数据中心供配电系统应用白皮书
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一 引言
任何现代化的IT设备都离不开电源系统，数据中心供配电系统是为机房内所有需要动力 电源的设备提供稳定、可靠的动力电源支持的系统。供配电系统于整个数据中心系统来说有 如人体的心脏-血液系统。
1.1 编制范围
考虑到数据中心供配电系统内容的复杂性和多样性以及叙述的方便，本白皮书所阐述的 “数据中心供配电系统”是从电源线路进用户起经过高/低压供配电设备到负载止的整个电 路系统，将主要包括：高压变配电系统、柴油发电机系统、自动转换开关系统（ATSE， Automatic Transfer Switching Equipment）、输入低压配电系统、不间断电源系统（UPS， Uninterruptible Power System）系统、UPS列头配电系统和机架配电系统、电气照明、防雷及 接地系统。如下图：
图 1 数据中心供配电系统示意方框图 高压变配电系统：主要是将市电
（6kV/10kV/35kV，3相）市电通过该变压器转换成
（380V/400V，3相），供后级低压设备用电。 柴油发电机系统：主要是作为后备电源，一
旦市电失电，迅速启动为后级低压设备提供
备用电源。 自动转换开关系统：主要是自动完成市电与市电或者市电与柴油发电机之间
的备用切 换。
输入低压配电系统：主要作用是电能分配，将前级的电能按照要求、标准与规范分配给 各种类型的用电设备，如UPS、空调、照明设备等。
UPS系统：主要作用是电能净化、电能后备，为IT负载提供纯净、可靠的用电保护。 UPS输出列头配电系统：主要作用是UPS输出电能分配，将电能按照要求与标准分配给 各种类型的IT设备。
机架配电系统：主要作用是机架内的电能分配。 此外，数据中心的供配电系统负责为空调系统、照明系统及其他系统提供电能的分配与
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输入，从而保证数据中心正常运营。 电气照明：包括一般要求，照明方
案、光源及灯具选择。 防雷及接地系统：包括数据中心防雷与接地的一般要求与具体措施。
1.2 编制依据
《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008 《电子信息机房施工及检验规范》GB50462—2008
1.3 编制原则
1．具有适应性、覆盖性、全面性的特征。 适应性——适应当前和未来一段时期数据中心的技术发展状况以及未来新技术、新产品
的发展，有关数据和资料与新设备、新材料、新技术、新工艺的发展水平相适应；符合现行 的国家标准、行业标准或规定。
覆盖性——应覆盖国内各种数据中心的供配电工程设计、施工和检验，纳入成熟的、经 过验证的应用方案、方法及设备等。
全面性——内容、体系完整。
2．定位于工程设计，具有实施的工程化特征。侧重工程设计方法和原则、系统构成、 重要技术方案的确定、参数计算和确定、设备选型与布置、投资控制及维护机构等方面的内 容。同时避免内容冗杂，通过分类提供相关标准、规范、参考资料的索引，提供深入学习和 研究的途径。
1.4 编制目的
本白皮书总结最新的数据中心供配电系统的设计/应用理论、方法和实践经验，基于国 内、国际最新的数据中心供配电系统建设标准，为中国数据中心供配电系统规划设计提供全 新的理论架构、设计逻辑和方法、评估模型与实践，希望能为中国数据中心供配电系统的建 设有所裨益。
1.5 适用范围
本书供数据中心建设运营方（包括金融、通信、政府、企业、军队、公共设施、社会机 构等）、各设计院工程技术人员、系统集/智能建筑/IT等行业技术人员参考。也可作为高校 与研究院所的参考用书。
1.6 应遵循的法规、标准、规定
本白皮书依据国家相关法律、法规以及设计标准与行业规范为基础，结合数据中心建设、
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运行、维护中的实际情况，经过多位行业专家的共同努力编制。主要参考的相法规、规范、 标准有：
1.6.1 应遵循的法律、法规
《中华人民共和国电力法》 《中华人民共和国建筑法》 《中华人民共和国节约能源法》 《中华人民共和国可再生能源法》 《中华人民共和国环境保护法》 《中华人民共和国计量法实施细则》
1.6.2 应遵循的标准、规范
《电子计算机场地通用规范》GB 2887—20000 《供配电系统设计规范》GB 50052—2009 《10kV及以下变电所设计规范》GB 50053—94 《低压配电设计规范》GB 50054—95
《3～110kV高压配电装置设计规范》GB 50060—2008 《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16—2008 《标准电压》GB/T 156—2007
《电能质量 供电电压偏差》GB/T 12325—2008 《建筑物防雷设计规范》GB 50057—2000
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343—2004 《电子计算机场地通用规范》GB/T 2887—2000 《民用建筑电气设计规范》JGJ/T 16—2008 《绿色建筑评价标准》GB/T 50378—2006 《智能建筑设计标准》GB/T 50314—2006 《电力工程电缆设计规范》GB 50217—2007 《建筑照明设计标准》GB 50034—2004 《建筑设计防火规范》GB 50016—2006 《高层民用建筑设计防火规范》GB 50045—2005
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二 术语
2.0.1 数据中心 DataCenter
数据中心通常是指在一个物理空间内实现信息的集中处理、存储、传输、交换、管理， 而计算机设备、服务器设备、网络设备、存储设备等通常认为是网络核心机房的关键设备。 关键设备运行所需要的环境因素，如供电系统、制冷系统、机柜系统、消防系统、监控系统 等通常被认为是关键物理基础设施。
2.0.2 主机房 computer room
主要用于电子信息处理、存储、交换和传输设备的安装和运行的建筑空间。包括服务器 机房、网络机房、存储机房等功能区域。
2.0.3 辅助区 auxiliary room
用于电子信息设备和软件的安装、调试、维护、运行监控和管理的场所，包括进线间、 测试机房、监控中心、备件库、打印室、维修室等区域。
2.0.4 支持区 support area
支持并保障完成信息处理过程和必要的技术作业的场所，包括变配电室、柴油发电机房、 UPS 室、电池室、空调机房、动力站房、消防设施用房、消防和安防控制室等。
2.0.5 行政管理区 administrative area
用于日常行政管理及客户对托管设备进行管理的场所，包括工作人员办公室、门厅、值 班室、盥洗室、更衣间和用户工作室等。
2.0.6 冗余 Redundancy
冗余是重复配置系统的一些部件，当系统中某些部件发生故障时，冗余配置的部件介入 并承担故障部件的工作，由此减少系统的故障时间。
2.0.7 N-基本需求 Base requirement
系统满足基本需求，没有冗余。
2.0.8 N+X 冗余N+X redundancy
系统满足基本需求外，增加了X个单元、X个模块、X个路径或X个系统。任何X 个单 元、模块或路径的故障或维护不会导致系统运行中断。(X=1～N)
2.0.9 容错 Fault tolerant
容错系统是具有两套或两套以上相同配置的系统，在同一时刻，至少有两套系统在工作， 每套系统是(N+M,M=O～N)结构。按容错系统配置的场地设备，至少能经受住一次严重的突 发设备故障或人为操作失误事件而不影响系统的运行。
2.0.10 保护性接地 Protective earthing
以保护人身和设备安全为目的的接地。
2.0.11 功能性接地 Functional earthing
用于保证设备（系统）正常运行，正确地实现设备（系统）功能的接地。
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三 概述
3.1 一般要求
数据中心业务对的供配电系统的总体要求概括起来主要是：连续、稳定、平衡、分类。 （1）连续就是指电网不间断供电。但瞬时断电的情况时有发生，断电是否会影响IT设备 的正常运行，可参照ITIC-1100（ITIC, Information Technology Industries Council）的曲线。 在数据中心的供配电系统中，合适的UPS型号与组网方式保证数据中心面对毫秒级至分钟的 市电异常时不会有任何中断，对于大时间尺度（如小时级，天级）的市电异常，则需要备用 市电系统或者柴油发电机系统的保护。
下图中深灰色的区域为高压可能损坏设备的区域，而浅灰色的区域为低压导致设备不能 正常工作但不会损坏设备的区域，只有白色的区域才是设备正常工作的区域。
图 2 ITIC-1100 曲
线
（2）稳定 所谓稳定主要指电网电压频率稳定，波形失真小，如下表：
表1 GB 50174—2008对于电网稳定性的要
求
要求供电电源的质量稳定的原因是为了保证数据和设备的安全。上表中各项稳态指标的 提出就实质上意味着数据中心机房必须配置UPS，因为市电电网无法长时间处于上述指标之
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内，只有UPS的输出才会如此稳定。
（3）平衡 主要是指三相电源平衡，即相角平衡、电压平衡和电流平衡。要求负载在三 相之间分配平衡，主要是为了保护供电设备（如UPS）和负载。
（4）分类 所谓分类就是对IT设备及外围辅助设备按照重要性分开处理供配电。分类的 实质源于各负荷可靠性要求的不一致。为不同可靠性要求的负荷配置不同的供配电系统，能 够在保证安全的前提之下有效地节约成本。
3.2 负荷分级
按照《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008的要求，电子信息系统机房用电负 荷等级及供电要求应根据机房的等级，按现行国家标准《供配电系统设计规范》GB50052 及 GB 50174—2008附录A 的要求执行。
GB 50052—95将工业企业电力负荷分为如下三级：一级负荷，二级负荷与三级负荷。 数据中心的类型，仍应与工业企业负荷分级相一致。主要取决于其工作性质。 针对计算机系统的工作性质及对供电可靠性的要求，严格区分其负荷性质，是十分必要 的。对于那些不允许停电的计算机系统，即使供电属于二、三级的用户，也需要建立不停电 供电系统或相应提高供电等级。
GB 50174—2008关于负荷分级条文说明如下：
A级电子信息系统机房的供电电源应按一级负荷中特别重要的负荷考虑，除应由两个电 源供电(一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏)外，还应配置柴油发电机作为 备用电源。B级电子信息系统机房的供电电源按一级负荷考虑，当不能满足两个电源供电时， 应配置备用柴油发电机系统。C级电子信息系统机房的供电电源应按二级负荷考虑。
3.3 电能质量要求
按照《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008的要求，电子信息设备供电电源质 量应根据电子信息系统机房的等级，按GB 50174—2008附录A 的要求执行。
同时，GB50174-2008第8·1·7条规定“电子信息设备应由不间断电源系统供电”，因 此UPS电源的输出质量决定了电子信息设备的供电电源质量，本规范采纳了现行行业标准
《通信用不间断电源一UPS》YD/Tl095一2008中有关电源质量的指标。
表2 在线式UPS电气性能要求（数据来源：YD/T 1095—2008通信用不间断电源—UPS）
序 号 指 标 项 目 输入电压可变范围 输入功率因数 输入电流谐波成份 技 术 要 求 Ⅰ 165V-275V 285V-475V ≥0.95 Ⅱ 176V-264V 304V-456V ≥0.90 <15% Ⅲ 187V-242V 323V-418V — — 相电压 线电压 备 注 1 2 3 <5% 规定 3～39 次 THDA 欢迎下载，希望对您有帮助！
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4 输入频率 频率跟踪范围 频率跟踪速率 输出电压稳压精度 输出频率 50Hz±4% 50Hz±4%可调 （0.5-2）Hz/s ±2% （50±0.5）Hz ≤2% ≤4% ≤3% ≤6% ≤5% ±5% ≤20ms ±3% 5 6 7 ±1% 电池逆变工作方式 8 9 输出波形失真度 输出电压不平衡度 动态电压瞬变范围 瞬变响应恢复时间 输出电压相位偏差 市电电池切换时间 ≤5% ≤8% 组性负载 非线性负载 10 ≤60ms 电池逆变工作方式 11 12 ≤40ms ≤2° 0ms 13 <4ms 14 15 旁路逆变切换时间 <1ms <2ms <4ms ＞3kVA ≤3kVA 额定输出功率 50%输出功率 <1ms 电源效率 输出有功功率 输出电流峰值系数 过载能力（125%） 音频噪声 并机负载电流不均衡度 <8ms 16 ≤10kVA ≥82% ＞10kVA ≥90% 17 ≥60KVA ≥88% ≥额定容量×0.7KW/KVA ≥3 18 19 20 10min 1min 30s <55dB（A） <60dB（A） <70dB（A） ≤5% 对有并机功能的 UPS 21 欢迎下载，希望对您有帮助！
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四 数据中心用电设备电源系统概述
建设合理的数据中心供配电系统必须先详细了解供配电系统的服务对象—数据中心IT 设备及其电源系统。数据中心的IT设备主要是服务器、路由器、网络交换机、存储器等等， 但主要的耗电设备是服务器（Server）。因此，了解服务器及其电源系统的特点对合理设计、 管理数据中心具有十分重要的意义。
4.1 服务器电源系统标准简介
服务器电源按照标准可以分为ATX（Advanced Technology Extended）电源和SSI（Server System Infrastructure）电源两种。ATX标准使用较为普遍，主要用于台式机、工作站和低端 服务器；而SSI标准是随着服务器技术的发展而产生的，适用于各种档次的服务器。
1. 强制性标准（电源必须满足的标准） 电气安全方面：《信息技术设备（包括电气事务设备）的安全》GB 4943—2001（等同
IEC 950），产品不仅要符合该标准的要求，而且还必须能够获得权威机构的认可才能够进 行生产和销售，也就是通常所说的安全认证。
电磁兼容方面：《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》GB 9254—1998（等同 CISPR 22:1997）。该标准主要对产品产生的传导干扰和辐射干扰提出了限制。其目的就是 要求产品在使用时，不能干扰其他设备的正常运行。
谐波电流方面：《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）》 GB 17625.1-1998（等同IEC 61000-3-2:1995）。该标准是针对产品对电网造成的影响而制定 的。
国内目前需要对电源产品进行3C（China Compulsory Certificate）强制认证。 国际上遵循的标准主要为UL60950-1； FCC Class B Part 15；EN55022/CISPR*； EN55024；EN 61000-4-2；ANSI C62.41； ANSI C62.45；ANSI C63.4；AB13-94-146； EMKO-TSE（74-SEC）207/94等。
2. 非强制性的标准（推荐标准） 电磁兼容方面：《信息技术设备抗扰度限值和测量方法》GB/T 17618—1998（等同CISPR
24:1997），该标准与《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》GB 9254—2001其实是 产品电磁兼容性的两个方面，GB 9254着眼于产品发出的干扰，而GB 17618则是产品应具备 的抗干扰能力，只有同时满足这两方面的要求才算完善的产品，才能保证不同的设备同时使 用时不会互相影响。
综合性：《微小型计算机系统设备用开关电源通用规范》GB/T 14714-2008是我国专门 针对计算机电源产品编写的一份国家的标准，它的内容涉及产品的技术要求、实验方法、检 验规则、标志、包装、运输、储存等等内容。
3. 企业标准（Intel关于服务器电源相关设计文件）
Intel 关于PC和服务器电源相关设计文件是目前PC和服务器电源领域重要的产品设计
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参考。相关文件从外形结构、接口定义到各个输入输出参数的定义和设定，几乎涵盖电源所 有特性。
1）ATX标准
Intel在1997年推出了ATX电源规范。ATX标准的电源与以往电源相比，在可控性、可管 理性以及散热、机箱布局等方面做了很多改进。
ATX电源是目前PC和服务器中普遍使用的标准电源，包括单电源、冗余电源两种规格。 单电源系统功率在145～400W之间，最多可以提供对双处理器系统的支持。这种电源主要使 用在PC和低档服务器上，而在高档服务器中为了满足供电需求，大多采用冗余电源系统， 即冗余热插拔电源，可以在线更换。在服务器系统中应用冗余电源，可以大大提高整个服务 器系统的可靠性和可用性。这种电源的功率一般在每模块175W以上，有1+1、2+1、3+1等 多种规格。
2）SSI电源规范 就电源而言，随着IA服务器市场的不断扩大，IA服务器的应用领域也更宽，应用环境
也更复杂。于是，对IA服务器电源系统的负载能力、安全性、扩展性和通用性等方面提出 了更高的要求。为此，Intel联合一些主要的IA架构服务器生产商推出了新型服务器电源规范
--SSI规范。SSI规范的推出是为了规范服务器电源技术，降低开发成本，延长服务器的使用 寿命而制定的，主要包括服务器电源（Power Supply）规格、背板系统（Electronic Bays）规 格、服务器机箱系统规格和散热系统规格。
4.2 服务器电源对于数据中心供配电系统设计的基础意义
服务器电源是整个数据中心供配电系统建设的出发点和归宿点，了解服务器电源的相关 外特性对于数据中心的供配电系统建设具有基础的意义。充分了解服务器电源的容量、冗余 方式、制冷要求和能效设计等主要指标对于数据中心供配电系统的设计是完全必要的。
