數(shù)據(jù)中心UPS電池直流電纜的選擇

引言

在項(xiàng)目工程供配電系統(tǒng)中,電纜的選擇非常重要,其關(guān)系到項(xiàng)目運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。電纜需要根據(jù)負(fù)荷特點(diǎn)和性質(zhì)進(jìn)行選擇,在實(shí)際項(xiàng)目中大部分負(fù)荷都是持續(xù)運(yùn)行的,該類負(fù)荷電纜按照持續(xù)載流量選擇,但有一些負(fù)荷在大部分時(shí)間內(nèi)都處于停運(yùn)或低載狀態(tài),即使需要運(yùn)行或處于滿載狀態(tài),運(yùn)行時(shí)間也很短,此類負(fù)荷電纜如仍舊按照持續(xù)載流量選擇,會(huì)造成極大浪費(fèi)。

隨著5G、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來,數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量逐年增加、規(guī)模逐年擴(kuò)大,數(shù)據(jù)中心的UPS是保證IT負(fù)荷持續(xù)運(yùn)行的重要設(shè)備,UPS在數(shù)據(jù)中心的使用量也逐年增加,其中UPS電池電纜的使用量也不容小覷,特別是大型數(shù)據(jù)中心及電池距離UPS較遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)中心,電池電纜使用量相當(dāng)可觀。國內(nèi)外主要的UPS廠家,其產(chǎn)品使用手冊(cè)上均有電池電纜的選擇參考,但由于其只考慮自家設(shè)備特性或通用使用情況,電纜截面差異很大,大部分UPS廠家推薦的截面都采用持續(xù)載流量作為參考依據(jù)。根據(jù)國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心行業(yè)規(guī)范及行業(yè)應(yīng)用要求,規(guī)模數(shù)據(jù)中心UPS電池應(yīng)急供電時(shí)間下限主要為7min、15min或30min,其中15min的應(yīng)急時(shí)間下限最為常見。由于正常情況下UPS電池直流電纜電流極小,所以電池應(yīng)急供電可按短時(shí)負(fù)荷考慮,如果UPS電池直流電纜按照持續(xù)載流量進(jìn)行選擇,將造成資源和資金浪費(fèi)。當(dāng)負(fù)載為短時(shí)負(fù)載時(shí),電纜在短時(shí)負(fù)載的載流量應(yīng)不小于負(fù)載短時(shí)工作電流或額定負(fù)載持續(xù)率下的額定電流。

1理論分析

1.1電纜的暫態(tài)發(fā)熱簡(jiǎn)化方程

空氣中敷設(shè)的電纜暫態(tài)溫升可近似采用架空線的暫態(tài)發(fā)熱方程表示。如果電纜導(dǎo)體的初始溫度不等于周圍媒質(zhì)溫度,則發(fā)熱方程可表示為:

式中,θ為電纜溫度:θa為周圍空氣溫度:θm為電纜長(zhǎng)期運(yùn)行允許的最高溫度:θ0為電纜初始溫度:l為加載時(shí)間:r為發(fā)熱時(shí)間常數(shù)。

如果電纜的導(dǎo)體初始溫度等于周圍媒質(zhì)溫度,則發(fā)熱方程可表示為:

1.2電纜短時(shí)運(yùn)行載流量計(jì)算

對(duì)于電池直流電纜,介質(zhì)損耗可忽略不計(jì)。若初始電纜溫度大于周圍媒質(zhì)溫度,相當(dāng)于通過電流Io,不考慮導(dǎo)體電阻隨溫度變化,電纜溫升與負(fù)載的電流平方呈正比,利用式(1）可得各電流關(guān)系式:

式中,IN為電纜長(zhǎng)期允許負(fù)載的電流:IP為電流短時(shí)負(fù)載電流:Io為電纜初始負(fù)載電流。

電纜時(shí)間l內(nèi)允許通過的最大電流:

