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【摘要】數据中心供配电系统的可靠运行是保证数据中心正常工作非常关键的要素之一，本文以北方某数据中心为例从中压配电系统、低压配电系统、后备电源保障系统、电气照明系统以及防雷接地系统等方面简析数据中心的电气系统。
【关键词】变配电系统；柴油发电机；低压配电；UPS；照明标准；防雷接地
数据中心是全球互联网业务的基础设施，当代我们熟知的政府机构、教育机构，金融机构，电子商务机构等都离不开数据中心的支持，可以说数据中心推动着当代经济的发展、社会的进步，云计算、大数据、VR等的普及也离不开数据中心的支持可以认为数据中心将与人类未来的生活息息相关。数据中心的电气系统是保证其可靠运行关键系统之一，电气系统的合理性，可靠性，稳定性，节能性等是衡量一个数据中心的重要指标，下文将以北方某数据中心为例简析数据中心的电气系统。
1、项目概况
本项目位于华北较为寒冷地区，机房等级按《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008 A级机房设计，数据中心为两栋建筑，一栋为数据机房，一栋为动力中心（主要放置中压柴油发电机，空调冷水机组等）。
2、电气设计原则
（1）变配电房的规划布置尽量靠近负荷中心，减小供电半径，有利于节能及节约投资；
（2）结合工艺及建筑的规划设置变配电房，变配电房的规划充分考虑“可靠性”、“经济性”、“可扩充性”、“便于管理维护”等原则，使机房PUE值达到最 优；
（3）所有配电柜及相应的配电线路，均以用电峰值为其设计负荷；
3、供电可靠性保证
本项目按《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008 A级机房设计，采取以下措施保证机房设备供电系统的可靠性：
（1）采用两路10kV市电为主用电源、柴油发电机作为备用电源以及UPS作为不间断电源供电；
（2）变压器及供配电系统采用M（1+1）方式的配置共5组（10台）10kV/380V变压器；
（3）重要回路由两回路供电，由两台不同的变压器，不同的保证母线段采取放射式供电，两回路供电线路及出线开关均可实现互为备份。
4、设计范围
（1）10kV高压配电系统；（2）10/0.4kV配电系统；（3）备用发电机配电系统；
（4）动力系统；（5）照明系统；（6）防雷保护、安全措施及接地系统。（7）电源分界点为高压配电房电源进线柜内进线开关的进线端。高压开关房属城市供电部门负责设计，高压开关房内设备由供电局负责选型。
5、变、配电系统
（1）负荷分级：
一级负荷中特别重要负荷：机房IT设备用电负荷；
一级负荷：消防负荷：消防中心用电、消防水泵、消防电梯、防排烟风机、消防应急照明等消防用电，机房专用空调负荷，机房保证照明等；
二级负荷：机房配套用房照明，普通排风风机，普通空调风柜等；
三级负荷：不属于一、二级负荷的其他负荷。
6、柴油发电机系统
（1）本工程采用柴油发电机组作为应急电源，发电机采用N配置；共须安装5台1800kW/2000kVA高压柴油发电机组，为本工程一级、二级负荷提供用电保证。
（2）柴油发电机在市电故障停电后，能在15秒内自动启动，向本工程保证高压母线段供电。采取有效措施防止市电与发电机并列运行。
（3）并机总技术要求
发电机主要为机房 IT 负荷、空调制冷系统、消防供电系统以及应急照明提供应急电源保障容量。发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：
a发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；
b发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；
c在最大的电动机起动时，发电机的瞬时电压降不大于 15%～20%。
其次，数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。由于发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。
（4）中压ATS系统要求：
中压ATS根据设定的各负荷出线重要等级，由重要性由最低向重要性最高的顺序，逐次跳开母线各负载出线断路器；然后，合油机进线断路器，根据接收到的并网发电机数量，按照负荷出线重要性等级，由重要性最高向重要性最低顺序逐次合上允许数量的出线断路器。
7、高、低压供电系统及运行方式
（1）高压供电系统设计
a 本工程高压供电系统采用两路10kV专线市电电源，采用单母线运行方式，正常供电时，两路电源同时供电。
b 10kV断路器采用真空断路器短路电流为31.5kA，在10kV出线开关柜内装设氧化锌避雷器作为真空断路器的操作过电压保护。
c当市电失电后，启动高压柴油发电机组，保证重要负荷用电。
d高压断路器校验
【动稳定校验】
已知：
三相短路冲击电流ich = 6.23（kA）
额定峰值耐受电流imax =60（kA）
校验：
Ich≤Imax，动稳定校验合格！
【热稳定校验】
已知：
额定短时耐受电流It = 31.5（kA）
额定短时持续时间t =4（s）
短路电流热效应Qt =0.5（kA2.s）
校验： Qt≤It×It×t，热稳定校验合格！
（2）低压配电系统
a 变压器低压侧采用单母线分段方式运行。T1、T3、T5、T7、T9分别与T2、T4、T6、T8、T10变压器之间设母联开关。
b 低压配电系统采用AC 380V，AC 380V配电系统采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式供电；对于照明及一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。
8、设备选型如下
（1）户内式变压器按节能型干式变压器设计，设强制风冷系统；接线为 D，Yn11，保护罩由厂家配套供货，防护等级不低于IP30.