1. 服务器电源容量 考察业界某知名厂商的一款电源的铭牌：
图3 业界某知名厂商的一款电源的铭牌 此处需要特别强调的是：INPUT（输入） 中
220V是服务器电源额定输入电压而4A 指
的是最大额定输入电流能力，表征电源在最低输入工作电压时的最大输入电流能力，因此， 直接用输入额定电压×输入额定最大电流来表征额定输入功率是是不正确的。
OUTPUT（输出） 250W MAX，这个参数才是该服务器电源最大输出功率，这个参数
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通常只有在服务器电源铭牌上才能看到，因此这个参数也被称为铭牌功率（Nameplate Rating），这个参数对设计才具有确实的意义。 负载的容量
并不直接等同于服务器电源的最大输出功率。
图4 服务器电源容量与效率曲线 上图
右平面从右至左有三根垂直的直线，对应服务器的三种工况： 铭牌功率：指的是服务器电源铭牌功率。
最大工况设置： 指的是服务器系统工作在最大用电负荷时耗电功率。 CPU 100%利用率典型工况：CPU工作在100%利用率时耗电功率。 从图中可以注意到服务器最大的功率消耗是铭牌额定值的80%，这是因为服务器厂家在
选择电源时也宽放了大致20%的裕量。而CPU 100%利用率典型工况是铭牌额定值的67%。 事实上服务器正常工作时的能耗还小于该值。
因此，在具体的设计工作中，这种裕量和工况差异也建议数据中心设计者纳入考虑。 2. 服务器电源冗余 服务器设备中广泛使用两个或两个以上的电源同时供电，这种多电源供电技术的名称为
“冗余电源（Redundant Power supply）”。
1）冗余电源的系统结构 冗余电源系统采用输入总线、负载总线和共享总线的“三总线”的电路结构，如图10-9。
电源1、电源2 … 电源n为热插拔电源模块，它们以并联方式相连接，C1、C2 … Cn为各电 源模块的控制模块，S1、S2 … Sn为受控调节器，SENSE1、SENSE2 … SENSEn为电源检测 信号，FB为负载电压反馈信号。
系统正常工作时，控制模块通过调整电源1-n的工作参数，使系统均衡地使用每个电源 模块——每个电源模块向系统提供相同的电流，这种工作模式称为“电流共享”；或者控制受 控调节器使得某一个/组电源工作，其余个/组电源备份。
冗余电源系统中的每个供电模块均可以热插拔，一旦某个供电模块损坏，就能在不停电 情况下完成维修工作，而丝毫不影响系统的正常工作。热插拔（hot-swapping）是指将模块、 板卡或电源等设备带电“接入”或“移出”正在工作的机器。
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图5 服务器冗余电源系统结构图
2）冗余电源的对于前端供配电系统的要求 服务器冗余电源系统最终都可以归结到双电源系统上。服务器冗余电源（双电源系统）
设计为提高服务器本身供电的可靠性提供了可靠的物质基础。如果双电源服务器的每一路电 源都能够通过独立的供电路由找独立的能量源取电，就能够获得最高的可靠性。所以关键点 是供电路由独立和能量源独立。
UPS系统（服务器的能量源），其传统供电方案，如单机/串联热备份/N+1直接并机等 都不能做到能量源相互独立，与之相配套的供电路由也相应的无法独立，也就是说每个环节 都存在着明显的单点故障，因此无法和服务器的双电源结构进行匹配。所以，2N/2（N+1） 的供电结构正是基于服务器冗余电源结构而兴起的供电解决方案。
图6 2N供电结构示意图
3. 服务器电源能
效
计算机/服务器电源的能效一直是近几年来业界最为人关注的主题之一，业界关于计算 机/服务器的能效也取得了很多成果。
“能源之星”针对计算机电源的要求也在不断升级。“能源之星”4.0版规范的自2007 年7月20日开始生效，要求台式机在待机和休眠模式下的功率消耗分别不超过2.0 W和4.0 W， 且对空闲（Idle）状态下的功率消耗也作出了规定（A类≤50.0 W；B类≤65.0 W；C类≤95.0
W）；而在20%、50%和100%负载条件下的效率最低达80%。此外，更新的5.0版规范第一阶 段要求将于2009年7月1日开始生效，将要求使用内置电源的计算机在50%负载条件下工作效 率最低达85%，而在20%和100%负载条件下最低效率达到82%。
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业界还涌现了新的节能要求，如吸引了诸多知名计算机厂商参与的计算产业气候拯救行 动（CSCI）的要求，如下表所示。
表4 CSCI提出的计算机电源最低能效要求实现时间表
表5 Intel 针对服务器电源在2008年对电源的效率要求
项目 EPS12V,EPS1U, 电压（交流） 100%负载 115V 82% 50%负载 85% 20%负载 82% 10%负载 无 EPS2U ERP12V,ERP1U, 230V 85% 89% 85% 77% ERP2U 欢迎下载，希望对您有帮助！
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五 数据中心高压配电系统
数据中心高压变配电系统是数据中心供配电系统联系市电供电网络和用户的中间环节， 它起着变换和分配电能的作用。从电压等级而言，该系统主要会涉及到35kV/10kV/6kV/3kV 等电压等级。
5.1 电压选择
1．标准电压 数据中心的高压变配电系统电压主要根据用电容量、用电设备特性、供电距离、供电线
路的回路数、当地公共电网现状及其发展现状等因素综合考虑决定。 根据国家标准《标准
电压》GB/T 156—2007（该标准基本对应IEC60038：2002），我 国三相交流系统的标称电压、相关的设备最高电压如下表：
表6 系统标称电压和设备最高电压
系统标称电压（KV） 0.22/0.38 0.38/0.66 1/（1.14） 3（3.3） 6 10 20 35 注1：上述电压均为线电压。 注2：数据中心供电系统涉及的电压等级最高一般不超过35kV。 注3：GB/T 156-2007规定3-6kV不得用于公共配电系统。
设备最高电压（KV） 3.6 7.2 12 24 40.5 2．送电能力 不同电压等级线路由于受制于线路种类和供电距离，其送电的能力也各不相同，如下表： 表7 各级电压线路送电能力（数据来源：《工业与民用配电设计手册》，第三版）
） 标称电压（kV 6 6 10 10 35 35 线路种类 架空线 电缆 架空线 电缆 架空线 电缆 送电容量（MW 0.1-1.2 3 0.2-2 5 2-8 15 供电距离（kM ） 15—4 3 以下 20—6 6 以下 50—20 20 以下
5.2 高压系统中性点运行方式
电力系统中性点接地是一个比较复杂的综合技术问题，它与系统的供电可靠性、人身安 全、设备安全、绝缘水平、过电压保护、继电保护和自动装置的配置及动作状态、系统稳定
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及接地装置等问题有密切关系。电力系统的中性点系指电力系统三相交流发电机、变压器接 成星形的公共点，而电力系统中性点与大地间的电气连接方式，称之为电力系统中性点接地 方式。电力系统中性点接地方式是保证系统运行、系统安全、经济有效运行的基础。
电力系统中性点接地方式分为三种：中性点不接地、中性点经阻抗（电阻或消弧线圈） 接地以及中性点直接接地等。前两种被称为非有效接地系统或小电流接地系统，后一种被称 为有效接地系统或大电流接地系统。如何确定电力系统中性点接地方式应从供电可靠性、内 过电压、对通信线路的干扰、继电保护以及确保人身安全诸方面综合考虑。
基本上，我国电力系统的中性点运行方式范围分布如下图：
图9 我国电力系统的中性点运行方式范围分布
图 下面分别讨论三种方式的特点及应用。
1）中性点不接地的运行方式 中性点不接地的运行方式，即电力系统供电电源的中性点不与大地相连接。一般适用于 3kV~63kV的电力系统。
图 10 中性点不接地系统正常运行的电路图和相量图 正常运行时：UA＋UB
＋UC＝0；IA＋IB＋IC＝0。三相电压对称，三相导线对地电容电流
也是对称的，三相电容电流相量之和为零，这说明没有电容电流经过大地流动。
当电力系统发生单相接地故障时（图例为A相接地），如下图：
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图11 单相接地时中性点不接地系统电路图和相量图
① 相电压：A相接地时，对地电压为零。而B相对地电压UB′= UB –UA= UBA，与此同 时，C相对地电压UC′= UC –UA= UCA。以上公式意味着B、C对地电压由正常运行的相电压 升高为线电压。所以电气绝缘应该按照线电压来考虑。
② 线电压：A相接地时，线电压没有发生改变，因此三相用电设备不会受到影响。但 不允许这种工况长期运行，如果再有一相发生短路形成大的短路电流是不允许的。一般地， 单相接地的工况运行时间不超过2小时。
③ 系统接地电流：A相接地时，系统接地电流为Ia=–（Ib＋Ic），从而
Ia = 3I C . A 3
=
′ U c= 3 X C
3U c
= 3I a 0
X C
即单相接地时的接地电容电流为正常运行时的每相对地电容电流的3倍。一般地，如果 接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。如果接地电流大于5A~30A，
则有可能形成间歇性电弧；容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.5~3）Uϕ，将危害整 个电网的绝缘安全。
2）中性点经消弧线圈的运行方式
为了防止3-63kV电网单相接地短路时在接地点产生断续电弧，引起过电压，因此在单 相接地电容电流Ic大于一定值（3-10kV系统中Ic大于30A，20kV及以上系统中时Ic大于10A） 时，电力系统的电源中性点必须采用经消弧线圈接地的运行方式。
中性点经消弧线圈接地（谐振接地）是在系统中性点加一特殊电抗器接地的电力系统， 消弧线圈是一具有铁芯的电感线圈，其阻值小，电抗很大。当发生单相接地故障时，可产生 一个电感电流，此值与电容电流值相近，方向相反。因此可对电容电流进行补偿。如果消弧 线圈选用合适，能使得接地电流小于最小生弧电流，那么电弧就不会产生，也不会产生谐振 过电压。
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图12 单相接地时中性点经消弧线圈接地系统电路图和相量
图 非有效接地系统或小电流接地系统的优缺点可总结如下： 优点：
① 供电可靠性高。由于系统单相接地时，没有形成电源的短路回路，而是经过三相线 路的对地电容形成的电流回路，回路中通过的电容电流较小，达不到继电保护装置的动作电 流值，故障线路不跳闸，只发出接地报警信号。有关电力规程规定系统可带单相接地故障点 运行2h，在2h内排除了故障就可以不停电，从而提高了供电可靠性。
② 单相接地时，不易造成或轻微造成人身和设备安全事故。 缺点：
① 因系统单相接地故障时，非故障相对地电压升高到正常时的 重，所以此种接地方式对电压较高的系统不适用。
② 单相接地时，易出现间歇性电弧引起的谐振过电压，幅值可达电源相电压的2.5～3 倍，足以危及整个网络的绝缘。中性点经消弧线圈的运行方式可相对有效的解决该问题。
3）中性点直接接地的运行方式 中性点和大地有紧密联系的电力系统中，无论是中性点直接接地，还是经小电阻接地，
均需满足系统的零序电抗（X0）和正序电抗（X1）的比值（X0/X1）≤3，零序电阻（r0）和 正序电抗（X1）的比值（r0/X1）≤1的条件。
因此系统的绝缘3 倍，
水平应按线电压设计，由于电压等级较高的系统中绝缘费用在设备总价格中占有较大的比
图13 单相接地时中性点经直接接地系统示意图 一般来说，该方
式供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。为提
高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。电气设备的绝缘水平只需按 电力网的相电压考虑，可以降低工程造价。我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地
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方式，主要是从人身安全考虑问题。 该系统的优点是过电压水平和输变电设备所需的绝缘
水平较低。这种系统的动态电压升
高不超过系统额定电压的80%。该系统缺点是发生单相接地故障时，单相接地电流很大，必 然引起断器路跳闸，因而供电可靠性较差。单相接地电流有时会超过三相短路电流，影响断 路器分断能力的选择，并对通信线路产生干扰及危险影响。
5.3 高压变配电系统主接线
变配电所高压系统的主接线的基本形式通常分为有汇流母线和无汇流母线两大类。汇流 母线主要起汇集和分配电能的作用，也称汇流排。
有汇流母线：单母线、单母线分段，双母线，双母线分段；增设旁路母线或旁路隔离开 关，一倍半断路器接线，变压器母线组接线等。
无汇流母线：单元接线、桥形接线、角形接线等。 典型的主接线形式如下表：
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表 8 典型主接线形式一览表
形式 单 母 线 接 线 接线示意图 接线描述 ◇电源进线和所有引出线都 汇接于同一组母线上。 ◇母线配置有隔离开关和空气 开关以便于电气保护和日常维 护。 特点与应用 ◇简单、清晰、设备 少； ◇运行操作方便且有 利于扩建； ◇可靠性与灵活性不 高； ◇适于出线回路少的 小型变配电所，10kV 配电装置出线回路数 不超过 5 回；35kV 不 超 3 回。 ◇一般供三级负荷。 ◇两路电源进线的单 母线接线可供二 级负荷。 ◇采用两路电源进线可以有效 提高供电可靠性。 ◇ 两路电源必须实行操作联 锁。 ◇只有在工作电源进线断路器 断开后，备用电源断路才能接 单 母 线 分 段 接 线 通。 ◇有两种运行方式： 分段断路 器接通运行 ；分段断路器断 开，分段单独运行。 ◇简单、清晰、设备少； ◇ 运行操作方便且有利于扩 建。 ◇ 缩小了母线故障的影响范 围，可靠性有所提高。 ◇母线分段的数目，通 ◇旁路母线的作用◇不停电检修进出线断路器。 ◇ 中小型发 电厂和 35~110kV 的变 电所。 ◇接线复杂，操作繁 琐；造价高。 ◇6~10kV 配电装置 出线 6 回及以上； ◇35kV 出线数为 4~8 回； ◇110~220kV 出线数 为 3~4 回 ◇可供一级负荷。 单母线 分段 加装 旁路 母线 接线 欢迎下载，希望对您有帮助！
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（续上）
形式 线路 / 变压器 组单元 接线 接线示意图 特点与应用 ◇正常运行时，两路电源及主变同时工作，变压器二次侧母联 断路器 QF3 断开运行。一旦任一主变或任一电源进线故障 或检修时，主变两侧断路器就在继电保护装置的作用下自 动断开，QF3 自动投入，即可恢复整个变电所的供电。 ◇双回线路一变压器组单元接线可供一、二级负荷。 桥式 接线 ◇电源线路投入和切除时操作简便，变压器故障时操作较复杂。 ◇内桥接线适于电源线路较长、变压器不需经常切换操作的情 况。 桥式 接线 ◇外桥接线运行特点正好和内桥接线相反，电源线路投入和切 除时操作较复杂，变压器故障时操作简便。 ◇外桥接线适于电源线路较短、变压器需经常切换操作的情况。 当系统中有穿越功率通过变电所高压侧时或两回电源线路 接入环形电网时，也可采用外桥式接线。 ◇桥式接线比分段单母线结构简单，减少了断路器的数量，造 价低，有一定的可靠性与灵活性，易发展。桥式接线广泛 用于 35～110kV 变电所中，但由于其操作不便，不适于 10kV 及以下变电所采用。
5.4 高压变配电系统配电网接线
高压配电网是指从总将压变电所至各功能变电所和高压用电设备端的高压电力电路，起 着输送与分配电能的作用。
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表 9 配电网接线形式一览表
形式 放 射 式 单 回 路 接线示意图 应用 ◇一般供二、三级负荷或专用设 备，供二级负荷时宜有备用 电源。 特点 ◇放射式接线的特点是配电母 线上每路或两路馈电出线 仅给一个负荷点单独供电。 ◇放射式线路故障影响范围小， 因而可靠性较高，而且易于 控制和实现自动化，适于对 重要负荷的供电。 放 射 式 双 回 路 ◇可供二级负荷，若双回路来自 两个独立电源，还可供一级 负荷。 树 干 式 ◇只可供三级负荷。 ◇树干式接线的特点是配电母 线上每路馈电出线给同一 方向的多个负荷点供电。 ◇线路及其开关电器数量少，投 资省，但可靠性不高，不便 实现自动化。 ◇为减少干线故障时的停电范 围，每回线路连接的负荷点 数不宜超过 5 个，总容量不 超过 3000KVA。 单 回 路 树 干 式 双 回 路 ◇可供二级负荷。 普 通 环 式 ◇可供二三级负荷 ◇环式接线又称环网接线，其特 点是把两回树干式配电线 路的末端或中部连接起来 构成环式网络。 ◇环网线路的分支（环网节点） 通常采用由负荷开关或电 缆插头组成的专用环网配 欢迎下载，希望对您有帮助！
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拉 手 环 式 ◇可供二级负荷 电设备。 ◇ 环式接线 一般采用开 环 运 行。 ◇ 环式接线供电可靠性较高， 目前在城市配电网中的应 用越来越广。
5.5 高压配电一次接线典型方案
1．一路供电电源、一台变压器的 10kV 变电所 主接线典型方案如下图：变压器一次侧采用线路-变压器组单元接线，二次侧采用单母 线接线。
图14 一路供电电源、一台变压器的10kV变电所主接线典型方案
◇变压器一次侧采用线路一变压器组单元接线，二次侧采用单母线接线。
◇设专用电能计量柜，柜中设专用的、精度等级为0.2级的互感器（CT）。（注：该互 感器不得与保护、测量回路共用）。
◇高压侧设置电压测量柜以测量、监视电压，并提供交流操作电源。
◇变压器的控制及保护采用负荷开关与熔断器组合电器，而未采用高压断路器，以降低 投资和简化二次接线 。
◇低压进线总开关和低压出线开关均采用低压断路器，可带负荷操作且恢复供电快。 ◇变电所的负荷无功补偿采用低压母线集中补偿方式，选用低压成套无功自动补偿装 置，与其他低压开关柜并排安装。
2．一路供电电源、两台或以上变压器的 10kV 变电所 主接线典型方案如下图：变压器一次侧采用单母线接线，二次侧采用单母线分段接线。 ◇10kV侧采用单母线接线。
