地下洞式數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計要點概述

引言

地下洞式數(shù)據(jù)中心,顧名思義就是將數(shù)據(jù)中心建設(shè)于山體的隧洞之中。隧洞周圍深厚的巖石和穩(wěn)固的山體結(jié)構(gòu)為其提供了天然的地理優(yōu)勢,足以應(yīng)對極端的環(huán)境變化和突發(fā)的重大災(zāi)害對數(shù)據(jù)中心安全的威脅。同時,山體結(jié)構(gòu)中的溫濕度等環(huán)境狀態(tài)更容易維持穩(wěn)定,對需要在穩(wěn)定的環(huán)境參數(shù)范圍內(nèi)運行的數(shù)據(jù)機(jī)柜及服務(wù)器非常有利。所以,地下洞式數(shù)據(jù)中心作為重要的數(shù)據(jù)節(jié)點,成為我國數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新方向。

目前,我國對地下洞式數(shù)據(jù)中心的研究尚處于起步階段。本文結(jié)合實際工程,依據(jù)現(xiàn)行的相關(guān)規(guī)范,對地下洞式數(shù)據(jù)中心電氣設(shè)計中的一些要點和關(guān)鍵問題進(jìn)行介紹和探討。

1設(shè)計要點及主要內(nèi)容

地下洞式數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計以國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為依據(jù),主要的設(shè)計內(nèi)容包括:機(jī)房等級劃分、設(shè)備模塊化、負(fù)荷分類與分級、供電電源、配電系統(tǒng)及運行方式、照明設(shè)計、線纜敷設(shè)、防雷接地等。

2地下洞式數(shù)據(jù)中心的級別

在設(shè)計數(shù)據(jù)中心時,只有先確定設(shè)計對象的等級,才能根據(jù)規(guī)范合理地設(shè)計。基于地下洞式數(shù)據(jù)中心的優(yōu)勢及定位,目前的工程均將其定為A級數(shù)據(jù)中心。因此,本文以A級為數(shù)據(jù)中心設(shè)計等級,對地下洞式數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計進(jìn)行一定的概述和分析。

3設(shè)備模塊化設(shè)計

由于隧洞空間建設(shè)成本較高,因此為了合理且最大限度地利用空間,地下洞式數(shù)據(jù)中心的建設(shè)思路及發(fā)展方向是采用標(biāo)準(zhǔn)化的方艙模塊進(jìn)行組合堆疊,從而提高數(shù)據(jù)中心的出柜率、可靠性等各項指標(biāo)。

在項目設(shè)計中,結(jié)合整個數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的架構(gòu)及層級,將電氣系統(tǒng)中的中壓配電系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、自備應(yīng)急電源系統(tǒng)及IT設(shè)備供電系統(tǒng)等進(jìn)行模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化:設(shè)計統(tǒng)一規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)的中壓電力方艙模塊、低壓電力方艙模塊、柴油發(fā)電機(jī)方艙模塊、IT方艙模塊等模塊化設(shè)施,并將各方艙在洞內(nèi)進(jìn)行合理組合和堆疊。

方艙,就是采用集裝箱結(jié)構(gòu),由鋼材構(gòu)建,考慮綜合運輸可靠性及模塊內(nèi)承重需求,底座、支撐立柱和頂蓋采用焊接方式形成穩(wěn)固的一體化框架。方艙模塊,就是對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行合理的系統(tǒng)及布局設(shè)計后,將其安裝在方艙內(nèi),成為相關(guān)的功能模塊。如低壓電力方艙模塊,是將變壓器、低壓進(jìn)出線柜、有源濾波柜、無功補(bǔ)償柜、UPS等設(shè)備合理地布置在方艙中,并做到整個項目的統(tǒng)一設(shè)計,使其模塊化與標(biāo)準(zhǔn)化。

同時,在進(jìn)行模塊化的方艙設(shè)計時,各方艙模塊需要滿足可上下堆疊、空調(diào)通風(fēng)、密封性、可拼接等要求。

4負(fù)荷分類與分級

4.1負(fù)荷分類

地下洞式數(shù)據(jù)中心工程的負(fù)荷種類繁多,主要可分為如下幾類:

(1)IT設(shè)備:位于運營商機(jī)房、機(jī)房模塊內(nèi)用于信息傳輸、處理和存儲的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲設(shè)備等。

(2)輔助設(shè)備:為IT負(fù)荷正常運行提供支持的輔助設(shè)備,包括機(jī)房空調(diào)、機(jī)房照明、安防設(shè)備、控制設(shè)備等。

(3)消防設(shè)備:消防水泵、排煙風(fēng)機(jī)、報警系統(tǒng)、應(yīng)急照明等。

(4)公區(qū)照明及其他設(shè)備:一般辦公及其相關(guān)的非重要用電負(fù)荷。

(5)機(jī)房日常清掃、維護(hù)設(shè)備。

4.2負(fù)荷分級

根據(jù)負(fù)荷重要性,參照規(guī)范[1,4]確定地下洞式數(shù)據(jù)中心各類負(fù)荷的等級:

(1)一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷:1T設(shè)備、輔助設(shè)備:

(2)一級負(fù)荷:消防設(shè)備、公區(qū)照明:

(3)二級負(fù)荷:一般辦公負(fù)荷、機(jī)房日常清掃及維護(hù)設(shè)備。

5供電電源設(shè)計

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)共設(shè)置三種供電電源,分別為:市電電源、自備應(yīng)急電源、不間斷電源。

5.1市電電源

市電電源是數(shù)據(jù)中心的主電源,為數(shù)據(jù)中心的設(shè)備提供電力供給。根據(jù)規(guī)范,地下洞式數(shù)據(jù)中心的市電電源不僅需要滿足2N的容錯架構(gòu),還必須滿足雙重電源的要求。其中,雙重電源的要求在規(guī)范《民用建筑電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(GB51348—2019)第3.2.8條的條文說明中有詳細(xì)介紹與解釋。在方案設(shè)計階段就需要對建設(shè)點的供電情況進(jìn)行合理的調(diào)查與分析,將用電容量、回路數(shù)量及雙重電源的需求提交給當(dāng)?shù)氐墓╇姴块T,保證后期的設(shè)計與建設(shè)階段能有滿足要求的雙重電源供給。

5.2自備應(yīng)急電源

在A級數(shù)據(jù)中心中,必須配置自備應(yīng)急電源以防止突發(fā)情況導(dǎo)致市電中斷,造成數(shù)據(jù)中心癱瘓。

由于柴油發(fā)電機(jī)組的操作性較高,所以在地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計中將柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源,同時根據(jù)規(guī)范要求,柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)該按照N+1的架構(gòu)進(jìn)行冗余配置。地下洞式數(shù)據(jù)中心柴油發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)的選擇可按照表1進(jìn)行。

5.3不間斷電源

為了保障數(shù)據(jù)中心運行可靠穩(wěn)定,UPS不間斷電源被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的電源系統(tǒng)。UPS電源的作用主要包括中斷保護(hù)(可靠性)和防止電涌或持續(xù)電壓尖峰對電子信息設(shè)備的影響(抗干擾性)。

在洞式數(shù)據(jù)中心項目UPS設(shè)備的選型中,一般采用三相交流引入、三相交流輸出1GBT整流型不間斷電源設(shè)備,為保證系統(tǒng)的可靠性,要求采用大容量高頻塔式或模塊化UPS。

根據(jù)規(guī)范要求,為洞式數(shù)據(jù)中心的不間斷電源配置2N的容錯架構(gòu),系統(tǒng)電池備用時間不應(yīng)小于15min。同時,為了保證洞內(nèi)各輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,為洞內(nèi)的制冷、安防等系統(tǒng)亦配置了不間斷電源系統(tǒng),并按基本容量N配置。

6配電系統(tǒng)及運行方式

6.1高壓配電系統(tǒng)

地下洞式數(shù)據(jù)中心的高壓電源建議為10kV。根據(jù)實際的負(fù)荷容量,10kV電源可以由市政電網(wǎng)直接按提資要求(雙重電源)供給或者在場區(qū)內(nèi)自建110kV(或220kV)變電站降壓后提供。兩組10kV電源不僅需要滿足雙重電源的要求,還需要采用兩路電源同時工作、互為備用的方案,當(dāng)一路電源突發(fā)故障時,另一路電源能夠完全滿足數(shù)據(jù)中心的運行要求。