式中

x為電纜預(yù)加系數(shù)。

若電纜初始溫度等于周圍媒質(zhì)溫度,利用式(4）可得:

1.3電纜發(fā)熱時(shí)間常數(shù)計(jì)算

對(duì)于敷設(shè)在空氣中的電纜,因?yàn)榻^緣層和護(hù)套層的溫度與導(dǎo)體溫度不一致,所以應(yīng)考慮部分絕緣層和護(hù)套層的熱容。電纜等效熱容KT為電纜總熱容,電纜等效熱阻7T為電纜各部分熱阻與電纜周圍媒質(zhì)熱阻之和,這兩個(gè)參數(shù)表示如下:

式中,KC為電纜導(dǎo)體熱容:KI為電纜絕緣層熱容:KS為電纜護(hù)套層熱容:71為絕緣層熱阻:73為護(hù)套層熱阻:74為電纜與周圍媒質(zhì)熱阻。

電纜發(fā)熱時(shí)間常數(shù)可表示為:

2實(shí)例應(yīng)用

某數(shù)據(jù)中心設(shè)置一臺(tái)380V、600kVA的UPS,逆變效率取0.95,UPS輸出功率因數(shù)取0.9,電池后備時(shí)間15min,選用3組12V鉛酸電池,每組40節(jié)電池,放電單元截止電壓為1.75V,現(xiàn)需要選擇電池直流箱至UPS的直流電纜。

UPS電池放電為15min,電池按照0.1C充電,充電時(shí)間一般不少于10h,放電后電池充電電流很小,正常浮充電流更小,忽略充電電流,數(shù)據(jù)中心內(nèi)電池間和UPS配電室均設(shè)有空調(diào)系統(tǒng),環(huán)境溫度不超過30℃,所以θ0和θa按30℃考慮,采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,θm按90℃考慮,電纜采用金屬梯式橋架敷設(shè)。

計(jì)算得電池放電最大電流為1353A,按照持續(xù)載流量選擇電纜時(shí),每極選用3根150mm2的單芯電纜并聯(lián),每根電纜負(fù)載載流量451A,如按照15min短時(shí)運(yùn)行載流量選擇,每極選用兩根120mm2的單芯電纜并聯(lián)即可。交聯(lián)聚乙烯絕緣120mm2的單芯電纜發(fā)熱時(shí)間常數(shù)T取35min,1N=437A,代入公式(5）中得1P=740.7A,兩根120mm2的單芯電纜并聯(lián)可滿足UPS直流電纜選擇要求。根據(jù)上面計(jì)算結(jié)果可以計(jì)算出電纜截面減少約47%,因此針對(duì)短時(shí)負(fù)荷按照短時(shí)運(yùn)行載流量選擇電纜可以減小電纜使用截面。

在上述實(shí)例應(yīng)用中還需注意以下幾點(diǎn):以上計(jì)算暫未考慮電壓降的影響,電壓降還需根據(jù)工程實(shí)際電纜長(zhǎng)度校驗(yàn):由于實(shí)際工程中UPS電池后備時(shí)間會(huì)超過規(guī)范或者業(yè)主要求的時(shí)間,所以需在電池方案選定后,按電池實(shí)際后備時(shí)間選取或校驗(yàn)電纜。

3結(jié)語

如果分別計(jì)算多個(gè)電纜截面在7min、15min、30min及更長(zhǎng)應(yīng)急時(shí)間的短時(shí)載流量,對(duì)比其數(shù)據(jù),在UPS電池直流電纜的選擇中,UPS電池后備時(shí)間在30min以內(nèi)且電池應(yīng)急放電電流較大時(shí),與按照持續(xù)載流量選擇電纜的方法比較,其更能突出節(jié)約電纜的優(yōu)勢(shì),可在保證設(shè)備運(yùn)行可靠的前提下節(jié)約電纜和施工成本,提高投資經(jīng)濟(jì)效益,避免資源浪費(fèi)。