◇高压开关柜采用户内金属铠装移开式开关柜，柜内配置真空断路器。 ◇高压侧设有专用电能计量柜和电压测量柜。 ◇低压侧采用单母线分段接线。 ◇低压开关柜采用GCK低压抽出式柜。
◇两台变压器为互为备用运行方式，正常运行时，低压母联断路器断开。
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图15 一路供电电源、两台或以上变压器的10kV变电所主接线典型方案 3．两路供电电源的 10kV 变电所 主接线典型方案如下图：变电所有两路外供电源供电。
◇变压器一次侧采用单母线分段接线，二次侧也采用单母线分段接线。 ◇两路电源均设置电能计量柜。
◇备用电源的投人方式可采取手动投入，也可采取自动投入。
◇低压进线柜放置在中间，而低压出线柜则放置在两侧，以便于扩建时添加出线柜。
图16 两路供电电源、两台或以上变压器的10kV变电所主接线典型方案
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六 数据中心低压配电系统
数据中心的低压配电设计特指频率50HZ，交流电压1200V及以下的配电方案及产品设 计。主要由两部分组成：一部分由UPS及机房空调、照明、动力等系统的输入配电系统组成， 本白皮书统称为数据中心输入低压配电系统；另一部分由UPS输出配电系统组成，本书称之 为UPS输出低压配电系统。这两个部分的建设都必须满足几乎相同的国家或者行业的法规与 条文，但从工程实践上看，这两个部分的建设方式和建设理念等有很大的不同。
6.1 低压电器设备概述
低压系统的建设首先涉及到的就是低压电器设备，低压电器通常是指工作在交流1200V 或直流1500V以下的电器，在供电系统和用电设备的电路中起保护、控制、调节、转换和通 断作用。
分类：
1）配电保护用电器：用于电力网系统，主要是指低压熔断器、低压隔离电器（刀开关、 隔离开关、负荷开关等）、低压断路器（自动开关）等。技术要求是通断电流能力强、限流 效果好、保护性能好、抗电动力和热耐受性好。
2）控制用电器：用于电力拖动及自动控制系统，主要是接触器、启动器和各种控制继 电器、主令电器等。技术要求是有相应的转换能力、操作频率高、电寿命和机械寿命长。
本书主要就数据中心常用的配电保护用电器设备作简要介绍。
6.1.1 低压隔离电器
1．定义： 电气设备带电部分进行维修时，隔离器分断能保证将电路中的电流通路切断，并保持有
效的隔离距离，一般规定660V及以下隔离距离应大于25mm，对地距离不小于20mm。但不 起频繁接通和分断电气控制线路的作用。
2．分类：隔离器、刀开关、负荷开关、刀熔开关
1）隔离器（开关）一般属于无载通断电器，只能接通或分断“可忽略的电源”，但有一 定的载流能力。
2）刀开关主要供无载通断电路使用，当满足隔离功能时可用来隔离电源。
3）隔离开关结构设计变化后（增加灭弧和耐受能力等），可作为开断小容量过载电流 使用，称负荷开关。
图17 刀开关 图18 负荷开关
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4）负荷开关和熔断器串联组合成一个单元，简称刀熔开关，具有隔离和故障保护功能。 在一定的范围内可替代低压断路器。
5）低压隔离电器按极数可分为单极和多极刀开关，按切换功能（位置）可分为单投和 双投刀开关，按操纵方式又可粗分为中央手柄式、侧面操作式、带连杆机构式等。
3．主要技术参数 根据组合开关型号可查阅更多技术参数，表征组合开关性能的主要技术参数有：
1）额定电压 额定电压是指在规定条件下，开关在长期工作中能承受的最高电压。 2）额定电流 额定电流是指在规定条件下，开关在合闸位置允许长期通过的最大工作 电流。
3）通断能力 通断能力指在规定条件下，在额定电压下能可靠接通和分断的最大电流 值。
4）机械寿命 指在需要修理或更换机械零件前所能承受的无载操作次数。
5）电寿命 指在规定的正常工作条件下，不需要修理或更换零件情况下，带负载操作 的次数。
4．低压隔离电器选用 选用低压隔离电器时，其额定电流应为低于被隔离电路中各负载电流的总和；用于控制
电动机时，其额定电流一般取电动机额定电流的1.5~2.5倍。 应根据电气控制线路中实际
需要，确定组合开关接线方式，正确选择符合接线要求的低 压隔离开关规格。
6.1.2 低压断路器
1．低压断路器定义 低压断路器也俗称自动空气开关，用来接通和分断负载电路，具有过载和短路保护等功
能，是电网中一种重要的保护电器，是数据中心低压配电系统重要的组成部分。
2．低压断路器工作原理 断路器实现过载及短路保护，主要是靠断路器内部的脱扣器来完成上述功能的。目前应
用的断路器脱扣器主要有两种：热磁脱扣器和电子脱扣器。 热磁脱扣器包含热脱扣、电磁
脱扣两个功能。热脱扣是通过双金属片过电流延时发热变
形推动脱扣传动机构，主要完成断路器的过载保护；磁脱扣是通过电磁线圈的短路电流瞬时 推动衔铁带动脱扣，用来完成断路器的短路保护。
电子脱扣器也包含过载及短路保护功能，并可以方便地进行整定。电子脱扣器就是用电 子元件构成的电路，用来检测主电路电流，放大、然后推动脱扣机构动作来实现保护。
热磁脱扣器性能稳定且不受电压波动影响、寿命长、灵敏度低、不易整定，一般用于200A 以下小容量断路器。电子脱扣器功能完善、灵敏度高、整定方便、但是相对容易受到受电源 影响，主要用于大容量断路器。
3．低压断路器的分类
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断路器分类方式有很多种。 按照结构构造不同，将断路器分为如下几种类型：微型断路器、塑壳断路器、框架断路 器。
微型断路器： Miniature Circuit Breaker，简称MCB。容量以1～63A为主。 塑壳断路器：Moulded Case Circuit Breaker，简称MCCB，容量以80～800A为主。 框架式断路器：Air Circuit breaker，简称ACB，容量以800A～3200A为主。
图10-19 从左至右依次为：微型断路器，塑壳断路器，框架式断路器）
4．低压断路器主要技术参数 1）额定电压
①额定工作电压：是指与通断能力以及使用类别相关的电压值，对多相电路是指相间的 电压值。分断能力与电压大小有关系。
②额定绝缘电压：在任何情况下，最大额定工作电压不能超过额定绝缘电压。断路器额 定绝缘电压与介电性能试验电压、爬电距离等有关。
③额定冲击耐受电压：电器在规定试验条件下能耐受具有规定波形和特性的冲击电压峰 值而无故障。额定冲击耐受电压与电气间隙等有关。额定冲击耐受电压应等于或大于该电器 所处电路中可能产生的瞬态过电压。
2）额定电流
①额定不间断电流Iu ：是额定持续电流，是电器在不间断工作制中能够承载的电流。 ②断路器壳架等级额定电流：是基本几何尺寸相同和结构相似的框架或塑料外壳中能承 载的最大额定电流。
③脱扣器电流整定值In （或Ir） ：在规定的脱扣器和电流条件下，断路器工作的电流。 ④约定发热电流 Ith ：是大气中不封闭电器用作温升试验的试验电流最大值。（无通 风和外来辐射的大气条件）
⑤额定短时耐受电流：在规定实验条件下短时能承载而不损坏的电流值，短时时间为 0.05，0.1，0.25，0.5，1S。电流不大于2500A断路器短时耐受电流最小值为12Inm或5kA（取 较大者）
3）额定频率
除非具体产品标准有约定，一般频率为50Hz或60Hz。 4）短路分断能力
①额定短路通断能力（小型断路器） 在规定条件下能够接通，在其分断时间内能够承受和能够分断预期电流值。
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一般情况下，断路器额定短路分断能力优先从下列数值中选取：1.5，3，4.5，6，10kA。 ②额定短路接通能力Icm
是在额定工作电压、额定频率和规定的功率因数（交流）或时间常数（直流）下，电器 能够接通的短路电流值。
③额定短路分断能力Icn
是在额定工作电压、额定频率和规定的功率因数（交流）或时间常数（直流）下，电器 能够分断的短路电流值。用规定条件下的预期分断电流值（交流用有效值标示）。
④额定短时耐受电流Icw
在规定实验条件下短时能承载而不损坏的电流值，短时时间为0.05，0.1，0.25，0.5，1S。 电流不大于2500A断路器短时耐受电流最小值为12Inm或5kA（取较大者）
该参数主要用于选择性断路器。
5．低压断路器选择要点 低压断路器的主要参数有：额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、整
定范围、电磁脱扣器整定范围、主触点分断能力等。在选择低压断路器的时候，应遵从以下 原则：
1）断路器额定工作电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压。低压配电系统中， 我们一般采用交流断路器工作电压一般满足220V低压配电线路，需要注意的是，某些交直 流两用断路器用于直流电路中时，电压等级往往不满足要求，比如ABB微型断路器，交流 工作电压230V，直流工作电压60V，就不能用于超过60V的直流回路中，如UPS与蓄电池连 接的开关，UPS蓄电池组电压一般超过100V。
2）断路器脱扣器整定电流应大于或等于线路的最大负载电流。通常设计原则是，断路 器按照最大负载电流的1.15～1.2倍选取，当然，还需要考虑其他因素，如断路器在不同环境 温度和安装方式下的容量降额问题。
3）断路器的短路整定电流应躲过线路的正常工作启动电流。数据中心中，如服务器设 备，启动冲击电流可能达到额定电流5～8倍，如果断路器选择不当，断路器有可能因为大的 冲击电流而引起误动作，造成不必要损失。
4）根据断路器短路通断能力Icu选择断路器。低压断路器的分断能力；应大于或等于电 路最大短路电流；另外，需要关注的是，在满足短路分断能力前提下，断路器短路整定电流 也不是越大越好，根据《低压配电设计规范》GB50054－95规定，断路器灵敏度应不小于1.3， 即线路最小短路电流应不小于断路器短路整定电流的1.3倍，以此来来校验断路器动作的灵 敏性。
6．断路器选择性保护的定义 为了保证低压配电系统的可靠性，低压断路器的选择性成为终端低压配电系统设计的一
项重要内容。如图20所示在断路器所保护的配电系统中，当支路F点发生电气故障时，距故 障点最近的断路器QF2动作将故障切除，而QF1断路器不动作，从而将故障所造成断电限制
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在最小范围内，使其他无故障供电回路仍能保持正常供电，这就是对低压断路器所要求的选 择性。低压断路器的选择性在低压配电系统的设计中占有十分重要的位置，它可以给用户带 来便利，并能保证供电回路工作的连续性。如设计不当，图20中，支路负载F点短路引起上 级空开QF1断路器动作，引起整个供电系统的瘫痪，后果十分严重。
图20 配电系统图 图21 非选择性断路器上下级选择性保护曲线
7．如何实现断路器选择性保护 在低压配电系统中用的低压断路器按其保护性能可分为，选择性和非选择性两类。所谓
选择性低压断路器，是指断路器具有过载长延时，短路短延时和短路瞬时动作的三段保护特 性。绝大部分框架式断路器和部分塑壳断路器就属于选择性断路器。有两段保护和三段保护 两种。非选择性低压断路器，是指只具有过载长延时，短路瞬时动作的二段保护特性。微型 断路器和部分塑壳断路器就属于非选择性断路器。
配电系统一： 上级断路器：选择性断路器 下级断路器：选择性断路器/非选择性断路器
在低压配电系统中，如果上一级断路器采用选择性断路器，下一级断路器采用非选择性 断路器或选择性断路器，主要是利用短延时脱扣器的延时动作或延时动作时间的不同，以获 得选择性。如图20中，F点发生短路时，短路电流流过QF2支路和QF1主回路，QF2脱扣器短 路瞬时动作，动作时间一般小于0.1秒。QF1设置短路短延时（短延时时间一般为0.1～0.5秒）， 在0.1秒以内，QF1不动作，QF2在0.1秒以内动作，切断短路故障，系统恢复正常。在实际 设计时，需要注意以下几点问题：
1）无论下一级是选择性断路器还是非选择性断路器，上一级断路器的瞬时过电流脱扣 器整定电流一般不得小于下一级断路器出线端的最大三相短路电流的1.1倍；
2）如果下一级是非选择性断路器，为防止在下一级断路器所保护回路发生短路电流时， 因这一级瞬时动作灵敏度不够，而使上一级短延时过电流脱扣器首先动作，使其失去选择性。 一般上一级断路器的短延时过电流脱扣器的整定电流不小于下一级瞬时过电流脱扣器的1.2 倍；
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3）如果下一级也是选择性断路器，为保证选择性，上一级断路器的短延时动作时间至 少比下一级断路器的短延时动作时间长0.1s。
一般来说，要保证上下两级低压断路器之间选择性动作，上一级断路器宜选择带短延时 的过流脱扣器，而且其动作电流要大于下一级过流脱扣器动作电流一级以上。
配电系统二 上级断路器：非选择性断路器 下级断路器：非选择性断路器
事实上，低压配电系统中许多断路器均为小容量断路器，如200A以下塑壳断路器和微 型断路器，由于多采用热磁脱扣器，均为只具有过载及短路瞬时保护的非选择性断路器，这 些断路器一般位于配电系统终端部分，与负载直接连接，给负载供电。由于平时需要维护等 操作，这部分也是最容易发生短路故障的地方，设计中需要注意该部分的上下级断路器的选 择性保护。
上下级的断路器脱扣器脱扣曲线需要如图25所示，才能做到选择性保护。图21中，上下 级断路器均为非选择性断路器时，上级断路器的脱扣曲线需包含下级断路器的脱扣曲线，即 相同的过载或短路电流情况下，下级断路器的动作时间会更短，在上级断路器响应之前消除 故障，从而实现上下级的选择性保护的实现。
由于断路器开关的合闸/跳闸操作、均是通过“弹簧储能式”的机械动作来实现的，无论 其脱扣电流、还是脱扣时间均呈现相当大的离散度。要想设计出一套具有“完全选择性”的脱 扣调控特性的低压配电系统时，应注意到此特性。
一般情况下，选择同一品牌非选择性断路器，大容量断路器和小容量断路器本身考虑了 一定的选择性保护，从实际设计经验来看，一般建议上级断路器电流值不小于下级断路器最 大电流值的1.6倍，更有助于实现上下级的选择性保护。
8．断路器在数据中心应用注意事项 数据中心使用大量IT及动力设备，他们的一些工作原理也对断路器的应用提出了特殊的
要求，需要注意。
（1）慎用剩余电流断路器（漏电保护断路器） 剩余电流保护装置的工作原理： 在正
常情况下，电路中没有发生人身电击、设备漏电或接地故障时，剩余电流保护装置 通过电流互感器一次侧电路的电流矢量和等于零。这样在电流互感器的二次线圈中没有感应 电压输出，因此剩余电流保护装置保持正常供电。
当电路中发生人身电击、设备漏电、故障接地时，通过设备接地电阻有接地电流流过， 则通过互感器电流的矢量和不等于零，剩余电流互感器中产生磁通矢量和也不等于零。
互感器二次回路中有一个感应电压输出，此电压直接或通过电子信号放大器施加在脱扣 线圈上，产生一个工作电流。二次回路的感应电压输出随着故障电流的增大而增大，当接地 故障电流达到额定值时，脱扣线圈中的电流足以推动脱扣机构动作，使主开关断开电路，或 使
报
警
装
置
发
出
报
警
信
号
。
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在数据中心中，如UPS设备及IT设备，为了电磁兼容性（EMC）的需要，在相线对地、 N线对地之间增加电容。在实际运行中会有漏电流的存在，一台中大容量的UPS漏电流可到 1～2A，远大于一般剩余电流断路器的漏电0.03A的动作电流，IT设备漏电电流也可能达到 数毫安。因此，为防止误动作，UPS输入端和IT设备输入端一般不建议配置漏电保护断路器。
（2）用电设备启动冲击电流问题
用电设备有较大的启动冲击电流，特别是UPS和空调 系统，因此，在选择断路器时，断路器脱扣器的脱扣曲线 可以包含负荷最大启动电流的峰值。即在负荷启动最大电 流时，断路器依然在不动作状态，有效避开负荷启动电流 的冲击。
对于微型断路器而言，也可以选择其它脱扣特性的空 开：
微型断路器脱扣特性主要有A、B、C、D、K五种。 A---适用于过载能力差负载需快速脱扣保护的线路， 如半导体设备等。冲击电流承受在2～3倍额定电流下反时
限。 图22 负荷启动电流示意
B---适用于过载能力较差负载需快速脱扣保护的线路，如电子、二次控制设备等。冲击 电流承受在3～5倍额定电流下反时限。
C---适用感性负荷和高感照明系统提供线路保护。此特性适用于大多数电气保护。冲击 电流承受在5～10倍额定电流下反时限。
D---适用高感性负荷和较大冲击电流产生的配电系统提供线路保护。冲击电流承受在 10～20倍额定电流下反时限。
K---适用电动机及变压器配电系统提供线路保护。1.2倍额定电流脱扣保护电动机负载。 冲击电流承受在8～14倍额定电流下反时限。
9．断路器部分附件在数据中心供电系统中的应用 断路器附件众多，本节结合实际经验，简单介绍一下在数据中心经常应用到的断路器附 件产品。
（1）辅助开关 辅助开关用于显示断路器当前状态的机内附件。辅助开关是在断路器分、合闸时改变
状态，能显示出断路器的接通状态和断开状态，主要用于断路器的分合状态的显示，只能检 测断路器主触头的状态，而不能改变其状态。 数据中心监控系统可以通过对服务器供电支 路断路器辅助开关状态量的采集上传，有效掌握服务器基本供电情况。
（2）欠电压脱扣器 欠电压脱扣器是一种保护性附件，当电源电压下降到欠电压脱扣器额定电压的35%～
70%时， 欠电压脱扣器能使断路器脱扣；当电源电压低于欠电压脱扣器额定电压的35%时， 欠电压脱扣器能保证断路器不合闸；当电源电压高于欠电压脱扣器额定电压的85%时，欠电
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压脱扣器能保证断路器正常工作。因此，当受保护电路中电源电压发生一定的电压降时，能 自动断开断路器切断电源。在数据中心供电时，如果出现市电断电启动油机情况，为防止机 房空调等冲击性设备对油机系统的冲击，可以在机房空调配电断路器配置欠压脱扣器装置， 在市电断电情况下，空调配电断路器挑开，在油机启动后，分批合上空调配电断路器，有效 减小对油机的冲击，保证油机平稳的运行。
（3）分励脱扣器： 分励脱扣器是一种实现断路器的远距离分闸的附件，当分励脱扣器的外施电压为分励脱
扣器额定控制电压的70%～110%时，就能可靠地分断断路器。通常分励脱扣器用于应急状 态下对断路器进行远距离分闸操作的执行元件。在数据中心中，经常出现需要数据中心的配 电系统和消防联动的情况，即在火警时，一般由消防系统提供一个24V的信号，控制数据中 心主供电回路的开关动作，对数据中心进行紧急断电处理。
6.2 低压配电方式