（2）高压配电柜按金属铠装移开式中置柜进行设计，断路器额定电流1250A，分断能力31.5kA；采用直流操作。高压电缆采用上进上出接线方式。
（3）断路器最大短路电流计算：
变压器阻抗电压百分比：Uk%=6（ST≤2500
KVA），Uk%=8（ST=2500KVA）；
变压器电阻忽略不计，电抗：额定电压：Ur=0.4KV，
采用2500KVA变压器时，ST=2.5MVA 得到XT=0.01024
短路电流
采用2000KVA变压器时，ST=2MVA 得到XT=0.00614
短路电流
采用1250KVA变压器时，ST=1.25MVA 得到XT=0.00384
短路电流
低压配电柜依据标准抽屜柜，落地式安装进行设计；根据上述计算与2500KVA和2000KVA变压器配套配电柜断路器分断能力65kA以上，与1250KVA变压器配套配电柜断路器分断能力50kA以上，进出线电缆采用上进上出的接线方式。
柴油发电机组为应急自启动型，应急启动装置及相关成套设备由厂家配套供货
9、10kV继电保护装置的设置
（1）进线采用过流、速断、零序保护；
（2）出线采用过流、速断、零序保护；
（3）变压器设置过流、速断、温度保护。
（4）发电机设置过流、速断、零序、温度、差动保护。
10、电能计量装置
采用高压集中计量，在每路10 kV电源进线处设置专用计量装置，并可根据要求设置低压电力分表。
11、功率因素补偿方式
采用低压集中自动补偿方式，在变配电所低压侧设功率因数自动补偿装置，补偿后功率因素达0.96以上。
12、谐波治理
由于谐波分布的多变性和谐波工程计算的复杂性，因此在进行变电所设计时要适当预留滤波设备安装位置，待系统正式运行后根据对谐波的实测和分析，再采取相应的、有效的谐波治理措施。
对于变频设备采用IGBT整流，或加装消谐装置，防止谐波涌入电力系统；
对于UPS等根据后期通信工艺的要求，采用IGBT整流或就地设置谐波吸收装置，使谐波含量负荷电网的要求。
13、照明系统
（1）照度标准、主要场所照明功率密度值按现行国家标准《建筑照明设计标准》执行。主要场所照明功率密度值见下表：
其他场所按现行国家标准《建筑照明设计标准》GB50034-2013执行。
（2）光源、灯具选择、照明灯具的安装及控制方式：
a光源：一般场所为荧光灯或节能型光源，有装修要求的场所视装修要求而定，但其照度应符合相关要求。
b用于应急照明的光源采用能快速点亮的光源。
14、防雷与接地
（1）防雷措施
a本工程按二类防雷措施设防。建筑物电子信息系统雷电防护等级一级。
b在机楼屋顶设避雷带作为防直击雷的接闪器，利用建筑物结构柱子内的主筋做引下线，利用结构基础内钢筋网做接地体。
c为防侧向雷击，竖向敷设的金属管道及金属物的顶部和底部应与防雷装置连接。
d为防雷电波浸入，电缆进出线在进出端应将电缆的金属外皮、钢管等与电气设备接地相连。
e电子信息系统的箱体、壳体、机架等金属组件应与建筑物的共用接地网作等电位连接。
f防雷接地、变压器中性点接地及电气设备保护接地等共用同一的接地装置，要求接地电阻不大于1Ω，当接地电阻达不到设计要求时应在室外增设人工接地体。
g本工程采用总等电位连联结。在各电气设备房、每层IT机房、卫生间等处设局部等电位联结。
（3）机房接地保护措施
a 计算机电源系统、有线电视引入端、电信引入端设过电压保护装置。
强、弱电系统采用共用接地装置。
b IT机房、电信机房、监控中心室等弱电设备用房的接地利用大楼的共用接地装置，独立设置引下线，采用40x4编织铜带。穿PVC管保护。
