低压配电系统设计

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上下级断路器选择性保护配合的原则是:当下级断路器出口出现最大短路电流时,由下级断
路器选择性地快速切除短路电流;下级断路器入口出现最小短路电流的工况时,依据IEC 60364-4-43和 IEC 60364-4-41,上级断路器必须在规定的时间内(TN系统为5S 或0.4S)切断故 障回路。需要强调的是在考虑上下级断路器选择性保护配合时,不应该忽视后一个基本保护原则。 IEC 60947-2 和60898 分别定义了电流选择性和时间选择性,区域选择性联锁,也称逻辑选择性, 是时间选择性结合逻辑功能发展的一种技术。
必须小于 160 度,并要求自动切断电源的时间 t < S2K2 /I2。由于电缆热耐受能力是一个定值, 保护电器切断短路电流时刻的能量必须小于电缆的 S2K2,才能有效的保护电缆,如超过的话,电 缆因绝缘材料的瞬间损坏而毁掉。因此,I2t < S2K2 说明了短路电流的大小与导线截面和配电线
路长度关系,短路能量与保护电器的分断时间的关系。图 5 是 PVC 铜导线电缆的热耐受能力及配 电线路保护原理。
B类断路器通常指ACB,也称选择性型断路器。其脱扣特性由过载反延时脱扣、短路短延时 脱扣和短路瞬动脱扣三段曲线组成。该类断路器通常作为变压器总保护开关、母线联络开关、主 干线配电保护开关。为了确保整个配电系统供电的连续性和可靠性,需要短时耐受短路电流,让 下级A类断路器切除短路故障,确保非故障线路连续供电。 3.3 过电流选择性保护技术
数中心低压配电系统中有以变压器作为电源设备的正常供电系统(简称NPS),有以柴油发 电机作为电源设备的冗余供电系统(简称RPS ),还有以UPS作为电源设备的不间断的供电系统(简 称UPS)。必须把3个系统融合为一个完整的TN-S,使数据中心的IT设备和辅助设施电气设备运行 在环境友好的EMC环境中。关键是如何采取措施使一个电源系统的N线电流和接地故障电流局限于 自己的系统中,不跑到其他的电源设备的系统中去。美国行业协会(Uptime Institute)对数据 中心可靠性和不停电要求分为4个等级,其中T4等级最高,采用了容错配电网络结构,年供电率 达到99.999%以上。 不无例外地采取一点接地和合理选用4极开关这两项措施,实现了友好的EMC 环境。图4,是数据中心配电系统的实例。
数据中心配电系统设计的主要任务是确定低压供配电系统方案,处理好接地系统,解决EMC 和抗干扰问题,正确选择保护电器实现选择性保护配合等。本文是依据作者在2010年建筑物电气 装置技术委员会(SAC205wk.baidu.com/ IEC60364/TC64 中国)年会上报告的内容而整理编写的。
2. 低压配电接地系统的确定 数据中心低压配电设计的基本原则是IT设备应在友好的配电系统环境中运行,确保通信设
数据中心的业内的专家很重视有关能源管理和供配电的设计方面的技术问题,有些已成为国 内的热名话题。数据中心配电的任务是向服务器等IT设备输送安全可靠的,不间断电能的同时, 还要向保障IT设备安全可靠的工作的辅助设施(冷却,空调,楼宇自动化,照明等)系统安全可 靠地供电。IT设备的电能消耗与数据中心总的电能消耗之比称PUE(电能使用效率),事实上,目 前国内的水平大于2,说明了数据中心的服务器等IT设备能耗不足数据中心总电能消耗的50%。需 要采取主动能效(节能)方式,降低辅助设施的能耗,以提高数据中心的电能使用效率,使国内 的PUE值由2向1的方向持续不断地向前迈进。
3. 低压配电系统的过电流保护 低压配电系统常选择断路器或熔断器作为配电线路的短路和过载故障保护。断路器和熔断
器是数据中心配电系统最重要的保护电器,通过上下级保护电器的协调配合,使 NPS 系统、RPS 系统以及 UPS 系统安全可靠不间断地输送电能,确保 IT 设备和机房辅助设施高效率运转。
框架式断路器( 以下简称 ACB) 一般用在主变压器低压侧保护、主配电线路保护、母线联 络开关等场合;塑壳断路器(以下简称 MCCB)广泛用于分支配电线路、动力负载线路保护;小 型断路器(以下简称 MCB)广泛用于终端配电线路。