低压配电系统是由配电装置和配电线路组成。低压配电方式是指低压干线的配电方式。 低压配电方式有放射式、树干式、链式三种形式，低压配电方式如图27所示。
1. 放射式 由总配电箱直接供电给分配电箱或负载的配电方式。优点是各负荷独立受电，一旦发生
故障只局限于本身而不影响其他回路，供电可靠性高，控制灵活，易于实现集中控制。缺点 是线路多，有色金属消耗量大，系统灵活性较差。这种配电方式适用于设备容量大、要求集 中控制的设备、要求供电可靠性高的重要设备配电回路，以及有腐蚀性介质和爆炸危险等场 所不宜将配电及保护起动设备放在现场者。
2．树干式 指由总配电箱至各分配电箱之间采用一条干线连接的配电方式。优点是投资费用低、施
工方便，易于扩展。缺点是干线发生故障时，影响范围大，供电可靠性较差。这种配电方式 常用于明敷设回路，设备容量较小，对供电可靠性要求不高的设备。
3．链式 也是在一条供电干线上带多个用电设备或分配电箱，与树干式不同的是其线路的分支点
在用电设备上或分配电箱内，即后面设备的电源引自前面设备的端子。优点是线路上无分支 点，适合穿管敷设或电缆线路，节省有色金属。缺点是线路或设备检修以及线路发生故障时， 相连设备全部停电，供电的可靠性差。这种配电方式适用于暗敷设线路，供电可靠性要求不 高的小容量设备，一般串联的设备不宜超过3～4台，总容量不宜超过10KW。
a）放射式
b） 树干式
c） 链式
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图 23 低压配电方式
《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16—2008对于低压系统的配电方式更是有着详细的界 定，在“7.2.1 多层公用建筑配电系统”中：
“3 对于用电负荷较大或较重要时，应设置低压配电室，从配电室以放射式配电，各层 或分配电箱的配电，宜采用树干式或放射与树干混合方式。”
在“7.2.2 高层公用建筑低压配电系统”中：
“2 对于容量较大的集中负荷或重要负荷宜从配电室以放射式直接供电。”
“3 高层公用建筑的垂直供电干线，应视负荷重要程度、负荷大小及分布情况，可以用 以下方式：
1）以母线槽供电的树干式配电；
2）以电缆干线供电的放射式或树干式配电，当为树干式时，宜采用电缆T 接端子方式 引至各层配电箱；
3）采用分区树干式以适应不同功能区域或用电设备的要求。”
6.3 UPS输出精密配电和机架配电
6.3.1 UPS输出精密配电
数据中心对供电系统的可靠性及可管理性要求越来越高。IT用户需要对信息设备的供电 系统进行更可靠与更灵活的配电、更精细化的管理、更准确的成本消耗等。列头配电柜不但 完成传统的电源列头柜的配电功能，同时还应该具有许多强大的监控管理功能，使得数据中 心的管理者随时可以了解负载机柜的加载情况、各配电分支回路的状态、各种参数以及不同 机群的电量消耗等。
1）安全管理功能 全面的电源管理功能，将配电系统完全纳入机房监控系统，监测内容丰富。对配电母线
可以监测三相输入电压、电流、频率、总功、有功功率、功率因数、谐波百分比、负载百分 比等。同时还可以监测所有回路（包括每一个输出支路）断路器电流、开关状态、运行负载 率等。
2）运营成本管理功能 列头配电产品实时侦测每一服务器机架的运营成本，精确计算及测量每一服务器机柜、
每一路开关的用电功率和用电量。通过后台监控系统可以分月度、季度、年度进行报表统计。
3）纳入机房监控系统 列头配电产品应提供RS232/485或简单网络管理协议（SNMP）多种智能接口通讯方式，
可以纳入到机房监控系统中，其所有信息通过一个接口上传，系统更加可靠，节省监控投资。
4）配电的灵活性 随着IT用户对配电可管理性的要求越来越高，列头配电产品应用的场合越来越多。列头
配电产品应根据不同的场地需求，可选用单母线系统或者双母线系统。其支路断路器可以选 择固定式断路器，也可以选择热插拔可调相断路器。支路断路器容量有16A、25A、32A、
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63A，单极或三极可选。 当分支回路选择热插拔可调相断路器时，系统不断电即可进行检修、
扩容，同时不用改
变后端的电缆接线就可进行三相负载的调平衡，非常灵活方便。
5）计算机级接地 为了解决机房的零地电压问题，列头配电产品还可以内置隔离变压器。GB 50174—2008
要求：“零地电压小于2伏”的指标。降低零地电压有很多措施，这些措施都可以不同程度 的降低零地电压。如果要达到上面的要求，最可靠的措施就是在IT负载前端加隔离变压器， 并将隔离后的中性线接地。如果采用列头配电柜做电源列头柜，可以使IT负载输入端零地电 压降低到小于0.5V的水平，从而最有效地保证了IT负载的良好供电环境。
6.3.2 机架配电
数据中心机架配电系统基本上是以PDU（Power Distribution Unit）为主要载体。PDU， 即电源分配单元．也叫电源分配管理器。顾名思义PDU应具备电源的分配或附加管理的功能。 电源的分配是指电流及电压和接口的分配，电源管理是指开关控制（包括远程控制）、电路 中的各种参数监视、线路切换、承载的限制、电源插口匹配安装、线缆的整理、空间的管理 及电涌防护和极性检测。 由于数据中心的几乎所有的IT设备都已经或者将要放置在标准机 柜内，所以，PDU作为机柜的必备附件也越来越受到相关各方的重视。
2．PDU 分类及相关标准。
电源插头/插座产品分为两大类： A、工业用途、
B、家用和类似用途。 家用和类似
用途插头插座产品是户内或户外使用的、家用和类似用途的、仅用于交流电、
额定电压在50V以上但不超过440V、额定电流不超过32A的、带或不带接地触头的插头和固 定式、移动式插座。该类产品覆盖： 插头插座类产品包括：单相两极插头、插座、器具插 座；单相两极带接地插头、插座、器具插座；三相插头和插座。
PDU从根本上讲，还是插头/插座的一种 我国和IEC 关于插座的基本情况如下：
表10 插座基本状况列
表
标准 GB 1002—1996《家用和 似用途单相插头插座型式 基本参数和尺寸》 （注：采用原澳大利亚 标准制式） 插座 规格 10A 250V ~ 16A 250V ~ GB 1003—1999《家用和 用途三相插头插座型式、 基本参数与尺寸》； 额定电压： 440VAC 额定电流： 16A、25A、32A 欢迎下载，希望对您有帮助！
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GB2099—1997 《家用和类似用途插头 插座 第二部分：转换器 的特殊要求》 10A 250V~ GB17465.1—1998《家用 类似用途的器具耦合器 第一部分:通用技术要求 等效采用 IEC60320-1: 》 1994 标准 IEC320 C13（用于输出） 10A 250V~（15A 125V~） IEC320 C19（用于输出） 16A 250V~（125V~） 3．PDU 与普通插座的区别 PDU 和普通插座的区别见下表：
表 11 PDU 和普通插座的区别
对比项目 产品结构 技术性能 普通插座特点 PDU 产品特点 简单、普通、固定式结构 模块化结构，可按客户需求量身定制；；功能单一； 一般多为简单焊接； 直接、平均输出； 控制、保护、监测、分配等功能强大，输出可任意组合 ；
端子插接、螺纹端子固定、特殊焊接、环行接线等形式 ； 可奇/偶位、分组、特定分配等方式输出；
输出方式
负载能力
内部连接 负载功率较小，一般《16A 负载功率大，最大可达 3×32A 以上； 功率平均分配； 可按照技术需求逐位/组的进行负载功率分配； ；机械强度一般，长度受限 机械强度高，不宜变形，长度可达 2M 以上； 普通摆放或挂孔式； 安装方式、方法及固定方向灵活、多样； 功率分配
机械性能 安装方式 当前PDU迅速的朝着智能化，网络化的方向发展，着重实现数据中心用电安全管理和运 营管理的功能。通过对各种电气参数的个性化，精确化的计量，不但可以实现对现有用电设 备的实时管理，也可以清楚的知道现有机柜电源体系的安全边界在哪里，从而可以实现对机 架用电的安全管理。此外，通过侦测每台IT设备的实时耗电，就可以得到数据中心的基于每 一个细节的电能数据，从而可以实现对于机架乃至数据中心用电的运营管理。
图24 普通PDU
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图25 具备用电参数测量和网络监控功能的PDU.
4．PDU 设计选型
PDU的设计选型可参见下表：
表12 PDU 设计选型相关细节
序号 分类 1 输 入 2 部 3 分 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
选型应注意的主要问题 输入电压 总负载电流/功率 电源输入方式 内部连接方式 需要了解的事项 输入电压是 220VAC？还是 380VAC？ 确认要求的是总的负载电流/功率 是单输入？双输入？还是插座式输入？ 是奇/偶连接？分组连接？还是环行连接 输 出 部 分 输入电源的连接端子（插头） 电缆线的插头制式标准？插头的电流规格？ 输出电压 输出电压是 220VAC？380VAC？ 输出单元的插座制式 输出单元的数量 每个输出单元的负载电流 输出总负载电流 总电源开关 每位输出单元的开关 断路器 过载开关 保险丝 指示灯 总电流监测 电涌保护 漏电保护 电流表 电能表 安装方式 长度尺寸 固定孔尺寸 外壳颜色 输出插座是哪一种（国家）的制式标准？ 多少位输出插座？ 指每一位输出插座的最大负载电流数值。 指 PDU 总的最大负载电流数值。 指 PDU 的总电源开关。是 10A？16A？（一般≯16A） 指每一位输出插座的电源开关？一般不建议选此功能。 是单极？双极？还是三极？电流规格是多少？ 可恢复式保护，最大电流一般≯20A（反映速度较慢） 反映速度快，但过载断路后需要重新更换。 是 PDU 的总电源指示？ 还是每一位输出插座的电源指示？ 可监测 PDU 的总电流 是否需要接地/极性检测？还是选用可更换式模块？ 最大电流一般≯20A。 最大一般≯40A。是否需要过载报警功能？ 是现场抄表？还是否需要远程抄表功能？ 水平安装？还是垂直安装？固定支架的方向？ 注意与机柜高度尺寸的配合。 关系到 PDU 的安装问题，要特别注意机柜的结构。 黑色？还是银白色？ 控 制 功 能 保 护 功 能 物 理 规 格
七 数据中心柴油发电机组系统
为确保网络数据中心、数据交换中心、金融结算中心、重要系统调度中心等关键部门的 设备能得到不间断的电源供电，这些机楼的供电系统通常采用“市电供电+柴油发电机组备 用”所组成的电源供电系统。
7.1 柴油发电机组原理，组成及分类
柴油发电机组，主要由柴油内燃机组、同步发电机、油箱、控制系统四个部分组成，利 用柴油为燃料，柴油内燃机组控制柴油在汽缸内有序燃烧，产生高温、高压的燃气，当燃气
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膨胀时推动活塞使曲轴旋转，产生机械能，通过传动装置带动同步交流发电机旋转，将机械 能转换为电能输出，给各用电负载提供电源。
柴油发电机组一般有如下构成的组件： －柴油发动机、
－三相交流无刷同步发电机 －控制屏 －散热水箱
－燃油箱 柴油发电机组有多种分类方法，按柴油机的转速可分为高速机组（3000rpm）、中速机
组（1500rpm）和低速机组（1000rpm以下）；按柴油机的冷却方式可分为水冷和风冷机组； 按柴油机柴油调速方式可分为机械调速、电子调速、液压调速和电子喷油管理控制调速系统 （简称电喷或ECU）；按机组使用的连续性可分为长用机组和备用机组；柴油发电机组通常 采用三相交流同步无刷励磁发电机，按发电机的励磁方式可分为自励式和他励式。本节重点 介绍按照应用场地，冷却方式和控制方式的分类方式。
图26 柴油发电机组组件示意图
图27 基本型柴油发电机组
7.2 数据中心柴油发电机组容量选择
1．柴油发电机组功率 功率选型时机组选型的核心内容，其原则是在最少投资的前提下，满足使用要求。柴油
发电机组功率的定义比较复杂，因此首先应该明确各种功率的定义，分析机组的工况性质， 确定功率条件。然后根据机组的现场条件和负载的特性，计算并修正所需要的机组输出功率。
ISO8528-1：2005中对功率定额种类2的规定如下：
1）持续功率（COP）：在商定的运行条件下并按照制造商的规定进行维护保养，发电 机组以恒定负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。
2）基本功率（PRP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发电机 组以可变负荷持续运行，且每年运行时数不受限制的最大功率。24小时运行周期内运行的平 均功率输出（Ppp）应不超过PRP的70%，除非与RIC发动机制造商另有商定。在要求允许的 平均功率输出Ppp较规定值高的应用场合，应使用持续功率COP。
3）限时运行功率（LTP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，发
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电机组每年运行时间可达500小时的最大功率。按100%限时运行功率每年运行的最长时间为 500小时。
4）应急备用功率（ESP）：在商定的运行条件下并按制造商的规定进行维护保养，在 市电一旦中断或在实验条件下，发电机组以可变负荷运行且每年运行时间可达200小时的最 大功率。24小时运行周期内允许的平均功率输出应该不超过70%ESP，除非与制造商另有商 定。
该标准同时也对发电机组运行的现场条件做出规定：现场条件由用户确定，在现场条件 未知且未另作规定的情况下，应采取下列额定现场条件：
——绝对大气压力：89.9kPa（或海拔高度1000m） ——环境温度： 40℃ ——相对湿度：60%
通常，柴油发电机组铭牌标称的输出功率分为备用功率（Standby Power），常用功率 （Prime Power）和连续功率（Consecution Power）。
1）备用功率（Standby Power）定义为发电机组在规定的维修周期之间和规定的环境条 件下能够连续运行300h，每年最多500h工作小时的最大功率。等同于国标和ISO标准中的限 时运行功率（LTP）。一般适用于通信﹑楼宇等负载变化较多的偶然应急工况。
2）常用功率（Prime Power）定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下，每年 可能运行的时数不受限制的某一可变功率序列内存在的最大功率，等同于国标和ISO标准中 的基本功率（PRP）。一般适用于厂矿﹑军队等负荷变化较小的经常运行工况。
3）连续功率（Consecution Power）定义为在规定的维修周期之间和规定的环境条件下， 每年可能运行的时间不受限制的某一恒定功率序列内存在的最大功率。等同于国标和ISO标 准中的持续功率（COP）。一般适用于作为电站或与市电并网使用等负载变化绩效的连续运 行工况。
对于柴油机在数据中心的应用，在确定机组功率定额时目前普遍按照常用功率来选择。 2．机组数量 由于数据中心的重要性，各种工况下的供电设备应该考虑电气冗余。发电机组的配置也
不例外。具体的做法是在配置柴油机系统时，按照N+1或者2N的原则来配置机组的数量。
机组并联使用是经常采用的一种方式。由于我国0.4KV的低压配电柜没有6300A以上的
应用，并联运行的0.4KV发电机总容量不要超过3200KW，如果场地确实需要更大容量的柴 油发电机组，建议采用10kV的中压发电机组。
通常并联的逻辑控制有三种： 第一种是接到断电信号以后，所有的机组都同时启动，同时运行。即无论负载多少，并
联的N+1台柴油机始终同时在线运行； 第二种是机组同时启动，然后根据负载的大小投入
或者切除机组； 第三种是接到断电信号后，只启动一台机组，然后根据负载大小，由系统决定是否需要
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启动其他机组并联运行。 对于数据中心来说，一般建议第一种逻辑控制，即全部机组始终
在线运行，好处是可以
避免负载较快速的波动时频繁的投入/切出机组，同时多台同时运行内阻减小可以弱化谐波 的影响，有利于机组的稳定运行。第二种方式通常适用于负载的变化缓慢，这样燃油经济性 较好。第三种控制逻辑负载依次投入，适用与初始负载不大、且负载增长模式固定的场所。
3．机组负荷计算 在数据中心内，柴油发电机组主要为UPS、空调、消防负荷和其他重要负载提供后备电
源的保障。一般有如下方式进行负荷计算：
1）按照设备容量计算发电机容量：
P = κ • Kχ • Pe /η(kw)
Ρ -自备发电机组的功率（KW）； κ -可靠系数，一般取1.1； 式中：
Kχ -需要系数（一般取0.85-0.95）； Pe -负荷总容量（KW）；
η -发电机并联运行不均匀系统，一般取0.9，单台取1。
2）利用最大单台电动机或成组电动机起动的需要，计算发电机容量:
P = (Ρe − Ρm) /ηe + Ρm • Κ • C • cos Φm(kw)
式中： Ρm -起动容量最大的电动机或成组电动机的容量（KW）； Pe -负荷总容量（KW）； ηe -负荷计算效率，一般取0.85；
cos Φm -电动机的起动功率因素，一般取0.4； Κ -电动机的起动电流倍数；
C -按照电动机起动方式确定的系数。全压起动C=1；Y/△ C=0.67;自耦变压器起动，50%
抽头C=0.25；65%抽头，C=0.42；80%抽头C=0.64。
3）按起动电动机时母线允许电压计算发电机容量:
1
1)(kw)P = Ρn • Κ • C • Xd ′ ( −ΔE
Ρn -造成母线压降最大的电动机或成组电动机的容量（KW）； 式中：
Κ -电动机的起动电流倍数；
Xd ′ -发电机的暂态阻抗，一般取0.25；
ΔE -母线允许的瞬时电压将，有电梯时取0.20，无电梯时取0.25；
C -按照电动机起动方式确定的系数。全压起动C=1；Y/△ C=0.67;自耦变压器起动，50%
抽头C=0.25；65%抽头，C=0.42；80%抽头C=0.64。
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4．功率现场条件修正 在非额定现场条件和特殊负载的情况下，机组的额定功率需要修正。
1）环境温度的功率修正 当环境温度过高时，空气密度降低，柴油机燃烧时的氧气量减少，燃烧效率降低，因而
会降低柴油机的机械输出功率；同时发电机工作时需要冷空气对绕组进行冷却，温度过高会 降低发电机的冷却效果，从而影响发电机的输出功率。各品牌柴油机和发电机的输出功率受 环境影响的修正参数各不相同，实践中建议以各厂家的修正参数为准。通常可按照环境温度 超过40°C时每升高5°C，输出功率下降3%-4%来进行功率损失的计算。