c防雷电感应措施：
为了保证本工程大楼内的通信设备的安全，对通信设备及弱电设备供电系统，依据设备终端的耐压水平，分别采用2～4级的多级防雷措施，加装浪涌保护装置。
采取联合接地方式，设置专用直流逻辑接地、交流工作接地、安全保护接地、防雷保护、防静电接地等；在机房适当位置设置局部等电位接地端子箱，机房交流配电系统接地、计算机设备安全保护接地等采用电缆汇接至机房等电位接地端子箱，再接到大楼接地网；机房内设置铜带等电位接地网。
数据中心在现在设计中的电气设计方式有很多种，以上只是简单介绍其中一种比较常见的电气设计方式。随着社会的发展数据中心的电气设计已经不仅仅是一个简单的项目设计而且是一个社会话题，这个话题背后是人们对能源消耗的忧虑和对日益严峻的环境问题的担心，所以虽然数据中心在今天已经发展的比较成熟但是对于数据中心设计还任重道远。此文旨在抛砖引玉，希望更多的人关注和探讨数据中心在为来电气设计中更加节能更加高效的方式。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部，《建筑设计防火规范》GB50016-2015，第1版，中国计划出版社.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，《供配电系统设计规范》GB50052-2009，第1版，中国计划出版社.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008，第1版，中国计划出版社.
【关键词】变配电系统；柴油发电机；低压配电；UPS；照明标准；防雷接地
数据中心是全球互联网业务的基础设施，当代我们熟知的政府机构、教育机构，金融机构，电子商务机构等都离不开数据中心的支持，可以说数据中心推动着当代经济的发展、社会的进步，云计算、大数据、VR等的普及也离不开数据中心的支持可以认为数据中心将与人类未来的生活息息相关。数据中心的电气系统是保证其可靠运行关键系统之一，电气系统的合理性，可靠性，稳定性，节能性等是衡量一个数据中心的重要指标，下文将以北方某数据中心为例简析数据中心的电气系统。
1、项目概况
本项目位于华北较为寒冷地区，机房等级按《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008 A级机房设计，数据中心为两栋建筑，一栋为数据机房，一栋为动力中心（主要放置中压柴油发电机，空调冷水机组等）。
2、电气设计原则
（1）变配电房的规划布置尽量靠近负荷中心，减小供电半径，有利于节能及节约投资；
（2）结合工艺及建筑的规划设置变配电房，变配电房的规划充分考虑“可靠性”、“经济性”、“可扩充性”、“便于管理维护”等原则，使机房PUE值达到最 优；
（3）所有配电柜及相应的配电线路，均以用电峰值为其设计负荷；
3、供电可靠性保证
本项目按《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008 A级机房设计，采取以下措施保证机房设备供电系统的可靠性：
（1）采用两路10kV市电为主用电源、柴油发电机作为备用电源以及UPS作为不间断电源供电；
（2）变压器及供配电系统采用M（1+1）方式的配置共5组（10台）10kV/380V变压器；
（3）重要回路由两回路供电，由两台不同的变压器，不同的保证母线段采取放射式供电，两回路供电线路及出线开关均可实现互为备份。
4、设计范围