根據(jù)模塊化設(shè)計的要求,地下洞式數(shù)據(jù)中心高壓配電系統(tǒng)的設(shè)備集中設(shè)置于標(biāo)準(zhǔn)的中壓方艙內(nèi),并將此中壓方艙設(shè)置于整個項目的負(fù)荷中心,為各區(qū)域的低壓電力艙提供高壓電源。

10kV系統(tǒng)設(shè)置單母線分段的結(jié)構(gòu):同組兩路市電電源分別接至兩段母線,母線間設(shè)分段母聯(lián)斷路器(母聯(lián)具備自投手復(fù)、手投手復(fù)功能),同時,運行時兩個進(jìn)線斷路器、母聯(lián)分段斷路器間設(shè)置聯(lián)鎖,保證只能有兩個斷路器同時閉合。

6.2柴油發(fā)電機(jī)配電系統(tǒng)

依據(jù)規(guī)范并結(jié)合具體情況,地下洞式數(shù)據(jù)中心的后備柴油發(fā)電機(jī)容量應(yīng)包含洞內(nèi)所有負(fù)荷的容量,包括UPS系統(tǒng)(含1T設(shè)備和輔助設(shè)備)的容量、公區(qū)照明及其他設(shè)備的容量、機(jī)房日常清掃及維護(hù)設(shè)備的容量。目前,在具體的地下洞式數(shù)據(jù)中心工程中,柴發(fā)機(jī)組總?cè)萘枯^大(均超過10000kw),故應(yīng)采用10kV中壓機(jī)組。

根據(jù)模塊化設(shè)計的要求,項目中的柴發(fā)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化的柴油發(fā)電機(jī)方艙,并集中設(shè)置于洞內(nèi)的動力區(qū)域,且需要配置配套的油庫區(qū)域為柴發(fā)機(jī)組提供柴油的儲存及輸送功能。

同時,柴發(fā)機(jī)組按照規(guī)范要求應(yīng)設(shè)置N＋1的冗余架構(gòu)。N＋1臺中壓發(fā)電機(jī)組成系統(tǒng)并機(jī),電源輸出至洞內(nèi)10k中壓方艙的配電柜內(nèi)與兩路市電電源進(jìn)行電氣互鎖,并在需要時從市電切換到發(fā)電機(jī)組供電。

6.3低壓配電系統(tǒng)

地下洞式數(shù)據(jù)中心的低壓系統(tǒng)具有負(fù)荷種類繁多、供電形式多樣等特點,必須依照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定進(jìn)行設(shè)計才能保持供電系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

第一,低壓變配電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置VN的容錯架構(gòu):配置同規(guī)格、同容量的變壓器,每兩臺為一組,兩臺變壓器間設(shè)置低壓母聯(lián)開關(guān),互為備用。同時,在地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計中應(yīng)將變壓器設(shè)置在每條洞的負(fù)荷中心,從而降低中性線與2P線之間的電位差。

第二,低壓系統(tǒng)的接地應(yīng)采用TN-S系統(tǒng),主接線采用單母線分段運行。

第三,地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷種類較多,每種負(fù)荷應(yīng)采用符合規(guī)范要求的合理供電方式。

(1)ⅠT設(shè)備:由兩路電源、兩回線路,集中設(shè)置VN在線式U2S系統(tǒng),雙電源供電至設(shè)備。

(2)輔助設(shè)備:采用"一路市電＋一路U電"的供電方式,由兩路電源、兩回線路,集中設(shè)置U2S系統(tǒng),雙電源供電至設(shè)備。

(3)消防、公區(qū)照明等設(shè)備:由兩路市電電源供電并在末端自動切換。

(4)一般辦公負(fù)荷、機(jī)房日常清掃等負(fù)荷:由一路市電電源供電。

根據(jù)模塊化設(shè)計的要求,低壓配電系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備應(yīng)設(shè)置于標(biāo)準(zhǔn)的低壓電力方艙內(nèi),其中包括變壓器、U2S、低壓進(jìn)出線柜、有源濾波及補(bǔ)償柜、氣體滅火和電力監(jiān)控柜等。方艙內(nèi)頂部考慮布置強(qiáng)電、弱電、光纖橋架等線路敷設(shè)的路由。同時,低壓電力方艙應(yīng)設(shè)置于各自供電范圍內(nèi)的負(fù)荷中心。