2）海拔高度的功率修正 当海拔升高时空气密度也会降低，同样影响柴油机和发电机的输出功率。不同品牌的柴
油发电机组要按照厂家的功率修正曲线来计算降额后的实际功率。通常可按照海拔高度超过 1000米后每升高500米输出功率下降4%-5%来进行功率损失的计算。值得一提的是采用电子 喷油的柴油机在高海拔和高温度的区域有更低的功率降额。
3）加负载的功率因素修正 对于自然进气的机组而言，其最大允许的一次加载量等于其使用功率。 采用涡轮增压技术后，发动机的功率有了明显的提高，但突加负载的能力却有所下降。
当增压比越高时，突加负载的能力下降也越明显。当发动机处于空载时，增压压力很低（或 者说处于非增压状态），此时，在非增压状态突然要增加超过额定的负载很有可能会造成突 加载荷失败，或者转速下降超过限制，或者回复时间较长，这都会影响机组性能。一般当有 效压力（Pme）在1MPa以下时，一次突加负载可达标定功率80%对机组影响不大；当有效压 力（Pme）达到1.5MPa时，突加负载只能达到标定功率的50%；当有效压力（Pme）达到2MPa 时，突加负载只能达到标定功率的40%。因此，数据中心柴油机所负荷的UPS要求功率软启 动，空调系统要求能够逐台启动。
在实践中，对柴油发电机组功率修正影响最大的数据中心负载（UPS、空调等）的特性， 下文专门就该问题做具体阐述。
7.3 柴油发电机组与其负载匹配
1．数据中心柴油发电机组负载特性概述 要正确地选型备用柴油发电机组，了解负载的特性是非常重要的。负载类型一般分为电
阻性（如电阻、电炉、白炽灯等）、电感性（如感应电动机、变压器等）、电容性（如电容 器等）等线性负载和采用整流技术和SCR（可控硅）技术的非线性负载（又称整流性负载）。
1）UPS负荷
UPS作为整流性设备，在采用单相或三相不控或相控整流时，输入因整流器后直流母线 滤波电容的存在，输入电流呈瞬间脉动大电流特征，内部包含大量谐波电流，比如三相6脉 冲整流器输入电流含有的较低次谐波（5，7，11，13次），谐波电流总含量高达30%～35%。
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如果是电网，容量很大电网输出等效内阻很低，电流的波动不会对输出电压造成影响。但对 于柴油发电机组，其内阻远比电网大得多，UPS的输入谐波电流就会引起油机输出的谐波电 压。尤其是非线性负载较大而发电机组容量又较小时，这种危害就更明显。
2）机房空调负荷 数据中心机房空调系统大致可以分为两类：定频空调和变频空调两类。 定频空调实质上属于感性负载，感应电动机直接起动时起动电流为正常电流的6-7倍，
而且功率因数为0.8左右。对机房空调负荷容量的分析和对电机型负载的分析基本一致。
变频空调实质上是非线性负载，对该型负载的分析可参考下文对于非线性负载的讨论。 此外，由于电磁辐射兼容的考虑，一般在主机房很少采用变频空调。
3）其他负荷 其他负荷如应急照明，消防负荷等等大都也属于非线性负载，同时和UPS、空调负荷相
比较小，在作对柴油机系统容量影响分析时基本可以忽略。 因此，对于数据中心的应用场
地而言，分析柴油发电机组与其负荷的匹配，主要是指柴 油发电机组与UPS系统的匹配。
2．UPS 系统对柴油发电机组的影响及对策
1）负载的阶跃变化 当电气系统连接到发电机组时，沉重的负载将在发电机组上形成较大的冲击电流，严重
时将引起发电机组的停止。为了避免这种现象，由发电机供电的主要负载UPS必须配备保证 整流器渐进起动的装置，电流的爬升过程会持续一段时间（秒或10秒级时间，厂家不一样， 时间设置不一样）。当市电恢复正常时，整流器可以逐次开机，以便避免发电机组的“飞车”， 骚扰发电机组上的其它负载（机房空调、应急照明等）。
2） 容性电流
图28 柴油发电机组的软启动
当UPS输入侧安装有LC谐波滤波器时，由于UPS处于起动延时，有功功率等于零，则发 电机组只为UPS前端的滤波器提供容性电流，但是发电机组只能提供相当于10％到30% In的 容性电流。
下图所示为发电机组的系统简化原理图： V1是发电机的电势，V1的大小取决于发电机的激磁电流， Zs是发电机定子阻抗（由电阻和电感原件组成），
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ZL是负载阻抗， Vs是发电机输出电压， I是发电机总输出电流。 I×Zs＝VL＋VR Vs －I×Zs＝V1
依据下面的计算式子及绘制的矢量图，不难看出因此V1比Vs小，也就是说较小的发电 机电势将产生较大的输出电压。
图29 发电机原理简图 图30 发电机给容性负载供电的矢量图 此时，
为了维持输出电压稳定，发电机电压调节器必须减小转子的激磁电流以减小发电 机电势V1，但是电压调节器可能没有足够的调节范围完全控制输出电压，由于转子都有一 定的剩磁，可能即使完全关闭发电机电压调节器，仍有足够的磁场产生输出电压。这些都是 导致输出过压或者发电机关闭的原因。
图31 某柴油发电机组的功率因素曲线 因此，使用LC滤波
器时必须正确分析，以保证发电机组的安全运行，使用带接触器的
滤波器或补偿式LC滤波器就可解决这个问题，当使用有源12脉冲滤波器或有源功率因数校 正（PFC）整流器时则与发电机组完全兼容。除了合理选择具有良好输入特性的UPS之外， 应该尽量避免让UPS处于空载或者低载的工作状态；其次，在机组投入时，应考虑优先投入
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感性负载，比如机房空调，然后再逐台投入UPS系统。
3）谐波 谐波电流除了在定子绕组产生铜损外，电流形成的高频磁场在转子绕组上感应出高频电
流，由于趋肤效应，高频电流使转子严重发热。此外，高频的谐波电流产生的磁场与转子的 磁场不同步，产生高频振动影响电机寿命。发电机更容易受到非线性负载的影响是因为发电 机的亚瞬态电抗（Sub-transient U’scx = 12～20 %）通常大于电力变压器的短路阻抗（U’ccx
= 4～6 %）。 实践中，机组带UPS时由于谐波干扰主要表现在以下
几种现象：
①发电机组输出频率到50～60Hz，致使直流电源、UPS保护动作。
②发电机组在出现频率或电压异常的同时出现严重的机械共振现象，柴油机出现有节奏 的摇摆和声音起伏，严重时还出现损坏发电机的励磁回路和AVR（自动电压调节器）。
③UPS因检测到过电压或过频率而自动关断整流器，由后备电池组向负载放电或从旁路 直接向负载供电。
④柴油发电机组超转速引起停机保护，导致市电停电后机组无法正常工作输出备用电 源，机楼配置的柴油发电机组形同虚设。
解决谐波问题大致可以从改善负载特性和优化柴油机组两个方面来处理。
UPS应选择具有良好的交流输入谐波抑制技术，UPS具备功率缓启动和分时启动功能， UPS和油机匹配最好、运行最稳定的整流和谐波治理技术包括：IGBT整流、12脉冲整流＋ 11次谐波滤波器、有源滤波器＋无源滤波器＋相控整流、6脉冲整流＋5次谐波滤波器等。 从 源头治理谐波源可极大的减轻柴油发电机组的运行压力，性价比好，可靠性高。
业界一般会有下表的柴油发电机和UPS容量之间的关系：
表 13 柴油发电机和 UPS 容量之间的关系
UPS整流技术 采用6脉冲整流技术 采用12脉冲整流技术 （或有源滤波） 采用高频脉宽调制技术 功率匹配关系 Sg=2-2.5Su Sg=1.4-2Su Sg=1.2-1.4Su 注：（1）Sg表示发电机的标称功率（kVA），Su表示UPS的标称功率（kVA）： 优化柴油机组的措施主要如下： 首先，采用无刷永磁式励磁交流发电机。永磁励磁系统由五部分组成：发电机主励磁绕
组（转子），永磁发电机（PMG），自动电压调节器（AVR），励磁机和旋转二极管。图 10-37是无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图，在这个系统中有以下几个特点：
①由于PMG系统提供一个与定子输出电压波形畸变及大小无关的恒定的励磁电源，因 而能提供较高的电动机起动承受能力，并对非线性负载产生的主机定子输出电压的波形畸变 具有抗干扰性，可提高发电机带非线性负载能力。
②AVR检测三相输出电压（三相方均根检测），具有精度极高的稳态电压调整率（通 常可达±0.5%）。
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图32 无刷永磁式励磁交流发电机的工作原理图
③更强的抗无线电干扰能力。
④更强的承受短路电流能力（通常可达3倍额定电流，持续10S）。 其次，在不增加柴油机功率的条件下配置一台较大容量的发电机，以提高机组带非线性
负载的能力。增大容量的实质是通过降低发电机的内阻，从而弱化谐波电流的不利影响。
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八 数据中心ATSE系统
自动转换开关电器（ATSE，Automatic Transfer Switching Equipment），主要应用于紧 急供电系统，一般单独或者组网完成市电之间或者市电与柴油发电机之间的电源切换。作为 数据中心配电系统中重要的配电设备，它的设计与选型关系到整个配电系统的可靠性。
8.1 ATSE 产品定义及构成
1．产品定义 双电源自动转换开关，在国内已经有几十年的运用历史，在没有标准之前，各种开关（接
触器、断路器、隔离开关等）都被运用在双电源自动转换开关上面。自从国家标准GB/14048.11 实施以来，ATSE作为一个独立的低压开关种类，被广泛用于两路电源间的自动转换，以确 保重要负载电源的连续供应。
GB/T 14048.11《低压开关设备和控制设备 第6部分：多功能电器第1篇 自动转换开 关电器》。定义了适用于额定电压交流不超过1 000V或直流不超过1 500V的转换开关电器
（TSE），TSE用于在转换过程中中断对负载供电的电源系统。该部分的目的旨在规定：电 器的特性、电器必须遵循的有关条件、证明符合这些条件的试验及进行这些试验的方法、应 该在电器上标明的数据及制造商需提供的数据等内容。
在该标准中，ATSE被如下定义： 由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路，并将一个
或几个负载电路从一个电源转换至另外一个电源的电器。中文标准名称：自动转换开关电器; 英文标准名称：Automatic Transfer Switching Equipment（ATSE）。
2．结构分析：
ATSE一般由三部分组成：开关本体、驱动/保持机构、控制器
1）开关本体：指主触头的结构、材料、动静触头连接方式、触头压力、同步性、超程、 动触头开启速度、灭弧方式等等构成。
2）驱动/保持机构：使触头完成闭合、开启的传动机构。有三种方式，电磁直接驱动/ 保持（例如接触器）；励磁＋连杠传动驱动/机械保持；减速电机＋传动机构驱动/机械保持。
3）控制器：从仅有单相缺相控制功能到具有超过ATSE预设定的参数要求的参数检测、 现场设定、显示、带通讯接口等功能，差别很大。
一个真正技术先进、可靠性高的ATSE，必须是以上三个部分都同步达到相应的水平。 一个部分的缺陷，就是整个ATSE的缺陷。选择高可靠性的ATSE，也必须从以上三个方面综 合判断。
8.2 ATSE分类
根据GB/T 14048.11，ATSE可分为PC级或CB级两个级别。 PC级：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。
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CB级：配备过电流脱扣器的ATSE，其主触头能够接通并用于分断短路电流。 这两个级别主要区别就是有无短路分断能力，但这样的分类相对简单，是欧美在制定标 准时妥协的产物。按照转换元器件及控制方式的不同，又可以对PC级或CB级ATSE进行进 一步划分。
1）接触器型：如图33所示，是我国最早生产的双电源转换电器，它由两台接触器搭接， 另外采用中间继电器或逻辑控制模块完成切换功能，优点是价格低；缺点是线圈长期通电耗 能易烧毁，产品的接通分断能力低，易抖动，触头易熔焊，互锁结构简单、切换速度快但灭 弧距离不够，持续发出交流杂音，持续耗电，故障电流忍受能力低，触点易熔化、损坏。机 械结构易故障， 机械联锁不可靠，造成双边不供电或双边电源短路其产品可靠性很低，目 前在国内数据中心应用较少。
图33 接触器式ATSE 图34 负荷开关式ATSE
2）隔离/负荷开关型：如图34所示，开关本体为隔离/负荷开关，采用电机加齿轮或连 杆传动模式，一般分两位式（常用、备用）和三位式（常用、0位，备用）两种。用两台负 荷开关或隔离开关组成的ATSE，有中间位置，机械结构较为复杂。负荷开关只是作为线路 隔离/分断使用，当满载切换时容易造成开关本身的损坏，故障电流忍受能力低，灭弧功能 较弱。
3）断路器型：如图35所示，属于CB级ATSE，此类自动转换开关电器以断路器为切换 部件，切换功能用ATSE自动控制单元完成，有机械和电气连锁。当带载切换时将造成灭弧 不完整容易造成双边电源并接短路，故障电流忍受能力低，断路器存在快速脱扣的情况。断 路器型ATSE的操作机构有单电机操作和双电机操作两种，相对而言，单电机操作系统内部 电路相对复杂，元器件较多，可靠性较低。在重要的场合如果采用断路器型ATSE，优先推 荐采用电路简单，可靠性高的双电机操作ATSE。
图35 断路器式ATSE 图36 励磁式ATSE
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4）励磁式专用转换开关型（双投式ATSE）：如图36所示，属于PC级ATSE，整个开关 采用一体式结构设计，包括触头材料、灭弧材料、传动机构等。采用励磁驱动方式，励磁是 最简单可靠的驱动机构，分离速度快。缺点是大容量PC级ATS一般需要专门配置上下游的 线路保护设备，且价格较贵。国内大型数据中心中，此类ATSE是目前应用的主流产品之一。
8.3 ATSE应用中产生的问题
1．PC/CB 级应用问题
CB级与PC级ATSE两者有以下几点区别： 1）两者机构设计理念不同
CB级是由断路器组成，断路器能有效分断电弧，要求机构快速脱扣一般采用四连杆机 构。四连杆机构易存在滑扣、再扣不可靠因素：而PC级机构不存在该方面问题。
2）断路器（MCCB）一般不承受短时耐受电流，触头压力较小。当供电电路生短路时， 断路器的动触头易被斥开并产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATSE应承受20Ie及 以上过载电流，触头压力要求较大，因而ATSE触头不被斥开，也不易被熔焊。
3）两路电源在转换过程中存在电源叠加问题。
PC级ATSE充分考虑了这一因素。PC级ATSE的电气间隙、爬电距离一般断路器的电气 间隙、爬电距离的180％、150％（标准要求）。因而PC级ATSE．全性更好。
4）触头材料的选择角度不同。 断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧，但该类触头材料易氧化，
备用触头长期暴露在外，在其表面易形成阻碍导电、难驱除的氧化物，当备用触头一但投入 使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而PC级ATSE充分考虑了触头材料氧化带来 的后果。
5）操作机构不同
CB级ATSE的电动操作机构一般是通过微电机带动减速齿轮机构对断路器进行合分工 作，又因断路器机构的限制，微电机必须工作到堵转后，靠行程开关才断开控制回路。而 PC级ATSE的电动操作机构一般为短时工作电磁铁。由于电磁铁结构简单，工作可靠，所以 PC级ATSE电动操作机构的可靠性较高。
选用PC级还是CB级ATSE，没有一个绝对的答案，CB级由断路器组成，本身具有过载 及短路保护的功能，但是在日常应用中发现CB级具有如下问题：由于CB级具有短路保护功 能，会因为保护功能而切断负载的电源，由于ATSE的动作输入信号是取自ATSE的上端口， 当正常电源侧的电压或频率都正常时，由于断路器因过流保护而脱扣造成负载断电，ATSE 的功能仅仅是作为正常电源故障时转换到备用电源设备，这样就造成了负载断电，而ATSE 依然不会切换到备用电源的情况，从这个角度来说，CB级的保护功能，在系统中运行反而 不利。
关于PC级配电设备，虽然本身具有承受一定短路电流的能力，但是由于没有过载及短
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路保护功能，因此在采用PC级配电设备的时候，前端需要设置短路保护电器。另外，在《低 压配电设计规范》GB50054—95中明确规定：“配电线路采用的上下级保护电器，其动作应 具有选择性；各级之间应协调配合。但对于非常重要负载的保护电器，可选择无选择性切换。” 因此，PC级前端设置的短路保护电器需要与配电柜内出线回路的断路器之间设置有选择性 配合。
在PC级自动转换开关设备中，优先选择励磁式专用转换开关，励磁式专用转换开关是 采用的励磁驱动机构，线圈的励磁操作不需要外加电源，所需动力来自即将投入运行的电源 侧，励磁电流只在切换瞬间使用，稳定时无需操作电流，最为简单可靠。
总而言之，在大容量的重要系统中，如机房输入端的市电之间切换或者市电油机之间自 动切换设备，推荐采用PC级的励磁式专用转换开关，在供电系统的终端一级负荷或重要的 二级负荷部分，如机房照明，机房空调系统等，可以采用断路器型或者负荷开关型自动转换 开关电器。在2006年《自动转换开关电气ATSE设计应用导则》中更是明确指出“一级负荷 建议采用PC级ATSE”。
2．三极/四极问题
《自动转换开关电器ATSE设计应用导则》建议了三相四线制（0.4/0.23kV）电力系统中 ATSE极数的选用原则： “1）同一接地系统中，带漏电保护的两个电源回路下级的ATSE，
三相四线供电应采用
四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。
2）两种不同接地系统（包括两个不同中性线接地点的TN—S系统）间电源转换的 ATSE，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。
3）正常供电电源与备用发电机之间，当采用不同的接地方式时其转换开关应采用四 极ATSE。
4）IT系统（此处指接地系统）中当引出中性线时，三相四线供电应采用四极ATSE， 单相供电应采用两极ATSE。
5）在有总等电位联结的情况下，TN—S、TN—C—S系统除原则1）2）3）的情况外 一般不需要设四极ATSE。
6）TN—C系统严禁采用四极ATSE。”