（1）10kV高压配电系统；（2）10/0.4kV配电系统；（3）备用发电机配电系统；
（4）动力系统；（5）照明系统；（6）防雷保护、安全措施及接地系统。（7）电源分界点为高压配电房电源进线柜内进线开关的进线端。高压开关房属城市供电部门负责设计，高压开关房内设备由供电局负责选型。
5、变、配电系统
（1）负荷分级：
一级负荷中特别重要负荷：机房IT设备用电负荷；
一级负荷：消防负荷：消防中心用电、消防水泵、消防电梯、防排烟风机、消防应急照明等消防用电，机房专用空调负荷，机房保证照明等；
二级负荷：机房配套用房照明，普通排风风机，普通空调风柜等；
三级负荷：不属于一、二级负荷的其他负荷。
6、柴油发电机系统
（1）本工程采用柴油发电机组作为应急电源，发电机采用N配置；共须安装5台1800kW/2000kVA高压柴油发电机组，为本工程一级、二级负荷提供用电保证。
（2）柴油发电机在市电故障停电后，能在15秒内自动启动，向本工程保证高压母线段供电。采取有效措施防止市电与发电机并列运行。
（3）并机总技术要求
发电机主要为机房 IT 负荷、空调制冷系统、消防供电系统以及应急照明提供应急电源保障容量。发电机组的并机容量首先应满足以下三个条件：
a发电机的连续运行额定功率大于或等于稳定负荷计算功率；
b发电机的备用运行功率大于或等于负荷的尖峰功率；
c在最大的电动机起动时，发电机的瞬时电压降不大于 15%～20%。
其次，数据中心配置有大量的不间断电源，它的特性是非线性负载，在供电线路上会产生谐波，使发电机输出电压波形产生失真。由于发电机组相对电网是有限容量系统，多台发电机并机系统除了满足稳定负荷需求外，还需考虑负载特性（电能质量）、启动性能、冲击负载（冷冻机组和水泵的启动电流、变压器投入时的激磁电流）对发电机使用的影响。
（4）中压ATS系统要求：
中压ATS根据设定的各负荷出线重要等级，由重要性由最低向重要性最高的顺序，逐次跳开母线各负载出线断路器；然后，合油机进线断路器，根据接收到的并网发电机数量，按照负荷出线重要性等级，由重要性最高向重要性最低顺序逐次合上允许数量的出线断路器。
7、高、低压供电系统及运行方式
（1）高压供电系统设计
a 本工程高压供电系统采用两路10kV专线市电电源，采用单母线运行方式，正常供电时，两路电源同时供电。
b 10kV断路器采用真空断路器短路电流为31.5kA，在10kV出线开关柜内装设氧化锌避雷器作为真空断路器的操作过电压保护。
c当市电失电后，启动高压柴油发电机组，保证重要负荷用电。
d高压断路器校验
【动稳定校验】
已知：
三相短路冲击电流ich = 6.23（kA）
额定峰值耐受电流imax =60（kA）
校验：
Ich≤Imax，动稳定校验合格！
【热稳定校验】
已知：
额定短时耐受电流It = 31.5（kA）
额定短时持续时间t =4（s）
短路电流热效应Qt =0.5（kA2.s）
校验： Qt≤It×It×t，热稳定校验合格！
（2）低压配电系统
a 变压器低压侧采用单母线分段方式运行。T1、T3、T5、T7、T9分别与T2、T4、T6、T8、T10变压器之间设母联开关。
b 低压配电系统采用AC 380V，AC 380V配电系统采用放射式与树干式相结合的方式，对于单台容量较大的负荷或重要负荷采用放射式供电；对于照明及一般负荷采用树干式与放射式相结合的供电方式。
8、设备选型如下
（1）户内式变压器按节能型干式变压器设计，设强制风冷系统；接线为 D，Yn11，保护罩由厂家配套供货，防护等级不低于IP30.
