【IBE】数据中心20kV供配电系统及柴油发电机组的设计

1 数据中心20kV供配电系统及柴油发电机组的设计方案

现以某数据机房项目为例，介绍20kV供配电系统和柴油发电机组的几种配电设计形式。

该数据中心机房总建筑面积约20 000m²，地下2层、地上4层；柴油发电机楼位于机房楼西侧，与机房楼贴临，地下1层、地上3层；机房东侧紧邻档案中心，地下1层、地上3层。

根据GB 50174-2008《电子信息系统机房设计规范》可知，该机房等级为 A级机房标准，总用电负荷约为18 000kW。结合当地市政电网情况，从市政电网引来两路20kV供电电源线路，系统中含有10kV水冷冷水机组4台，后备电源采用10kV柴油发电机组12台，市电断电时，柴油发电机组保障整个机房楼的用电负荷。

1.1 方案一

20kV市电电源通过20/10kV变压器降压后，配出10kV母线段，再经过10/0.4kV变压器，为低压设备供电，10kV中压设备则由10kV母线段直接供电，如中压冷机（此类设备在很多大中型数据中心应用较多）。

建议采用10kV柴油发电机并机系统，柴油发电机组电源与市电电源在10kV母线段上进行切换。此种配电方案如图1所示。

图1 配电方案一示意图

此方案的特点是：柴油发电机组和中压设备均无需另行配置辅助变压器，需要为20/10kV变压器及配套中压柜、电容器等设备提供单独的变配电房间，变配电用房较多。

1.2 方案二

将20kV市电电源通过20/0.4kV变压器降压后，配出低压母线段，为低压设备供电；对于存在10kV中压设备的工程，需为每台中压设备配置一台20/10kV降压变压器，方可由20kV母线段供电；采用0.4kV柴油发电机组，每台柴油发电机配置一套0.4/20kV升压变压器等配电设备，将柴油机组输出电压提升到20kV，与市电在20kV母线段上进行切换。此种配电方案如图2所示。

图2 配电方案二示意图

此方案的特点是：20kV市电只经过一次降压即可为低压设备供电，但是对10kV中压设备和0.4kV柴油发电机组来说，均需单独为其配置相应的升压变压器，这样就需要在中压设备和柴油机附近增加相应的升压变压器等设备用房。

以上两种方案的配电方式在大、中型数据中心机房项目中采用较多。

1.3 方案三

将20kV市电电源通过20/0.4kV变压器降压后，配出低压母线段，为低压设备供电；采用低压柴油发电机组（大、中型数据中心采用较少）与市电在低压母线段上进行切换。此配电方案如图3所示。

图3 配电方案三示意图

此方案的特点是：适用于无10kV中压设备的变配电系统，20kV市电经过一次降压为低压设备供电，但若需要油机保障的负荷量较大时，仍建议采用中压油机。因目前国内的0.4kV低压配电柜没有6 300A以上的相关实验报告，当负荷容量较大时，所需低压油机并机台数受限。所以此时更宜采用中压油机。

此方案更适用于小型数据机房的20kV配电方式。

2 经济技术比较

本数据机房项目属于大型数据中心，故方案三不适用于本项目，下面结合该数据中心项目的实际情况，主要针对方案一和方案二做一下设备成本的比对，如表1所示。

表1 方案一和方案二的成本比对

由表1可以看出：

1）中压柜不同，方案一采用的主要是10kV中压柜，而方案二采用20kV中压柜。20kV中压设备占地面积增大，相应的保护和绝缘等级要求提高，单台中压柜的造价提高。

2）IT及动力设备配电变压器不同，方案一采用10/0.4kV变压器，方案二采用20/0.4kV变压器。与中压柜的对比情况相同，20/0.4kV变压器在占地面积和成本上均不占优势。

3）辅助变压器数量不同，方案二需要为低压油机和中压冷机设备配置大量的0.4/20kV升压变压器，增加成本的同时需要增加大量升压设备，等同为增加了风险点，且需为这些升压设备配置其所需的土建空间，即除制冷站房外，每个柴油机室内均需考虑升压变压器的空间位置。

4）方案二还需要考虑每台柴油机至其配套升压变压器的连接母线成本。

综上所述，方案一的配电方式从成本造价上优于方案二。

3 小结

基于以上分析，并结合业主意见，该数据中心机房最终选择按方案一的配电方式进行设计，整体系统架构如图4所示。配电系统单线图如图5所示。

图4 配电系统的整体架构

图5 配电系统单线图

其中，将两路20kV市电电源分别经2台20/10kV降压变压器配出4路10kV配电母线段，2台降压变压器分别设置在机房楼1层的2个降压站内；4路10kV配电母线采用单母线分段运行方式，两两为一组，每组的2个母线段中间设联络开关。

平时两路电源分列运行，互为备用；当一路电源故障时，通过手/自动操作，另一路电源可承担全部二级以上负荷。市电电源主进开关与联络开关之间设电气联锁，任何情况下只能闭合其中的2个开关。10kV母线以放射式电缆线路向所带各变压器、10kV中压冷机供电。

4段10kV母线段电源分别通过多组10/0.4kV变压器以放射式和树干式相结合的方式为低压用电设备供电。其中，根据负荷用途和性质的不同，为IT设备配电的10/0.4kV变压器与为整栋楼动力设备配电的10/0.4kV变压器需分开设置。

该机房共有12台10kV柴油发电机组，单台主用功率为2 400kW，采用（11+1）的冗余方式。

当两路20kV市电均失电时，由10kV柴油发电机与市电开关在10kV母线段上切换后向4段10kV母线同时供电，柴油机电源开关闭合时市电进线开关断开；市电恢复时，首先断开柴油发电机并机柜出线开关，然后闭合市电进线开关，以防止反送电。

柴油发电机采用自启动方式，当检测到两路市电均失电后，柴油发电机组并机启动，达到带载条件后向两个10kV并机母线段提供应急电源；同时发电机启动运行时，要求UPS系统关闭充电功能，下游负载的谐波含量要求控制在5%以内。每台柴油发电机配备独立的控制系统，并配置冗余的PLC控制装置。

此项目采用串联电抗器的电容器组作为功率因数集中自动补偿装置，由于存在10kV水冷冷水机组，所以高压部分的无功功率采用高压电容器补偿方式，设置在20/10kV降压变压器的10kV侧，在1层2个降压站附近分别设置单独的高压电容器室；低压部分的无功功率采用低压电容器自动补偿，设置在10/0.4kV变压器出线侧。

通过自动无功功率控制器根据负载吸收的无功功率控制电容器的投切，要求补偿后的功率因数＞0.95。

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