在数据中心中，基本上都采用TN-S三相五线制接地系统。即三根相线L，零线N，保护 地线PE。三极式ATSE只切换相线，四极式ATSE同时切断相线和零线，如果两路输入电源 来自于同一接地系统，即两套系统中性线（零线）有共同的接地点（零线地线短接点），那 么ATSE可以选用三极式ATSE，如果两套输入电源来自于两套不同的接地系统，两套系统的 中性线接地点不同，应采用四极ATSE。采用四极式ATSE的目的，是保证两个系统运行中做 到完全的隔离，独立运行。
3．四极切换问题 在数据中心中，给IT设备供电路径基本如下：ATSE+UPS+IT设备。如图37所示。IT设
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备对于零地电压有特殊要求，GB 50174—2008对所有的A级，B级和C级机房的要求是零地 电压<2V。由于地线电压基准值为0，正常情况下，系统由常用电源供电，UPS输出零地电 压接近于电网输入端零地电压；在主用电源异常，启动备用电源，ATSE执行切换操作过程 中， ATSE后端设备相线及零线与前面两路输入电源系统有一个断开过程，即ATSE输出部 分与输入部分完全断开。在这个短时间内，UPS通过蓄电池放电给负载供电，保证服务器不 断电运行，由于UPS输出零线来源于电网零线，而电网零线已经断开。那么，UPS输出零线 处于“悬浮”状态，零线电位产生漂移，UPS输出端零地电压有可能高达几十伏甚至上百伏， 这样的零地电压可能直接导致服务器重启或烧坏等。给IT设备造成重大运行隐患。
图 37 供电系统零地示意图
为解决这一问题，有如下两种方法：
1）零线重叠切换方案，即采用带有零线重叠切换的ATSE，在切换过程中，ATSE输出 零线始终与输入电网的零线相连（第四级（零线）切换为重叠切换，按先接后离的操作顺序， 重叠切换时间<100ms），UPS零地电压始终保持相对较低值。
图 38 零线重叠切换示意图
2）输出端配置 △/Y 隔离变压器，变压器副边再造一个TN-S系统，重新引出零线。这 样，在所有的过程（包括ATS转换过程中输入零线中断的过程）中零地电压始终接近于零伏， 从而完全避免零线中断的故障。
4．ATSE 单点故障问题
ATSE作为重要的转换开关设备，对可靠性要求极高，一旦ATSE故障，可能产生较大范 围的影响。
为解决ATSE故障可能造成的风险，首先在供电方案上，可以采用系统冗余方案，保证 任意一个故障，系统依然可以安全运行。
其次，在ATSE部分，提高产品可靠性，在大型数据中心的电源切换部分，推荐采用带
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旁路隔离开关型ATSE，在ATSE故障情况下，临时利用隔离旁路给负载供电，而故障ATSE 本体则可以维修，系统不会断电。GB 50174—2008 之8.1.16 规定：“市电与柴油发电机的 切换应采用具有旁路功能的自动转换开关。自动转换开关检修时，不应影响电源的切换。”
旁路型自动转换开关至少需要具备如下功能：
1）旁路隔离开关能在用电负荷不停电的情况状态下，旁通电源至负载。旁路开关的容 量不小于自动转换开关的额定容量。
2）旁通电源时能安全隔离自动转换开关及相关控制电源，保证自动转换开关的检修及 维护能够安全进行。
3）应该设置明确的旁路隔离标志，显示系统状态。 4）应该设置安全可靠的电子和机械联锁，防止误操作。
5．ATSE 使用类别 使用类别由ATSE本身的特点决定，表现其控制负载的能力，直接影响到ATSE转换的可
靠性和安全性，但在实际的工程实践中设计人员往往会忽略使用类别。ATSE的使用类别应 该和负载特性一致，满足下表要求：
表 14 ATSE 使用类别（引自 GB/T 14048.11）
电流性质 使用类别 典型应用 频繁操作 不频繁操作 AC-31A AC-31B AC-33B AC-35B AC-36B DC-31B DC-33B DC-36B 无感或微感负载 电动机负载或包含电动机、电阻负载和 30％以下 白炽灯负载的混合负载 放电灯负载 白炽灯负载 电阻负载 电动机负载或包含电动机的混合负载 白炽灯负载 交流 AC-33A AC-35A AC-36A 直流 DC-31A DC-33A DC-36A 目前国内市场上PC级ATSE存在两种常用的类别：AC31和AC33。AC-31的接通能力为 1.5Ie，一般为配电电器常用的使用类别；而AC-33的接通能力为10Ie，一般为控制电器常用 的使用类别。在工程实践中发现有些ATSE在转换的过程中触头烧毁的现象，除了质量的原 因以外，很多是因为忽略了使用类别。
此外，一般ATSE不允许带大电动机或高感抗负载转换。比如大电动机类负载，当其在 运行中切换而电源相位差距较大时，它将受到巨大的机械应力冲击，同时由电动机产生的反 电势引起的过电流还会造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方 式，或自动转换开关为延时转换型，两组动触头在转换前增加一延时，可避免在切换大电机 或变压器负载时引起的冲击电流。
6．产品认证情况 我国从2002年5月1日起开始对低压电器产品实施3C认证，自动转换开关电器被列入第
一批3C认证目录。目前依据的标准是国家标准是《自动转换开关电器》GB／T14048.11-2008。
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有些厂家的产品通过的CCC认证所依据的标准不是GB／T14048.11，而是GB／T14048.2（断 路器标准）或者GB／T14048.3（隔离开关标准）。而根据行业标准，作为自动转换开关（ATSE） 的3C认证标准必须是GB／T14048.11，否则就不符合ATSE的标准要求。
8.4 数据中心ATSE常见组网形式
数据中心ATSE的应用主要集中在不同市电之间、柴油发电机之间的切换。《供配电系 统设计规范》GB 50052—95之2.0.2规定： “一、一级负荷应由两个电源供电；当一个电源 发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。二、一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电 源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。”因此，数据中心能 量源彼此之间的切换就会比较复杂，本文就工程实践中最为常见的四种情况做出分析，供设 计者参考：
1．单一市电与单一备用发电机切换方案要点：
1）选用较大输出功率发电机才能使负载的瞬间干扰达到最小；
2）可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量，以延时切换功能排定切换顺 序；
3）市电停电时自动切换开关发送启动信号启动备用发电机；
4）切换开关自动侦测备用发电机端电压及频率达到额定值后自动切换至发电机端； 5）市电复电稳定后切换开关自动回切至市电侧；
6）自动切换开关发送停止信号使备用发电机经冷车运转后停机。
图39 单一市电与单一备用发电机切换 2．单一市电与多台备用发电机切换方案
图40 单一市电与多台备用发电机切换
1）多台发电机并联且结合多台ATS之应用以提高紧急电力供电可靠度； 2）依负载优先级以延时切换功能排定切换顺序；
3）市电局部或全部停电时自动切换开关发送启动信号启动备用发电机；
4）切换开关自动侦测备用发电机端电压及频率达到额定值后自动切换至发电机端； 5）市电复电稳定后切换开关自动回切至市电侧；
6）自动切换开关发送停止信号使备用发电机经冷车运转后停机。
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图41 两路市电与单一备用发电机切换 图42 两路市电与多台备用发电机切换 3．两路市电与单一备用发电机切换方案
1）选用较大输出功率发电机才能使负载的瞬间干扰达到最小； 2）利用两台自动切换开关达到三电源之切换；
3）可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量，以延时切换功能排定切换顺 序；
4）市电1或市电2停电时，不启动发电机，由ATS1切换至供电之市电1或市电2； 5）市电1及市电2全部停电时，发电机启动，ATS2切换至发电机端。 4．两路市电与多台备用发电机切换方案
1）两路市电间以开关互连，达到两路市电互为备用目的； 2）任一市电可供电时，不启动发电机，ATS不切换；
3）两路市电均停电时才启动发电机，依负载优先级切换至发电机端； 4）任一市电复电稳定后，切换开关自动回切至市电侧；
5）自动切换开关发送停止信号使备用 发电机经冷车运转后停机；
6）与前述各方案比较，此方案正常侧及紧急侧均采冗余配置可提供最佳供电可靠度。
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九 数据中心UPS系统
UPS是一种利用电池化学能作为后备能量，在市电断电或发生异常等电网故障时，不间 断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置，正式名称为不间断供电系统 （Uninterruptible Power System）。UPS的设计和选型对于数据中心供电系统的建设具有核心 的意义。
9.1 UPS分类及定义
根据中华人民共和国国家标准《不间断电源设备 第3部分：确定性能的方法和试验要求》 GB 07260—2003的附录B定义，将UPS运行分为：双变换运行、互动运行、后备运行等三类 运行方式，即UPS行业广为熟悉的双变换UPS、互动UPS、后备UPS等三种。我国的国标GB 7260等同国际电联标准IEC 62040 Uninterruptible Power System（UPS），也等同欧洲标准EN
62040-2001。
1．双变换 UPS
国标GB 07260—2003定义为“在正常运行方式下，由整流器/逆变器组合连续地向负载 供电。当交流输入供电超出了UPS预定允差，UPS单元转入储能供电运行方式，由蓄电池/ 逆变器组合在储能供电时间内，或者在交流输入电源恢复到UPS设计的允差之前（按两者之 较短时间），连续向负载供电”。
同时国标强调，避免使用“在线”一词，防止定义混淆，而只使用术语“双变换”。下 图为国标GB 07260—2003对在线UPS的定义与说明：
2．互动 UPS
国标GB 07260—2003定义为：“在正常运行方式下，由合适的电源通过并联的交流输 入和UPS逆变器向负载供电。”
国标GB 07260—2003特别强调： “逆变器或者电源接口的操作是为了调节输出电压和/或给蓄电池充电；UPS输出频率 取决于交流输入频率。”
3．后备 UPS
国标GB 07260—2003定义为：在正常运行方式下，负载由交流输入电源的主电源经由 UPS开关供电。可能需结合附加设备（例如铁磁谐振变压器或者自动抽头切换变压器）对供 电进行调节。这种UPS通常称为“离线UPS”。
9.2 三种类型UPS原理及特点
1．后备式UPS： 如国标、IEC、EN等标准所言，后备式UPS电源的功率变换主回路的构成比较简单。市
电正常时，UPS一方面通过滤波电路向用电设备供电，另一方面通过充电回路给后备电池充 电。当电池充满时，充电回路停止工作，在这种情况下，UPS的逆变电路不工作。当市电发
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生故障，逆变电路开始工作，后备电池放电，在一定时间内维持UPS的输出。主要由充电器， 逆变器，输出转换开关和自动电压调压等部分构成。
图 43 后备式 UPS 原理框图 充电器：市电存在时，对蓄电
池充电，如果是长延时UPS，就要求它有较强的充电能力， 或者外加相应容量的附加充电器。
DC-AC逆变器：市电存在时，逆变器不工作；市电掉电时，由它将直流电压（电池供 给）变成符合负载要求的交流电压，电压波形有方波、准方波、正弦波三种形式。
输出转换开关：市电存在时，接通输入电源向负载供电；市电掉电时，断开电网，接通 逆变器，继续向负载供电。
自动电压调压：实质上是一个变压器装置，可自动进行升压和降压的设置。因此可以拓 宽UPS在市电状态下的工作范围，通常以可选件的形式存在。
后备式UPS的性能特点：
1）当市电正常且输出带载时，效率高可达98%以上；
2）当市电正常且输出带载时，输入功率因数和输入电流谐波取决于负载电流； 3）当市电存在时，输出电压稳定精度差，但能满足负载要求；
4）市电掉电时，输出有转换时间，一般可做到4-10ms左右，足以满足普通负载要求； 但对于服务器等用电设备存在一定的风险；
5）市电掉电时，后备时间一般不长（一般为分钟级别）； 6）无论市电工况还是电池工况，整机抗干扰能力较差； 7）电路简单，成本低，可靠性高；
8）由于输出有转换开关，受切换电流能力和动作时间的限制，UPS输出功率做大有一 定困难，当前面市的后备式UPS多在2KVA以下。
2．互动式 UPS： 双向变换器式 UPS 市电正常，交流电通过工频变压器直接输送给负载；当市电超出上述范围，在150－276V
之间时，UPS通过逻辑控制，驱动继电器动作，使工频变压器抽头升压或降压，然后向负载 供电。若市电低于150V或高于276V，UPS将启动逆变器工作，由电池逆变向负载供电。在 市电在150－276V之间时，身兼充电器/逆变器的变换器同时还给电池充电，处于热备份状态， 一旦市电异常，马上就转换为逆变状态，为负载供电。
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图 44 双向变换器 UPS 原理图
双向变换器式UPS与后备式UPS的区别是“双向变换器”：当市电存在时，“双向变换 器”的工作状态是AC- DC，给电池充电并浮充；市电掉电后，其工作状态为DC-AC，由电 池供电，保持UPS继续向负载供电。变换器时刻处于热备份状态，市电/逆变切换时间比后 备式要短，同时兼顾了对电池充电的功能，提高了后备式UPS的功率容量，减小了市电掉电 时的转换时间，提高了对输出电压的滤波作用。
双向变换器式UPS性能特点是：
1）当市电正常时，效率高，可达98%以上；
2）当市电存在时，输入功率因数和输入电流谐波成份取决于负载电流；
3）市电掉电时，因为输入开关存在开断时间，至使UPS输出仍有转换时间，但比后备 式要小；
4）市电存在时，输出电压稳定精度差；
5）市电存在时，因为逆变器直接接在输出端，并且处在热备份状况，对输出电压尖峰 干扰有滤波作用；
6）充电器/逆变器共用使电路更简单，成本低，可靠性高；
7）逆变器同时有充电功能，省掉了后备式UPS的附加充电器，其充电能力要比附加充 电器强的多，当要求长延时供电时，无须再增加机外充电设备；
此外，业界还有一种设计十分独特的UPS， 把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了 UPS的主电路中，一般称之为Dalta变换式UPS。
Dalta 变换式 UPS
Delta UPS 实际相当于一台串联调控型的交流稳压电源，它的主要功能是对市电进行稳 压处理，将原来不稳定普通市电电源变成电压稳压精度为 380V+/-1%的交流稳压电源。其控 制原理与利用“伺服电机”来调节碳刷的位置来进行“电压补偿”的“全自动补偿方式”交流稳 压电源的控制原理相同。其重大改进是采用高频脉宽调制技术和利用双向能量传递特性的 “四象限”变换器（Detla 变换器和主输出变换器）来取代易于产生机械磨损
的
伺
服
电
机
和
碳
刷
调
节
系
统
。
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图 45 Dalta 变换式 UPS 原理图
Delta 逆变器（图中逆变器/充电器）：它是一组DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的输 出变压器（高频）的副边串联在UPS主电路中，其功能有三个：
1）对UPS输入端进行输入功率因数补偿，并抑制输入电流谐波；
2）与主逆变器一起，完成对输入电压的补偿，当输入电压高于输出电压额定值时，Delta 逆变器吸收功率，反极性补偿输入输出电压的差值，当输入电压低于输出电压额定值时， Delta 逆变器输出功率，正极性补偿输入输出电压的差值；
3）与主逆变器一起完成对电池的充电和浮充功能。 主逆变器：该逆变器同样是DC-AC和AC-DC双向逆变器，它的功能有四个： 1）同Delta 逆变器一起，完成对输入输出电压差值的补偿； 2）同Delta 逆变器一起完成对电池的充电和电压浮充功能；
3）随时监测输出电压，保证输出电压的稳定，对输出电压波形失真和输出电流谐波成 份进行补偿，使其不对电网产生影响；
4）当市电掉电时，全部输出功率由主逆变器给出，并且保证输出电压不间断，转换时 间为零。
Dalta变换式UPS的性能特点如下：
1）因为主逆变器随时监视控制输出电压，并通过Delta 逆变器参与主回路电压的调整， 所以不管市电有无，都可以向负载提供高质量的电源，主要电气指标在稳态时比较好；
2）市电掉电时，输出电压不受响应，没有转换时间。并且，当负载电流发生畸变时， 也由主逆变器调整补偿掉；
3）当市电存在时，Delta 逆变器和主逆变器只对输入电压与输出电压的差值进行调整 和补偿，逆变器承担的最大功率（当输入电压处于上限和下限时）仅为输出功率的20%（相 当于输入电压变化范围），所以功率强度很小（1/5），功率余量大，这就大大增强了UPS 的输出能力；
4）Delta 逆变器同时完成了对输入端的功率因数校正功能，使输入功率因数等于1，输 入谐波电流降到3%以下。在市电存在时，由于两个逆变器承担的最大功率仅为输出功率的
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1/5，所以整机效率据称在很大的功率范围内都可达到96%；
5）无法对频率和相位进行补偿，因此严格说来该型UPS不是VFI（电压频率独立）型供 电设备；
6）无法完全隔离市电，从而无法从根本上解决市电上的谐波污染，比如：频率异常、 浪涌、噪声等，将直接输入到重要负载；
7）该型UPS对稳态的市电异常补偿十分精确，但对偶发的市电异常（比如“瞬态过压” 或“频率突变”）可能会出现严重的工作异常；
8）电路和控制系统复杂，工况众多，可靠性一般。 通过分析完上述两种类型的UPS，可以发现如果严格按照GB 07260.3-2003/
IEC62040-3-1999对UPS类型的定义，双向变换器式UPS应该划入后备式UPS一类，而Dalta 变换式UPS才是互动式UPS。
3．双变换式 UPS：
旁路交流输入
整流器 整流交流输入 逆变器 静态开关 UPS交流输出
电池
图 46 双变换式 UPS 原理图