关键词 数据中心,TN-S接地系统、EMC、选择性保护配合、电能管理。
1.概述 数据中心是能源消耗大户,鉴于IT行业特别是数据中心对国民经济发展的重要地位,该行业
在国内外正在迅猛地发展,新一轮的数据中心的重建和更新改造的已经起动。2006年,德国数据 中心的电能消耗在8.67TWh,而到2010年,德国数据中心的电能消耗上升至12.9TWh,电能消耗增 加约50%。2006年统计全世界有3000万台IT服务器柜,消耗大量的电能, IT 行业的全球市场每 年正以以50 -60 % 速度增长,预计到2020年,数据中心能源消耗为全球能源总消耗量的1,5%, 将超过航空业,成为是世界上最大的能源消耗行业。因此,数据中心巨大的电能消耗,引发的CO2 的排放 ,强烈要求建设绿色数据中心呼声已越来越引起公众的关注。
,N线电流不会分流到大地中去。为了使数据中心的EMC环境友好, 配电系统一定要采用TN-S系统。 事实上,对TN-S系统的认识,并非这么简单。
首先,TN-S系统的N线上,因为有电流产生了电压降,造成终端设备处的N线与PE线有电位 差(即所谓的零-地电压),故常在终端采用重复接地的方式,企图消除N线与PE线之间的电位
A类断路器泛指MCB和MCCB,一般为限流型断路器,其脱扣特性曲线由过载反延时脱扣和短 路瞬动脱扣两段曲线组成。配电线路发生短路故障时,短路瞬间的电流包含了瞬态非周期分量, 短路瞬态的冲击系数与短路电流的稳态值有关,利用A类断路器可限制瞬态短路电流的峰值,可 在几ms时间内熄灭电弧,快速切除和隔离短路故障。 3.2.2 B 类断路器
流到地,见带红色箭头的虚线;图2.b由于两点接地,N线与PE线构成环路,使使一个电源的接地 故障电流通过另一个电源的中性点和N线返回电源,有可能使该动作的RCD1不动作,而不该动作 的RCD2误动作,造成误动作,严重干扰事件,见带红色箭头的虚线。也可从图2a.和图2b.看出: 只要消除环路,也就消除了环流,就能很好地解决EMC问题。有两种解决方法:一种是采用一点接 地方法,另一种是母线联络开关采用4极开关,使N线有一个断点,无法构成环路,也就可靠地消 除了环流。一点接地方法见图3.从图中的红色虚线可看出:接地电流由PE线返回一点接地极后直 接通过N线返回电源,不会产生EMC问题。大家不喜欢TN系统用4极开关主要是怕引起断零事故。
3.2 配电线路保护电器的选择 配电线路保护电器主要选用断路器和熔断器。熔断器分断能力高,选择性保护配合容易实
现,但数据中心断路器用的最多。有两类断路器即A类断路器和B类断路器。断路器的保护配合主 要指:A类断路器之间的保护配合,用电流选择性(或能量选择性)原则评价;B类断路器和B类 (或A类)断路器之间的保护配合,用时间选择性原则评价。 3.2.1 A 类断路器
备,服务器、储存器、计算机、及其他电子设备安全可靠的工作。数据中心IT设备通常是非线性 负载,UPS是谐波电流发生器。图1说明:数据中心配电系统的中性线上,除了3相不平衡电流外, 还叠加了3次谐波和3倍频次谐波电流。如配电系统允许总谐波电流失真,THDi=5%的话,以容量 为1000kVA,额定电流为In=1440A的变压器为例,则在中心线上会出现约 (3x220x5%=)220A的3次 谐波电流,为避免中心线(以下简称N线)电流过载,要求选择N线截面至少应等于相线的截面。 TNC系统由于N线和保护地线(以下简称PE线)合二为一称PEN线,配电系统运行的3相不平衡电流 (50Hz)和谐波电流(150Hz 或以上 )在PEN线上产生电压降,PEN线上的该电位差使一部分的N 线电流分流到大地中去,造成严重的EMC问题。TN-S系统由于N线与PE线分开,正常工况状态下, 与连接设备外壳和大地的PE线无电流通过,配电系统的负荷(或工作)电流由(带绝缘的)N线返 回电源中性点
配电线路除了过载和短路故障外,还有绝缘(接地)故障和过电压事件,在分支配电和终 端配电线路,有时更重视绝缘(或接地)故障、过电压事件,因为这类故障直接危及用户的生命, 造成财产的损失。