（2）高压配电柜按金属铠装移开式中置柜进行设计，断路器额定电流1250A，分断能力31.5kA；采用直流操作。高压电缆采用上进上出接线方式。
（3）断路器最大短路电流计算：
变压器阻抗电压百分比：Uk%=6（ST≤2500
KVA），Uk%=8（ST=2500KVA）；
变压器电阻忽略不计，电抗：额定电压：Ur=0.4KV，
采用2500KVA变压器时，ST=2.5MVA 得到XT=0.01024
短路电流
采用2000KVA变压器时，ST=2MVA 得到XT=0.00614
短路电流
采用1250KVA变压器时，ST=1.25MVA 得到XT=0.00384
短路电流
低压配电柜依据标准抽屜柜，落地式安装进行设计；根据上述计算与2500KVA和2000KVA变压器配套配电柜断路器分断能力65kA以上，与1250KVA变压器配套配电柜断路器分断能力50kA以上，进出线电缆采用上进上出的接线方式。
柴油发电机组为应急自启动型，应急启动装置及相关成套设备由厂家配套供货
9、10kV继电保护装置的设置
（1）进线采用过流、速断、零序保护；
（2）出线采用过流、速断、零序保护；
（3）变压器设置过流、速断、温度保护。
（4）发电机设置过流、速断、零序、温度、差动保护。
10、电能计量装置
采用高压集中计量，在每路10 kV电源进线处设置专用计量装置，并可根据要求设置低压电力分表。
11、功率因素补偿方式
采用低压集中自动补偿方式，在变配电所低压侧设功率因数自动补偿装置，补偿后功率因素达0.96以上。
12、谐波治理
由于谐波分布的多变性和谐波工程计算的复杂性，因此在进行变电所设计时要适当预留滤波设备安装位置，待系统正式运行后根据对谐波的实测和分析，再采取相应的、有效的谐波治理措施。
对于变频设备采用IGBT整流，或加装消谐装置，防止谐波涌入电力系统；
对于UPS等根据后期通信工艺的要求，采用IGBT整流或就地设置谐波吸收装置，使谐波含量负荷电网的要求。
13、照明系统
（1）照度标准、主要场所照明功率密度值按现行国家标准《建筑照明设计标准》执行。主要场所照明功率密度值见下表：
其他场所按现行国家标准《建筑照明设计标准》GB50034-2013执行。
（2）光源、灯具选择、照明灯具的安装及控制方式：
a光源：一般场所为荧光灯或节能型光源，有装修要求的场所视装修要求而定，但其照度应符合相关要求。
b用于应急照明的光源采用能快速点亮的光源。
14、防雷与接地
（1）防雷措施
a本工程按二类防雷措施设防。建筑物电子信息系统雷电防护等级一级。
b在机楼屋顶设避雷带作为防直击雷的接闪器，利用建筑物结构柱子内的主筋做引下线，利用结构基础内钢筋网做接地体。
c为防侧向雷击，竖向敷设的金属管道及金属物的顶部和底部应与防雷装置连接。
d为防雷电波浸入，电缆进出线在进出端应将电缆的金属外皮、钢管等与电气设备接地相连。
e电子信息系统的箱体、壳体、机架等金属组件应与建筑物的共用接地网作等电位连接。
f防雷接地、变压器中性点接地及电气设备保护接地等共用同一的接地装置，要求接地电阻不大于1Ω，当接地电阻达不到设计要求时应在室外增设人工接地体。
g本工程采用总等电位连联结。在各电气设备房、每层IT机房、卫生间等处设局部等电位联结。
（3）机房接地保护措施
a 计算机电源系统、有线电视引入端、电信引入端设过电压保护装置。
强、弱电系统采用共用接地装置。
b IT机房、电信机房、监控中心室等弱电设备用房的接地利用大楼的共用接地装置，独立设置引下线，采用40x4编织铜带。穿PVC管保护。
c防雷电感应措施：
为了保证本工程大楼内的通信设备的安全，对通信设备及弱电设备供电系统，依据设备终端的耐压水平，分别采用2～4级的多级防雷措施，加装浪涌保护装置。
采取联合接地方式，设置专用直流逻辑接地、交流工作接地、安全保护接地、防雷保护、防静电接地等；在机房适当位置设置局部等电位接地端子箱，机房交流配电系统接地、计算机设备安全保护接地等采用电缆汇接至机房等电位接地端子箱，再接到大楼接地网；机房内设置铜带等电位接地网。
数据中心在现在设计中的电气设计方式有很多种，以上只是简单介绍其中一种比较常见的电气设计方式。随着社会的发展数据中心的电气设计已经不仅仅是一个简单的项目设计而且是一个社会话题，这个话题背后是人们对能源消耗的忧虑和对日益严峻的环境问题的担心，所以虽然数据中心在今天已经发展的比较成熟但是对于数据中心设计还任重道远。此文旨在抛砖引玉，希望更多的人关注和探讨数据中心在为来电气设计中更加节能更加高效的方式。
参考文献：
[1]中华人民共和国公安部，《建筑设计防火规范》GB50016-2015，第1版，中国计划出版社.
[2]中华人民共和国住房和城乡建设部，《供配电系统设计规范》GB50052-2009，第1版，中国计划出版社.
[3]中华人民共和国住房和城乡建设部，《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008，第1版，中国计划出版社.