市电正常供电时，交流输入经AC/DC变换100%转换成直流，一方面给蓄电池充电，另 一方面给逆变器供电；逆变器自始至终都处于工作状态，将直流电压经DC/AC逆变成交流 电压给用电设备供电。
整流器：交流市电输入经过整流器转换为直流电，给电池的充电，并通过逆变器向负载 供电.。
逆变器：该逆变器为DC-AC单向逆变，当市电存在时，它由整流器取得功率后再送到 输出端，并保证向负载提供高质量的电源；当市电掉电时，由电池通过该逆变器向负载供电。
静态开关：正常时处在旁路侧断开，逆变侧导通状态；当逆变电路发生故障，或者当负 载受冲击或故障过载时，逆变器停止输出，静态开关逆变侧关闭，旁路侧接通，由电网直接 向负载供电。
双变换式UPS的性能特点如下：
1）双变换式UPS具有优越的电气特性：由于采用了AC/DC、DC/AC双变换设计，可完 全消除来自于市电电网的任何电压波动、波形畸变、频率波动及干扰产生的任何影响。
2）同其他类型UPS相比，由于该型UPS可以实现对负载的稳频、稳压供电，供电质量 明显优势；
3）市电掉电时，输出电压不受任何影响，没有转换时间；
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4）器件、电气设计成熟，应用广泛； 5）效率同其他类型UPS相比不占优势；
6）整流器在工作时会引起输入电源质量变差，因此需要采取谐波治理方案； 7）价格相对较高。
9.3 数据中心UPS供电方案
UPS应用中，通常有五种供电方式：
1.单机工作供电方案；2.热备份串联供电方案；3. 直接并机供电方案；4. 模块并联供电 方案；5.双母线（2N）供电方案。此外，近年来三总线和Catcher Bus的供电方案在某些大型 数据中心供电系统的建设中也屡见不鲜。
1．单机供电方案 单机工作供电方案为UPS供电方案中结构最简单的一种，就是单台UPS输出直接接入用
电负荷。 一般使用于小型网络、单独服务器、办公区等场合；系统由UPS主机和电池系统
组成，
不需要专门的配电设计和工程施工，安装快捷；缺点是可靠性较低。
2．热备份串联供电方案 串联备份技术是一种比较早期、简单而成熟的技术，它被广泛地应用于各个领域，UPS
串联备份的定义是：备机UPS的逆变器输出直接接到主机的旁路输入端，在运行中一旦主机 逆变器故障时能够快速切换到旁路，由备机的逆变器输出供电，保证负载不停电。
在各种UPS技术资料中，串联备份的英文为Series Configuration或Isolated Redundant。在 中文里串联也有称热备份，简称串联。UPS串联的特点是，两台UPS均为完整的具有独立旁 路的在线式UPS单机。两台UPS除了电源线的连接外不需要其他信号的连接。在正常情况下， 主机100%的给负载供电，从机的负载为零。
组成串联系统的UPS必须具有如下技术条件：在线式UPS电源，这样逆变器才能保持和 旁路的同步；UPS具有整流器和旁路双重输入端；UPS能够承受100%的负载跳变。
方案优点：结构简单、安装方便；价格便宜；不同公司，不同功率的UPS也可串联。 方案缺点：不中断负载用电的扩容必须带电操作，十分危险；主从机老化状态不一致， 从机电池寿命降低；当负载有短路故障时，从机逆变器容易损坏。
主机
市电 A C /D C ----D C /A C 负载
主机旁 路
从机 从机 输 出A C /D C ----D C /A C
图 47 串联备份方案
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3．直接并机供电方案 直接并机供电方案是将多台同型号、同功率的UPS，通过并机柜、并机模块或并机板，
把输出端并接而成。目的是为了共同分担负载功率。其基本原理是：正常情况下，多台UPS 均由逆变器输出，平分负载和电流，当一台UPS故障时，由剩下的UPS承担全部负载。并联 冗余的本质，是UPS均分负载。实现组网型式多有N+1（N台工作，一台冗余）或者M+N（（M 台工作，N台冗余）。
主机
A C /D C----D C /A C 市电 负载
并机逻辑控制 从机 A C /D C----D C /A C 从机输出
图 48 并联供电方案 要实现并联冗余，必须解决以下技术问题： 各UPS逆变器输出波形保持同相位、同频率； 各UPS逆变器输出电压一致； 各UPS必须均分负载； UPS故障时能快速脱机。
方案优点：多台UPS均分负载，可靠性大大提高；扩容相对以前方案方便很多；正常运 行均分负载，系统寿命和可维护性大大提高。
方案缺点：控制负载；成本增加；在并机输出侧依然具有单点故障。
4．模块并联供电方案 所谓模块并联供电方案实质上就是直接并机供电的解决方案的一种，只不过其具体的实
现方式和传统的直接并机供电方案有所不同：模块化UPS包括机架、可并联功率模块、可并 联电池模块、充电模块等，见下图：
图49 模块并联UPS供电方案
模块并联供电方案的特点：
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由机架、UPS功率模块、电池模块、配电系统组成； 功率模块配置为N+1冗余，减少了维护时间； 共用输入、输出、并联的电池系统、控制系统；
5．双母线（2N）供电方案 早期应用于数据中心的UPS供电方案多为单机方案或UPS串/并联方案，均存在输出单点
故障瓶颈问题。输出的配电系统，包括开关跳闸、保险烧毁、电路短路等供电回路故障往往 很大程度上影响UPS系统供配电的可靠性：为保证机房UPS供电系统可靠性，2N或 2（N+1） 的系统开始在中大型数据中心中得到了规模的应用，在业界经常也被称之为双总线或者双母 线供电系统。
2N供电方案由两套独立工作的UPS、负载母线同步跟踪控制器（LBS，Load Bus Synchronization）、一至多台静态切换开关系统（STS，Static Transfer Switch）、输入、输 出配电屏组成。
电池电池 UPS1 UPS1 配电柜 配电柜 母线1
LBS STS STS
LBS 单电源 负载 单电源负载 母线2双电源 负载 双电源负载 UPS2 UPS2 电池 电池 配电柜
图 50 2N 供电方案 该方案特点如下： 1）考虑到系统实现的成本，数据中心的负载被分为两类：单电源/三电源负载；双电源 负载。正常工作时，两套母线系统共同负荷所有的双电源负载；通过STS的设置，各自负荷 一半的关键的单电源负载。因此，正常工作时两套母线系统会各自带有50%的负载；
2）将其中的一套单机系统作为双总线系统的一根输出母线，另外一套单机系统作为双 总线的另一根输出母线，将两套母线系统输出通过同步跟踪控制器同步起来。
负载母线同步跟踪控制器（LBS）用于双总线UPS系统中，用来保证两套UPS输出系统 的同步。如上述双总线系统图中，先设定任意一套UPS并机系统为主机（Master），LBS同 时监视两条母线上的UPS输出频率及相位。一旦发现它们超出同步跟踪范围（例如10°，该 参数可调）时，LBS激活，内部控制对预先定义为Master的UPS继续跟踪市电，而另一条母 线上的UPS将通过LBS的控制，对Master进行跟踪，从而实现两套系统同步。
3）即使是一套系统完全失效或者需要检修，双电源负载因为有一根输出母线仍然有电 所以会继续正常工作；而关键的单电源负载会通过STS零切换到另外一根输出母线也会正常 工作。
静态切换开关系统（STS）用来为单路电源负载供电切换时使用，单电源负载接在STS
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输出端上，STS两个输入端分别接在输入电源1和输入电源2，当其中一个系统供电母线上的 任何设备或电缆发生故障或需要维护时，其负载可经转换时间1/4周波的静态转换开关切换 至另一个系统供电。
图51 STS 原理
图
4）区别于以前的供电方案，系统的备份首先带来的是负载用电的可靠性的显著提升。 除此之外，该方案具有优秀的开放性和良好的前瞻性，系统以后的扩容升级和维护也会显得 十分方便。因为任何时候我们均可将其中的一套系统完全下电进行处理去处理维护或者扩容 的问题。
双总线系统真正实现了系统的在线维护、在线扩容、在线升级，提供了更大的配电灵活 性，满足了服务器的双电源输入要求。解决了供电回路中的“单点故障”问题，做到了点对 点的冗余，极大增加了整个系统的可靠安全性，提高了输出电源供电系统的“容错”能力。
5）该方案建设成本相对较高，在实际建设的过程中，需要注意可靠性和经济性的适当 权衡。
6．三母线供电方案 三总线系统是双总线供电系统的一种变异形式，系统最大安全带载率可由双总线系统的
50%提升至66%，同时任具备双总线系统的可靠性等级。这样基本不损失可靠性的前提之下 有效地降低建设成本。
7．Catcher Bus 供电方案
Catcher Bus 无需复杂的开关装置，由 STS负责供电切换，最大负荷 (N-1)/N带载率从 双总线50%提高到75%-90%,可实现系统节能减排。但相比于双总线/三总线系统，可靠性
有
所
下
降
。
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图52 三总线原理图
图53 Catcher Bus原理图
9.4 数据中心UPS关注热点
数据中心UPS的技术和应用热点都和UPS的电气性能指标直接相关，UPS的性能指标总 体参见前文表2（YD/T 1095—2008通信用不间断电源—UPS）
综合当前的应用实践来看，绿色技术，模块化，高频化以及系统化是当前UPS设计与应 用主要的热点问题。
1．数据中心 UPS 关注热点之绿色电源技术
UPS绿色技术在电气指标上首先体现为UPS的输入指标“输入电流谐波成份”&“输入 功率因数”，上述指标主要体现了UPS和电网之间的相互影响。业界的措施主要是围绕着如 何改善UPS整流器的输入特性而展开的。其次体现为UPS的输出指标“输出有功功率”，表 征了UPS和负载之间的相互匹配。业界的主要措施是围绕着如何改善UPS逆变器的输出特性 而展开的。
（1）UPS 谐波分析与治理 数据中心UPS系统在从低压电网获取能量的同时，也会对低压电网造成不同程度的污
染。污染的严重程度取决于UPS整流器的实现和治理方式。 传统的6脉冲整流器会引起很
严重的谐波污染。所谓6脉冲整流器是指以6个可控硅（晶 闸管）组成的全桥整流，由6个开关脉冲对6个可控硅分别控制。
图 54 6 脉冲整流器 图 55 脉冲整流器的输入电流与电压畸变 以某型200KVA UPS（满载）为实例，可得出谐波具体数据。
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考虑到计算为理想状态，忽略了很多因数，如换相过程、直流侧电流脉动、触发延迟角， 交流侧电抗。因此实测值与计算值有一定出入。
表16 某型6脉冲UPS理论的和实际谐波成分
谐波次数 5th %谐波含量（理论） 20 %谐波含量（实测） 32 7th 14 3 11th 9 8 13th 8 3 17th 6 4 19th 5 2 23th 4 2 由UPS整流装置产生的超最大过30%的谐波对电力系统中的危害是多方面的，概括起来 有以下几个方面： 对发电设备的危害：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低
了机械能向电能
转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪 音。
对输电设备的危害：损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线 电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；
对供电设备的危害：损害电容、变压器降容（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起 的杂散损耗 ）、降低可靠性、影响电力测量的准确性；
对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性的电子设备； 对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆
翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁 场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康。
对数据中心UPS谐波的治理主要有以下两种手段：
1）无源滤波器 原理：电感和电容形成谐振电路，主要针对5次谐波形成低阻通道。 优点：技术简单，价格便宜。 缺点： 只能滤除特定频率的谐波； 滤波效果受负载率及频率变化影响大； 有系统谐振风险； UPS轻载输入呈容性，与柴油发电机匹配困难； 设计参数单一，针对特定频谱。
图56 5次谐波滤波器
2）有源滤波器
图57 有源滤波器
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原理：有源滤波器实质上是电流发生器。系统侦测负载电流，由DSP分析谐波形状，再 提供给电流发生器，在下一个周波精确补偿。
优势： 不会因制造误差、设备老化、电网频率变化造成滤波效果下降； 不容易与电网产生谐振，而且具有谐振抑制作用，不会造成谐波放大； 可以仅仅对谐波进行抑制而不引入大的无功，或兼有谐波补偿和无功补偿功能； 适应于多种性质（阻、感、容性）的负载，并可利用现有无功补偿设备容量； 具有处理复杂频谱谐波的能力。 劣势:
存在\"误补偿\"问题：由于它的补偿响应时间长达40ms以上，存在“误补偿”隐患。当在 输入电源上、执行切除/投入操作或在UPS的输入上游侧、作大负载的切除/投入操作时，易 产生”误补偿”。轻者，造成UPS的输入谐波电流”突变”。严重时，会导致UPS的输入开关\" 误跳闸\"；
可靠性偏低：对于6脉冲+有源滤波器的UPS来说，由于在它的有源滤波器中、使用IGBT 管作为它的整流器和变换器的功率驱动管， 其故障率偏高；
降低系统效率，增加运行成本； 有源滤波器价格相对昂贵。
上述办法都是先默认UPS整流先产生谐波而后治理的思路，更好的处理谐波的思路是通 过改善UPS的整流器架构使严重的谐波无从产生，也就是控制源头的思路。IGBT高频整流 器结构都具有小于5%的输入电流谐波成份。
（2）UPS 输出有功功率（输出功率因素）
在“通信行业标准YD/T1095—2000 通信用不间断电源— UPS”标准中，表15第17项提 出“输出功率因数”项目，技术要求≤ 0.8，第5部分试验方法中第5.16项中提出了输出功率 因数的试验方法及测试电路。但是在YD/T1095—2008对该部分的要求重新做出了修订，改 成了“输出有功功率≥额定容量×0.7KW/KVA”。实际上业界是想用合适的指标表征UPS 输出带有功功率的能力。YD/T1095-2008的界定明显更为合理。
根据IEC 62040-3的UPS性能标准（UPS Performance）和IEC 60146-4的UPS设计标准， 其输出的功率因数为：PF = KW / KVA。在UPS设计时是以线性负载Cosω=0.8作为设计标准 的，所以一般我们会看到数据中心主流UPS厂商以输出功率因素0.8界定视在功率和有功功
率的关系（例如200KVA/160KW）。此外，UPS允许使用负载功率因数为0.6超前到0.6滞后， 但其他功率因素下UPS不得不降额使用，如图62。
问题在于数据中心UPS后挂的用电负载（服务器，交换机等IT设备）大都是开关电源型 的非线性负载设备，在IEC 62040-3标准中称之为“RCD型负载”，表现为低额定电流、高 峰值因数、低输入功率因数、2～4In的起动电流。负载功率因数大多数为0.6-0.7。2001年以 后，随着技术的发展，对于1997年制定的IEC 61000-3-2标准进行了修订，即IEC
61000-3-2
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AMD1-2001标准的出台，该标准对单相输入电流不大于16A的专业设备规定了谐波电流发射 的限值，从此对IT设备的输入特性有了明确的规定。大量的IT设备制造商开始着手修正自己 产品的输入特性，他们为这些专业设备增加了升压（BOOST）线路，功率因数由0.7提高至
0.9以上，并改善了其THDi（<20%）。
图 58 不同负荷功率因素与 UPS 输出视在功率和有功功率的折算关系
R s
U Uc C
Rl 图59 传统IT设备电源框架 图60 新一代IT设备电源框架（圈内为Boost线
路） 假定所有的负荷功率因素是0.9容性，对于某型300KVA UPS，其视在功率降额到 221KVA，有功功率降额到199KW，也就是说，超过这两个降额后的功率阀值，UPS就会发 出过载报警。若按标称，其有功功率报警阀值应为300KVA/240KW（但标称情况是带功率 因素0.8感性负载）。这是数据中心运营者经常碰到的UPS未到满载却发出过载报警的现象。
这就要求UPS的输出特性必须要相应的作出改变，简单而言，就是UPS的输出能够较好 地适应容性负载的输入特性。具体而言， UPS输出的有功功率至少可以在负载Cosφ = 0.8滞 后到 Cosφ = 0.8~0.9超前的整个范围内保持恒定不变（因为在实际的负载测量中，大部分负 载其超前的Cosφ一般在0.95~0.9之间）。
3．数据中心高频 UPS
近年来数据中心大容量UPS高频化的趋势越来越明显，各大厂家纷纷推出了自己的高频 UPS。业界关于高频UPS和工频UPS的争论也一直纷繁芜杂。
（1）工频机和高频机的定义和原理分析 UPS通常分为工频机和高频机两种。 工频机由可控硅SCR整流器，IGBT逆变器，旁路和工频升压隔离变压器组成。因其整 流器和变压器工作频率均为工频50Hz，顾名思义叫工频UPS。
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典型的工频UPS拓扑如下：
图62 典型工频UPS拓扑 主路三相交流输入经
过换相电感接到三个SCR桥臂组成的整流器之后变换成直流电压。
通过控制整流桥SCR的导通角来调节输出直流电压值。由于SCR属于半控器件，控制系统只 能够控制开通点，一旦SCR导通之后，即使门极驱动撤消，也无法关断，只有等到其电流为 零之后才能自然关断，所以其开通和关断均是基于一个工频周期，不存在高频的开通和关断 控制。
由于SCR整流器属于降压整流，所以直流母线电压经逆变输出的交流电压比输入电压 低，要使输出相电压能够得到恒定的220V电压，就必须在逆变输出增加升压隔离变压器。 同时，由于增加了隔离变压器，系统输出零线可以通过变压器与逆变器隔离，显著减少了逆 变高频谐波给输出零线带来的干扰。同时，工频机的降压整流方式使电池直挂母线成为可能。 工频机典型母线电压通常为300V~500V之间，可直接挂接电池（业界32节电池的方案很常 见），不需要另外增加电池充电器。