6.4不間斷電源配電系統(tǒng)

設(shè)計中需要配置U2S的設(shè)備包括:ⅠT設(shè)備、安防與控制設(shè)備及輔助設(shè)備。

配置U2S系統(tǒng)時,為了減少對ⅠT設(shè)備的干擾,需要為ⅠT設(shè)備單獨設(shè)置一組不間斷電源系統(tǒng),不能與其他設(shè)備合用不間斷電源。其中,為了保證ⅠT設(shè)備供電的可靠性與可擴(kuò)展性,同時也考慮到U2S在承受較低功率因數(shù)時存在不同程度的降容運行,其輸出功率Pu應(yīng)滿足下列式子:

為ⅠT設(shè)備供電時:

為輔助設(shè)備供電時:

式中:Pu為U2S的輸出功率:Pit為ⅠT設(shè)備的額定功率:Pfz為輔助設(shè)備的額定功率。

根據(jù)規(guī)范要求,地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)ⅠT設(shè)備均由兩組U2S供電,兩組U2S按VN容錯方式配置,為每組機(jī)架提供兩路U2S電源,正常工況下每組U2S只負(fù)擔(dān)一半負(fù)荷,故障工況時單組U2S負(fù)擔(dān)全部負(fù)荷。

同時,為了保證洞內(nèi)各輔助系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,建議為洞內(nèi)的制冷、安防及控制等系統(tǒng)亦配置不間斷電源系統(tǒng),并按基本容量N配置,采用"一路市電＋一路U電"的模式進(jìn)行配電。

7照明設(shè)計

在洞式數(shù)據(jù)中心的照明設(shè)計中,首先需要對照明區(qū)域進(jìn)行劃分。以洞內(nèi)各區(qū)域的功能作為劃分依據(jù),可以將洞內(nèi)的照明區(qū)域劃分為輔助區(qū)、工作區(qū)及檢修走道區(qū)域,不同的工作區(qū)域需要根據(jù)規(guī)范設(shè)計合理的照度值,同時,工作區(qū)的照度均勻度、輔助區(qū)與工作區(qū)照度值的比值等均需要滿足規(guī)范的要求。其次,整個洞內(nèi)的照明建議設(shè)計為智能控制:采用分布式計算機(jī)控制與管理的集散型控制系統(tǒng),由控制中心進(jìn)行集中監(jiān)控。第三,各功能區(qū)域均應(yīng)設(shè)置應(yīng)急照明及疏散指示照明,且采用集中電源集中控制型的系統(tǒng)。

8線纜敷設(shè)設(shè)計

由于地下洞式數(shù)據(jù)中心的重要性,在線纜選擇時不僅要考慮其穩(wěn)定性和可靠性,還需要注意電氣防火。選擇線纜時,消防負(fù)荷采用無鹵低煙阻燃耐火交聯(lián)電纜或礦物絕緣電纜,非消防負(fù)荷采用無鹵低煙阻燃電纜,電纜耐壓等級和載流量(考慮溫度系數(shù)和并列系數(shù))滿足使用要求。敷設(shè)時,洞內(nèi)電纜沿橋架敷設(shè),出橋架后穿金屬管敷設(shè),橋架做防銹防潮整體考慮。

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)有較多的非線性負(fù)荷與單相負(fù)荷,運行中不僅容易產(chǎn)生諧波,而且較多的單相負(fù)荷也容易產(chǎn)生三相不平衡現(xiàn)象,故電力線路的中性線含三相諧波電流的疊加及三相負(fù)荷不平衡電流,實測往往等于或大于相線電流,因此所選線路的截面積應(yīng)滿足:

式中:SN為中性線截面積:SL為相線截面積。

此外,設(shè)計時應(yīng)將單相負(fù)荷均勻地分配在三相線路上,從而減小中性線電流和由三相負(fù)荷不平衡引起的電壓不平衡度。

9防雷與接地設(shè)計

9.1防雷dd磁脈沖

對于地下洞式數(shù)據(jù)中心,防雷電電磁脈沖是防雷工程的主要任務(wù)。雷電電磁脈沖產(chǎn)生的感應(yīng)浪涌電流會影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的正常工作,其產(chǎn)生的過電壓甚至能導(dǎo)致設(shè)備損壞。

在地下洞式數(shù)據(jù)中心工程中采取的防止雷電電磁脈沖的主要措施包括:屏蔽、接地與等電位連接、浪涌保護(hù)器保護(hù)。

(1)屏蔽。屏蔽是防雷電電磁脈沖的基本措施,包括空間屏蔽和線路屏蔽?？臻g屏蔽,包括利用建筑金屬構(gòu)件與防雷裝置連接形成格柵型屏蔽大空間的建筑物屏蔽,也包括利用屏蔽性能更好的金屬構(gòu)件增加機(jī)房本體及其門、窗等構(gòu)件的屏蔽性能的機(jī)房屏蔽。線纜屏蔽,通過采用屏蔽電纜或金屬管并且在線路兩端及防雷區(qū)交界處做等電位連接的方法,從而降低系統(tǒng)中的感應(yīng)浪涌。

(2)接地與等電位連接。接地起到將防雷電流泄放入地的作用:等電位連接網(wǎng)絡(luò)將各設(shè)備間的電位差減至最小,從而減小由此產(chǎn)生的磁場。

(3)采用浪涌保護(hù)器組合限制浪涌。在數(shù)據(jù)中心內(nèi),將不能進(jìn)行等電位連接的金屬導(dǎo)體,如電源線和數(shù)據(jù)線等,利用浪涌保護(hù)器與接地系統(tǒng)連接,起到限制浪涌電壓的作用。

9.2接地設(shè)計

地下洞式數(shù)據(jù)中心內(nèi)應(yīng)設(shè)置聯(lián)合接地體:變壓器中性點接地、電氣設(shè)備的保護(hù)接地、弱電系統(tǒng)等的接地共用統(tǒng)一接地體,接地電阻不大于1Ω。同時,項目內(nèi)設(shè)置總等電位連接。

在隧洞兩側(cè)敷設(shè)通長的主接地銅排(采用規(guī)格為100×5的熱鍍鋅扁鋼),并經(jīng)LEB板和結(jié)構(gòu)預(yù)埋件與洞壁結(jié)構(gòu)預(yù)留鋼筋焊接連通。隧洞內(nèi)各類金屬管道、金屬線槽、集裝箱體外殼、建筑物金屬結(jié)構(gòu)就近與接地干線進(jìn)行連接。

在各方艙集裝箱內(nèi)設(shè)置通長的接地銅排(采用規(guī)格為25×5的熱鍍鋅扁鋼),方艙內(nèi)設(shè)備外殼采用6mm2接地線與接地銅排可靠連接,接地銅排通過接地線(25×5熱鍍鋅扁鋼)接至方艙外部對應(yīng)的兩處接地端并與主接地干線連接。方艙集裝箱體外殼與內(nèi)殼的金屬構(gòu)件間應(yīng)可靠焊接,形成電氣的可靠連接。

洞內(nèi)各個接地端串聯(lián)形成環(huán)網(wǎng),最終構(gòu)成一個整體的等電位接地網(wǎng),該等電位接地網(wǎng)再通過接地體與接地網(wǎng)相連。

10結(jié)語

地下洞式數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)中心發(fā)展的新突破,也是數(shù)據(jù)中心工程在"新基建"中的全新方向,它為大數(shù)據(jù)時代的信息安全提供了傳統(tǒng)地上數(shù)據(jù)中心無法比擬的可靠保障。目前地下洞式數(shù)據(jù)中心的設(shè)計和建設(shè)均處于起步階段,本文的要點概述是通過實際工程得到的經(jīng)驗和總結(jié)。地下洞式數(shù)據(jù)中心是一個極為復(fù)雜的綜合工程,設(shè)計中的每個環(huán)節(jié)都需要研究和探索,唯有科學(xué)合理的設(shè)計才能保證數(shù)據(jù)中心的可靠、穩(wěn)定和安全。