本文阐述的线路保护,主要指短路(和过载)保护。选择性是某一树干式配电线路中发生 过载或短路故障时的选择性,即在主配电线路、分支配电线路和终端配电线路之间的选择性保护 配合,而不是同一线路中的两台开关。所谓选择性跳闸是指离故障点最近的一台保护断路器切除 故障线路,非故障配电线路则继续保持供电。 若无选择性,一个短路故障可使配电干线上的多 台断路器同时跳闸,引起大面积停电。
差。很显然,这是一种错误的处理方法,因为人为地把N线上的不平衡电流和谐波电流引向大地, 造成严重的EMC问题。
其次,数据中心通常是多电源系统,即系统中有变压器、发电机和UPS 3种电源设备,各自 的中性点都要接地。一个完整的配电系统有可能出现多点接地的现象,多点接地的后果是N线与
大地之间有可能构成环路,使N线上的电流分流到大地中,产生EMC的问题。图2a是由于两点接地, N线与PE线构成环路,使一个电源N线上的工作电流也会通过另一个电源的中性点,从PE线返回分
选择性的的基础是计算短路电流,计算每一条配电线路可能出现的最大和最小短路电流, 才能按配电线路的短路电流和负荷电流选择保护电器,才能精确整定保护参数,才能得出配电线 路保护电器之间选择性参数级差。所以要研究和评价选择性必须考虑如下因素:
1)正确的选择配电线路导线截面,计算配电系统网络的参数 2)计算短路电流包括最大短路电流和最小短路电流 3)正确选择配电线路的保护电器 4)整定保护电器(脱扣器)的动作参数 5)比较上下级保护电器的特性曲线
国习惯用两台电源变压器通过单母线分段后分列运行,又可通过两分段母线之间的联络开关相互 联络,保证整个配电系统的供电连续性和工作可靠性。配电系统中的馈线(配出线路)常采用电 缆或母线槽系统,并选用断路器或熔断器保护配出线路可能出现的过载和短路故障。按 IEC 60364 或 GB16895,选择馈线电缆截面的依据是:过载保护、短路保护、电压降、人身安全等 4 个要素。 配电线路无论电缆还是母线槽系统,其热耐受能力,是由导线截面和绝缘材料决定的,即 S2K2, 其中 S 表示电缆截面,K 为常数与绝缘材料有关,如 PVC 材料为 115。线路保护的主要任务是当 线路出现短路或过电流事故时,要求断路器或熔断器快速切断故障电流,使短路电流产生的能量 I2t 小于电缆的热耐受能力。通常过载时允许温度为 70 度,而切断短路电流时,电缆瞬时的温度
数据中心低压配电系统设计有关问题
西门子楼宇科技低压事业部 葛大麟
摘要 数据中心在国内外迅猛地发展,预计在2020年将成为世界上最大的能源消耗行业,有关数据中 心配电系统的设计引起了业内专家的关注。本文依据作者在低压配电系统和低压电器方面的经 验,重点介绍数据中心低压配电系统接地系统与EMC、低压配电系统设计与选择性保护配合、 主动电能管理的理念与方法等三方面的问题。
熔断器在分断能力、选择性、限流性能、经济性、安全可靠性等方面有它特殊的优越性,故 在国外得到较为广泛的应用。实际应用中,通常采用刀熔开关(或称熔断器式隔离开关,分为条 式或方形两种)或负荷开关与熔断器组合。国外数据中心常用熔断器与 MCB 配合实现选择性,或 作为一组 MCB 的后备保护。
3.1 低压配电线路过电流保护原理 低压配电系统通常为树干式或辐射式配电系统,包括主配电、分支配电和终端配电。在中
从图4看出:数据中心配电系统采用TN-S系统线,即需要把NPS,,RPS 和UPS 3个系统合理 地集成在一起。UPS 两路进线分别来自 NPS和RPS的3根相线,N端子是不接的。UPS系统输出带隔 离变压器的TN-S系统, 两个UPS系统的输出开关须采用4极开关。UPS故障或检修时,需要切换到 手动傍路模式,因此,UPS与NPS和RPS均是TN-S系统,但相互联络闭锁必须采用4极开关。NSP和 RSP相距很近,必须做一点接地以及主等电位联结后,才能使用3极开关。特别注意的是,如变压 器和发电机由于相距较远做不到一点接地时,NPS 和 RPS 的母线联络开关必须采用4极开关。
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