方案、负荷开关+熔断器方案分别如图 45 所示。图 4 断路器进线方案图 5 负荷开关+熔断器方案假设一个回路中已经出现了短路,当电源接通后,则出现短路电流。此时分断设备需要承受短路电流的峰值,满足动稳定耐受要求,以确保保护分断设备不会因为短路电流的电动力而损坏。这个值以短路电流的峰值来定义,即:短路接通容量。对于保护分断设备来说就是额定闭合电流或闭合容量(Icm)。当发生短路故障时,不但要求保护分断设备不会因为电动力而遭受破坏,还需要按照设计要求安全的分断短路电流。因此需要根据计算出的最大短路电流有效值去选择具有适当耐受能力(如 Icm,Ith)和分断能力(如 Ics,Icu)的保护设备。短路电流计算结果决定了保护分断设备选型的结果。如果保护分断设备的分断能力或耐受能力小于流经自身的最大短路电流时,就是一个非常严重的隐患,也违背了设计要求,必须引起重视。目前在电力模块的解决方案中,UPS 及其配套设备就在变压器低压侧,并通过铜排进行连接。在工程应用上,仅有几米长的铜排对短路电流的限流作用可视为零,那么在电力模块解决方案中,无论采用负荷开关+熔断器配置方案或断路器配置方案,实现对 UPS 主回路或静态旁路的保护,保护分断设备参数都需要按照前面案例的短路点 1 的最大三相短路电流计算结果进行选择。(1)熔断器熔断器在只考虑分断能力的情况下,只要求熔断器的短路分断能力大于预期短路电流(包括有效值及峰值)。因此对于靠近变压器低压侧安装的熔断器,要求其短路分断电流有效值大于 57.3kA,峰值大于 131.6kA。通常熔断器的分断能力较大,能够实现对以上分断能力或耐受能力的参数要求。(2)负荷开关由于负荷开关不具备分断短路电流的能力,因此没有 Ics和 Icu值,但是有 Icw和 Icm参数要求。Icw(短时耐受电流):设计人员需要考虑上游断路器最大的切除时间来校验下游负荷开关的 Icw值,参考 如 上 的 短 路 计 算 结 果,要 求 Icw参 数 大 于58.5kA/0.5s。Icm(额定闭合电流):由于负荷开关靠近变压器低压侧,预期的短路电流峰值为 131.6kA。目前市场上多数的负荷开关单独使用时,无法满足耐受如此高峰值电流的要求,所以需要在上游安装额外的熔断器或断路器以便实现限流。一些宣传拥有专利的小尺寸负荷开关,虽然能够满足1 250A 的载流量,但是否能够承担 131.6kA 的短路电流峰值尚有待商榷。其次,如果负荷开关作为UPS 主回路或静态旁路中的隔离设备安装在低压主进框架断路器下口时,由于市面上广泛使用的框89第 16 卷 第 6 期江 峰,等.试论不同架构数据中心预制化交流电力模块的利与弊架断路器主流型号没有限流功能,故无法对负荷开关实现限流保护。最后,在极端情况下,当故障点在负荷开关下口时闭合负荷开关,一旦负荷开关参数不满足闭合短路电流(峰值电流)要求,将会造成设备烧毁甚至人员伤亡的事故。(3)断路器断路器可供选择的参数丰富,更易满足要求。对于框架式断路器,就可以选择 Icu或 Ics参数高于57.3kA、Icm参数高于 131.6kA、Icw参数高于 57.9kA/1s的断路器。2.4 可在线维护能力(是否能做到维护时的电气隔离,以及持续供电是否受影响)(1)负荷开关的更换复杂,断电故障面积增大,需要更长的维护时间。如果 UPS 进线的负荷开关出现故障需要更换,需要断掉低压总进线,拆除与上下游连接铜排的螺丝,相比传统抽出式 ACB 本体可以摇进摇出的更换方案,显然复杂度更大,故障平均修复时间 MTTR 变长。(2)熔断器特别是快速熔断器,虽然在短路状况下保护了静态旁路,但实际上牺牲了配电的选择性,且更换复杂,需要更长的维护时间。目前部分 UPS 厂家为了宣传其产品的抗短路能力,在整流逆变以及静态旁路的上游都安装了熔断器,宣称 UPS 的 Icc可以达到 100kA,满足低压柜50kA/65kA 的短路环境。从配电保护的角度来看并不合理,因为 UPS 下游一旦出现短路,UPS 会切换到旁路,旁路的功率元器件 SCR 需要有足够的短时耐受能力,以便下游的断路器有足够的时间将故障切除。但是有些厂家为了在参数上好看,在旁路上游增加了快熔。图 67 即某厂家安装在 UPS 进线静态旁路侧的 Bussmann 熔断器的脱扣曲线,熔断器规格为 1 800A。如果是 50kA 的短路电流,预计脱扣时间在 0.000 4s,考虑到下游列头柜一