数据中心配电系统3P和4P开关的区别应用

数据中心配电系统3P和4P开关的区别应用

注册一级建造师：唐国丰

摘要：《全国民用建筑工程设计技术措施》关于三相四极开关的选用，用寥寥的五点规定了在什么情况下使用4P开关，什么情况下不能使用4p开关，但

这种概念模糊的说明，对我国数据中心供配电的设计和施工者造成了不小的困扰，甚至有些项目滥用4P断路器，既浪费了设备投资又增加了断“零”的风险。

关键词：数据中心配电4P开关断零

4P开关的有两个用途。一、作电器隔离，用以断开线路的中性线，保证电

气维修时维修人员的安全，我国过去广泛采用所谓接零保护的TN-C系统，因该系统的中性线是PEN线，不能用闸刀切断，线路中普遍采用3P开关，在电气维修过程中N线没有完全隔离造成点击事故。而4P开关可以有效的断开N线，起电气隔离作用。二、用作功能开关，如双电源自动切换装置（ATS）。但4P开

关使用过程中存在断“零”的风险，因此在供配电设计时应慎用4P开关。

4P断路器为什么容易招致断“零”呢？断路器或开关在闭合或断开过程中，相线触头间会产生电弧，负载电流产生的电弧，能烧蚀清除开关触点上的电阻膜（触头表面形成一层化学腐蚀物、氧化物、金属钝化层、尘埃脏物），而对于四极开关产品标准要求先断开三个相线触头，后断开中性线触头，以免操作瞬间断“零”。三根相线断开后中性线上不复存在电流，中性线触头也就不会产生电弧来清除其电阻膜。因膜电阻大，就造成了断“零”事故的发生。另外，因在中性线上增加了一个接线点就增加了一个断“零”风险，比如，施工接线中性线端子

没有压紧而导致松动，开始时还能正常工作，不易被发现。过了一段时间接触不良导致断“零”，待烧毁大量设备后才发现是中性线不导电造成，已经为时已晚。

“……《全国民用建筑工程设计技术措施》P45页4.53.3-17三相四极开关的选用：

1）正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应采用四极开关；

2）带漏电保护的双电源转换开关应采用四极开关。两个电源开关带漏电保护其下级的电源转换开关应采用四极开关；

3）在两种不同接地系统间电源转换开关应采用四极开关；

4）TT系统的电源进线开关应采用四极开关；

5）IT系统中当有中性线时应采用四极开。

……”

上述的技术措施并没有给广大从业人员解析清楚，而且还存在不少的局限性，下文中，我跟大家详细的探讨在数据中心供配电设计施工中，什么地方用4P开关，什么地方不能用4P开关。

两电源在同一处共用一低压配电柜，两电源转换开关应采用四极开关

IEC标准对系统接地的有严格的要求，在多电源配电系统中严禁在变压器或发电机处将中性点就地接地，如下图所示。

图一

IEC标准还规定从变压器（或者发电机）中性点引出的N线必须绝缘，并且只能在低压配电盘内一点与接地的PE母排连接而实现系统接地，在这点以外中性线不得再在其他处接地。中性线电流只能通过本回路的中性线返回电源。如果中性线电流通过其它并联回路反回电源，则这部分电流被称作为杂散电流，杂散电流能引起如下的电气灾害：

1）杂散电流可感应杂散电磁场，该磁场可能干扰敏感信息技术设备的正常工作；

2）杂散电流可能因不正规通路导电不良而打火，引起火灾；

3）杂散电流如果以大地为通路返回电源（图一，杂散电流从n线经G1接地点到G2接地点返回电源），因电化学反应腐蚀接地极、地下基础钢筋或金属管道等金属部分。

图二

在图二中如果双电源转换开关采用图中的3P开关将会产生三个不良后果：

1）如果配电变压器在负责供电，那么负载中性线电流有一部分将经发电机的中性线返回变压器电源，这一电流也是杂散电流的一种形式，这一杂散电流对

A区内的敏感电子设备形成一个大包围，产生的磁场会对该区域的电子设备造成干扰；

2）该包围线圈（该线圈包围面积越大越容易感应雷电）也可能感应雷电对系统供电产生干扰，同时产生的交变磁场也会对A区内的敏感电子设备形成干扰；

3）如果发电机和变压器的主输出开关安装有RCD，那么这一杂散电流将可能导致RCD拒动作或者误动作。

移动发电机中性线不接地，或类似的双电源系统，两电源转换开关应采用三极开关

图三

在图三中，发电机的中性线不接地，当任一电源供电时，中性线电流只能经由本回路的中性线流回电源，没有其它通路。这样不会产生杂散电流，也不会引起RCD拒动或者误动，因此为避免系统断“零”烧毁设备，也为避免投资的浪费。此处不使用4P的双电源转换开关。

TN-S和TN-C-S系统内不需要为电气维修安全装用四极开关

实际上为电气维修安全而需要装用四极开关的场所并不是很多，如在具备等电位联结条件下常用的TN-C-S系统和TN-S系统内就不必装用四极开关。IEC 标准和我国的电气规范都规定了在建筑物内设置总等电位联结的要求，一些未做总等电位联结的老建筑物因金属结构、金属管道等互相之间的自然接触，也具有一定等电位的作用，但是不一定可靠。我国的《电子信息系统机房设计规范》（GB 50174-2008）明确规定数据中心的供配电系统采用TN-S系统，并对等电位联结做了详尽的要求。在欧洲的部分数中心还采用了TN-C-S系统。下面用图四来说明：为什么TN-S和TN-C-S系统内不需要为电气维修安全装用四极开关。

图四

在图四中，L3相线发生了接地故障，中性线引入了对地电压Ug，但是因建筑物内实施了总等电位接地，机房内彩钢板墙体，设备金属外壳，防静电地板等做了等电位接地，机房内人体能接触的金属体都处于同一个电位上即U=0，维修人员即使接触了中性线，因不存在电位差不可能发生电击事故，也不会产生火花而引起火灾事故。

我国数据中心因不采用其它供配电系统，如IT、TT系统。本文就不在阐述四极开关在其它系统中的应用了。因此在数据中心的供配电设计和安装时除了双电源转换开关需要用到4P开关，其它的地方尽量避免使用4P开关。

工程中常见4P开关认识误区

UPS输入输出开关K1/K2和外部维修旁路开关K3均采用4P开关（图五），理由是UPS检修时隔离N线；断开维修旁路的N线避免产生杂散电流。

对工程设计和安装时的上述说法予以分析：a)为了UPS检修而隔离N线，已经没有必要，这在本文中已经做了详细的解析；b）如果在UPS的输出开关安装4P 断路器有很大的风险，当负载产生很大谐波时，N线的电流可能时相线的2倍甚至更大，如此，UPS输出开关K2可能分断，这在数据中心供电是大忌！c）断开维修旁路的N线是为了避免杂散电流，这个说法很值得探讨，因为杂散电流产生的电磁干扰会影响UPS的正常工作，但是这一点需要同UPS厂家研发人员沟通，咨询相应厂家的UPS是否具相应备抗电磁干扰能力，UPS本身也不是敏感的通信设备；另外维修旁路一般是在UPS配电房内的配电柜直接跨接，即使维修旁路开关用3P断路器，N线形成的闭合线圈面积很小感应雷电的可能性很低。但是维修旁路的4P断路器的触点常年处于分断状态，时间长了很容易形成膜电阻，断零的风险特别大，那样带来的将是大量的服务器设备烧毁。