按整流器晶阐管数量的不同，工频机通常分为6脉冲和12脉冲两种类型。 高频机通常由IGBT高频整流器，电池变换器，逆变器和旁路组成，IGBT可以通过控制
加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，IGBT整流器开关频率通常在几K到几十KHz， 甚至高达上百KHz，相对于50Hz工频， 称之为高频UPS。
图63 高频UPS拓扑图 高频UPS整流属于升压整流模
式，其输出直流母线的电压比输入线电压的峰峰值高，一
般典型值为800V左右，如果电池直接挂接母线，所需要的标配电池节数达到67节。因此一
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般高频UPS会单独配置一个电池变换器，市电正常的时候电池变换器把母线800V的母线电 压降压到电池组电压；市电故障或超限时，电池变换器把电池组电压升压到800V的母线电 压。从而实现电池的充放电管理。由于高频机母线电压为800V左右，所以逆变器输出相电 压可以直接达到220V，逆变器之后就不再需要升压变压器。
（2）工频机高频机优缺点对比分析
表17 工频机高频机对比分析
序号 1 条目 成本 高频机 低 工频机 高 备注 高频机由于取消了输出隔离变压器，同型 号整机成本及定价比工频低 15%-30% 2 输入谐 波电流 12 脉冲 高频机的输入特性指标远好于工频机，采用 IGBT 整流技术，满载 采用可控硅整流技术，不 输入 THDi<3% +11 次谐波滤波器 THDi<5% 但可以极大减少对电网的污染，且可以减 小对前端柴油发电机容量的需求 3 输入功 率因素 12 脉冲 采用 IGBT 整流技术，满载 采用可控硅整流技术，输入 PF>0.99 小 轻 +11 次谐波滤波器 PF>0.85 大 重 4 5 体积 重量 工作频率提高，取消输出隔离变压器等措 施使高频机体积和重量都小于工频机，可 有效缓解数据中心占地及承重问题 6 效率 高 低 IGBT 整流器技术和无变压器设计使高频 机的效率有所提高，特别是在轻载（50% 以下）时，效率提高更加明显 7 故障率 高 低 高频机投入市场的时间远短于工频机，其 安全运行需要更长的时间去检验和改善 8 零地电 压 输出有高频谐波耦合在零 输出配置隔离变压器，零地电 高频机由于零线贯通，会在零线上耦合出 高频噪声，一般都大于 2V。 线上，可能抬升零地电压， 压增量小于 1V 一般会在 1.7-10V 之间 9 逆变器 逆变器直接挂接负载，抗 逆变器部分的输出隔离变压 负载冲击能力弱从而可能 器自身短路阻抗的作用及高 降低逆变器的可靠性 频衰减隔离特性，使得工频机 具有很好的抗负载冲击能力， 降低负载突变和短路对 UPS 的 影响 由于高频机在逆变器部分省掉隔离变压 器，使其逆变器的可靠性不如工频机 10 逆变器 负载直挂，带非线性负载 输出变压器具有消除负载侧 3N 次谐波电流反灌的隔离能 力，带非线性负载的能力强 的能力弱 11 主旁路 同源 主路旁路 N 线必须相同， 可以实现主旁路不同输入源 数据中心一般都有两路市电进线，所以主 因此无法实现主旁路不同 的配置方案，满足高可靠性场 路旁路不同源的配电设计十分常见。因此 源配置 地的配电要求 高频机配电的灵活性不如工频机 欢迎下载，希望对您有帮助！
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十 数据中心防雷接地系统
10.1 数据中心机房防雷和接地系统的关系及系统设计依据、设计原则
从数据中心机房的建设来看，既需要建设完善的接地系统，又需要建设可靠的防雷系统， 而接地系统和防雷系统二者之间是密不可分的。按照国家标准GB50343-2004《建筑物电子 信息系统防雷技术规范》，一个建筑物电子信息系统综合防雷系统所包含的内容如下：
图 64 GB50343-2004 之综合防雷系统 从上面的系统架构中，我
们看到，接地装置的设置、接地系统的选择、等电位连接都是
防雷措施的一部分。因此有时候可以说这两个系统是互为渗透的。 依据中国国家标准与部
委颁发的设计规范，同时参照国际电工委员会IEC标准、法国
NFC标准和德国VDE标准，要求大楼和大楼内的计算机房、程控机房等设备都必须有完整完 善的防浪涌保护措施，保证该系统能正常运作。这包括电源供电系统、不间断供电系统，电 脑网络、卫星通信设备等装置，均应有瞬态过电压保护器（SPD，Surge Protective Device） 防护装置保护。
电子信息系统的防雷必须按综合防雷系统的要求进行设计，坚持预防为主，安全第一的 指导方针。为确保防雷设计的科学性，在设计前如有必要时，应对现场电磁环境进行评估。
在进行建筑物电子信息系统防雷工程设计时，应认真调查建筑物所在地点的地理、地质 以及气象、环境、雷电活动规律，该建筑物外部防雷措施情况，并根据建筑物内各电子信息 系统的特点等因素，按系统工程要求，进行全面规划、综合治理、多重保护，将外部防雷措 施和内部防雷措施整体统一考虑，做到安全可靠、技术先进、经济合理、施工维护方便。
10.2 雷电对电子设备的损害途径及防护措施
从传统的避雷观念和认识上很容易把人们对雷害防护的认识引向一个误区。在传统观念 上人们普遍认为只要按照国家的建筑物防雷设计规范做好建筑物的防雷措施，如安装好建筑 物的防雷装置(避雷针、引下线和接地装置的总称)均压环等，建筑物内外的所有防雷工作就 “万事大吉”了。但当雷击现象发生时，建筑物的防直击雷装置非但不能保护好建筑物内的 各种用电设备免遭雷击，反而使其遭受雷击的可能性增大，而且建筑物的避雷装置接闪能力 越强，遭雷击侵入的可能性就越大。这是因为当雷电击中建筑物避雷装置的避雷针上或击中 附近其它建筑物的避雷针时，避雷针引下线就承担起了使雷击入侵电流入地释放的作用，在
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雷击电流快速的由引下线导入大地时，瞬时间内在引下线上自上而下的产生了一强力的变化 磁场，处在这个强力变化磁场作用范围内的所有用电器、信号、电源及它们的传输线路都因 相对地切割了这个强力变化磁场的磁力线而产生出感应高压，进而在与地线的低电位之间产 生电压差，从而迅速将用电设备击毁。同时，当强大的雷电流导入地网时，由于地网本身有 电阻（地电阻），会产生地电位，形成地电位反击，从而击毁设备，在下图中建筑物的内部 会受到地电位抬升以及雷电感应的干扰。
图 65 专用外部雷电保护的建筑物
雷电对电子设备损害途径主要有三个：
1）直击雷经过接闪器（如避雷针、避雷带、避雷网等）而直放入地，导致地网地电位 上升。高电压由设备接地线引入电子设备造成地电位反击。
2）雷电流沿引下线入地时，在引下线周围产生磁场，引下线周围的各种金属管（线） 上经感应而产生过电压。
3）进出大楼或机房的电源线和通信线等在大楼外受直击雷或感应雷而加载的雷电压及 过电流沿线窜入，入侵电子设备。
针对此三种途径所进行的防护如下：
1）接闪与接地：大楼通过建筑物主钢筋，上端与接闪器，下端与地网连接，中间与各 层均压网或环形均压带连接，对进入建筑物的各种金属管线实施均压等电位连接，具有特殊 要求的各种不同地线进行等电位处理。这样就形成一个法拉第笼式接地系统。它是消除地电 位反击有效的措施。
2）均压连接与屏蔽：安装均压环，同时通信电缆线槽及地线线槽需用金属屏蔽线槽， 且做等电位连接。其布放应尽量远离建筑物立柱或横梁，通信电缆线槽以及地线线槽的设计 应尽可能与建筑物立柱或横梁交叉。
3）分流：进入建筑物大楼的电源线和通讯线应在不同的防雷区交界处、以及终端设备
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的前端，根据IEC61312雷电电磁脉冲防护标准，安装上不同类别的电源类SPD以及通讯网络 类SPD。SPD是用以防护电子设备遭受雷电闪击及其它干扰造成的传导电涌过电压的有效手 段。
10.3 数据机房防雷在建筑物防雷中的分类等级
在GB50057—2000 《建筑物防雷设计规范》中，对建筑物的防雷等级作了明确的分类， 在规范的分类中，电子信息系统机房最高类别应为二类，如国家级计算中心、国际通讯枢纽 等对国民经济有重要意义且装有大量电子设备的建筑物。其他一些信息系统机房，由于没有 独立设置，其防雷等级应以该建筑物的防雷等级来确定。例如国家级的会堂、办公建筑物、 大型展览和博览建筑物、大型火车站、国宾馆、国家级档案馆等等，这类建筑属于二类建筑， 对于设置在其中的重要的信息系统机房而言，应与其所在建筑具有一样的类别。
10.4 数据机房防雷的具体措施
建筑物防雷的具体措施一般涉及到机房的设置，建筑物的防雷及 SPD 的选用等。
10.4.1 机房位置的设置 一般而言，除了独立建设的信息系统机房外，大多数的信息系统机房是随主体建筑而设 置的。对于这种在建筑物主体内设置的机房而言，其所设置的位置、楼层等对于防雷安全来 说是至关重要的。例如一栋100m高的建筑，从屋顶的接闪器通过防雷引下线到接地极的距 离约为100m，这100m长的引下线，是有一定阻抗的。当我们要求接地电阻为1Ω时，并不 是说仅在接地极处是1Ω，而是要将引下线的电阻一并考虑在内。通常防雷接地的引下线是 采用建筑柱子中的两根≥φ16的主钢筋。这些钢筋作为雷电流的引下导体，具有一定的电阻。 在数十千安乃至数百千安的大电流流过时，在其上各点位置上会有不同的电压降。这些电压， 对建筑内的信息系统机房会产生一定的危害，而且随着建筑高度的降低，其电阻值和电压降 均会减小，相对而言，其产生危害的可能性也随之降低。因此，对于信息系统的机房位置， 从防雷的角度希望设置的层数不要过高，也就是说，越低越好。
除此之外，关于信息系统机房在建筑平面中所设置的位置，也需要重点考虑。由于在雷 击时有很大的雷电流从引下线上流过，将会产生强大的瞬变磁场，强磁场对周围的导体，例 如钢筋混凝土中的钢筋、配电管线、建筑中的弱电管线等产生感应，形成电流。这些雷电流、 瞬变磁场、感应电流等将对设置在其附近的电子信息系统产生一定的影响或危害。而对于此 类影响，最有效的解决方式之一就是将信息机房位置设置在建筑物的内区。但是有许多建筑， 其建筑形式和平面布局已经限定了不可能将机房设置在内区。在这种情况下，可以考虑将机 房内为信息系统供电的线路、插座以及信息系统数据出入口等的设置，离开建筑外墙，离开 防雷引下线通过的柱子及其周围一定的距离。这样就降低了雷电流产生强大磁场而对信息系 统机房中设备因感应、耦合而造成的损坏。
10.4.2 建筑物的防雷
按照《建筑物防雷设计规范》GB50057-2000的规定，关于信息系统防止雷击电磁脉冲
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的措施，首先就要关注建筑物的防雷措施，这是外部防雷措施。一般建筑物的防雷措施主要 是采用接闪器、引下线和接地装置。而当建筑高度超过45m的钢筋混凝土结构、钢结构建筑 物尚应采取防侧击的保护措施。接闪器采用避雷针、避雷带（网），或两者混合的方式，还 宜利用建筑物的金属屋面作为接闪器，但应符合规范要求，不应采用装有放射性物质的接闪 器。屋面上的突出物，如卫星和共用天线接收装置、节日彩灯航空障碍灯和屋面风冷机组等， 应在防雷装置保护范围内，若按滚球法计算不在保护范围内时，应另设避雷针、避雷带加以 保护，并与屋面防雷装置相连。引下线应优先利用建筑物钢筋混凝土柱或剪力墙中的主钢筋， 还宜利用建筑物的消防梯钢柱、金属烟囱等作为引下线。当用钢筋混凝土柱中钢筋、钢柱作 为自然引下线，并同时采用基础钢筋做接地装置时，不设断接卡，但应在室内外适当地点设 若干与柱内钢筋相连的连接板，供测量、外接人工接地体和作等电位连接用。砖混结构的建 筑物，在外墙四周另设引下线，并在离地1.8m处装断接卡。其1.7m至地下0.3m一段应采取 保护措施。接地装置应优先利用建筑物钢筋混凝土基础内的钢筋。有钢筋混凝土地梁时，应 将地梁内钢筋连成环形接地装置；没有钢筋混凝土地梁时，可在建筑物周边内无钢筋的闭合 条形混凝土基础内，用40x4的镀锌扁钢直接敷设在槽坑外沿，形成环形接地。
10.4.3 SPD 的选用
电子信息系统机房的电源是从建筑物内的变配电室引来的，在变配电室，首先要设置第 一级SPD，一般是在低压侧主进开关附近装设。当从变配电室引出的电源电缆至信息系统机 房时，全程经过了一定的距离，为了防止雷电电磁脉冲的影响，须在机房电源柜（箱）的进 线处设置第二级SPD。根据机房规模及距离第二级SPD的远近，有的在设备处还需要设置第 三级SPD。鉴于信息机房的重要性，建议SPD应选择全模式暂态电压浪涌保护，包括L-N、 L-L、L-G(N-G依系统需要设置)
当信息系统的数据传输线采用铜缆进出建筑物时需要考虑设置SPD，值得指出的是当进 出建筑物的数据传输线采用光缆时，需要了解光缆是否带有金属外皮，一般光缆为了增强其 抗拉强度而增加了金属外皮，这种情况下需要设置SPD。若无金属外皮，则可以不设置。信 息传输用的天线和馈线，由于装设在屋顶或室外，对这些天馈线，需要设置SPD。
SPD的选用应使其能够承受预期通过的雷电流，这是从SPD本身安全以及系统安全考 虑。SPD还应能限制线路的过电压，并且能熄灭雷电流通过后的工频续流。在选择SPD时， 还应考虑SPD与被保护设备的保护配合。SPD的电压保护值应始终小于被保护设备的冲击耐 受电压值，只有这样才能起到保护作用，否则容易造成SPD还未动作，但被保护设备却遭受 损害。另外究竟要装设多少级SPD，这应根据被保护对象，即被保护的信息系统设备的雷电 电磁脉冲防护等级来确定。在对SPD进行连接时，应按要求使连线尽量短，一般不超过0.5m。
如果进线端SPD的电压保护水平与被保护设备的冲击耐受电压相比过高的话，则须在设 备处加装第二级SPD。
为对电子信息系统机房设备提供最佳的保护，使得被保护设备既能承受更强的电流又有 较小的残余电压，通常应用 SPD 作一级及二级保护。一级保护能承受高电压和大电流，并应 能快速灭弧。二级保护用来减少系统端的残余电压，它应具有较高的斩波能力。两级 SPD
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之间的最短距离为 10m。
当进线端的 SPD 与被保护电气设备之间的距离大于 30m 时，应在离被保护设备尽可能近 的地方安装另一个 SPD。反之，如果不增加一级保护，由于电缆距离较长，SPD 上的残压加 上电缆感应电压仍可能损坏设备，不能起到保护作用。
10.5 数据中心共用接地与单独接地
在过去很多年，IT 设备供应商从自身设备的安全考虑，往往提出其设备要单独接地， 经过调查发现要求单独接地的理由主要有两个：
第一，如果不单独接地，设备间的故障电压将互窜，导致 IT 设备外壳带电，造成人员 触电事故；
第二，IT 设备的电子线路易受干扰，要求单独接地。 从接地分类来讲，第一个理由属于保护性接地，第二个理由属于 IT 设备的功能性接地
（信号地）。由于导体的阻抗（电阻+感抗）在不同的频率下是不同的，在直流或交流 50Hz 工频条件下，接地线的阻抗主要是电阻，其值很小，可忽略不记，而在 300kHz 以上的高频 条件下，接地线的阻抗主要是感抗，其值很大，将直接影响接地效果。保护性接地主要涉及 配电系统问题，因此主要是在工频条件下进行讨论，而电子线路的工作频率和易受干扰的频 率一般是在几十到几百兆赫范围内，因此 IT 设备的功能性接地主要是在高频条件下进行讨 论。
对于单台 IT 设备来讲，要求单独接地是很合理的，其目的是为了保证工作人员的生命 安全，保证 IT 设备的正常工作，但认真分析后会发现，对于 IT 设备所处的建筑来讲，或者 是对整个接地系统来讲，“单独接地”存在很多不能解决的问题，如不采取其他措施，很难 完全保证人员的生命安全和 IT 设备的正常工作，下面就两个“单独接地”的理由进行分析。
1．对第一个理由的分析 从表面上来看，第一个理由是从人员生命安全的角度考虑的，单独接地是为了防止其它
设备的故障电压影响到 IT 设备，仔细分析起来，实际上和配电系统有关。配电系统为 TN-C 系统时，要求设备单独接地是有一定道理的，但当配电系统为 TN-S 系统时，要求单独接地 的理由就不存在了。图 66 是 TN-C 系统，从该图可以看出保护线与中性线是合二为一的，我 们称之为“零线”或 PEN 线，用电设备的金属外壳是接在“零线”上的，称为接“零”保护。 系统正常运行时，“零线”上是有电流和电压的，所以用电设备的外壳上也存在电压（一般 不超过 50V），这时如果将 IT 设备的工作接地和保护接地接在“零线”上，将对设备产生干 扰，造成设备不能正常工作，对人身安全也不能很好地保护，因此供应商提出要求进行单独 接地来解决这一问题。IT 设备单独接地后，TN-C 系统变为了 TT 系统。图 67 是 TN-S 系统， 从该图可以看出保护线（PE）与中性线（N）自变电所之后是绝对分开的，用电设备的金属 外壳是接在“PE”线上的，系统正常运行时“PE”线上是没有电流的，且建筑内所有金属管 道、配电设备的金属外壳、金属构架、电梯轨道、金属灯具外壳均与 PE 线做等电位联结，
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整栋大楼基本上可看作为一个等电位体（在 50Hz 的工频情况下，楼层之间的电位差暂且不 计，但在 300kHz 以上的高频或雷电流的作用下，楼层之间的电位差不可忽视），不存在电位 差，因此设备和人都是安全的，但如果安装在大楼内的 IT 设备“单独接地”，不接“PE”线， 则相当于将 TN-S 系统改为了 TT 系统，TT 系统如图 68 所示：
图66 TN-C系统示意图
图67 TN-S系统示意图
RCD
图 68 TT 系统示意图
从图 68 可以看出，IT 设备是单独接地的，正常时设备的外露导电部分为地电位，电源 侧和其他设备出现的接地故障电压不互窜，达到了 IT 设备要求单独接地的目的，但当实施 了单独接地的 IT 设备自身发生接地故障时或建筑物遭受雷击时，单独接地在保证设备和人 员安全方面就有问题了，下面就单独接地的安全性从两方面进行分析。
（1）单独接地的 IT 设备自身发生接地故障时
从图 68 可以看出，当设备自身发生接地故障时，故障电流 Id 如图中箭头所示。故障回 路内包含了 RA 和 RB 两个接地电阻，故障回路的阻抗比 TN 系统的阻抗要大，故障电流较小， 作为保护用的电气装置不能及时动作切断电源，此时如有人员接触设备外壳，将造成触电事 故。
理论上解决上述问题的方法有两个，一是在电源回路中加装 RCD 剩余电流保护器（如图 68 所示）；二是大幅度降低接地电阻值，使 RA≦1Ω（对于不同的设备，此值略有不同）。这 两种方法从理论上来讲都是可行的，但在实际操作中都存在一些问题。
在第一种方法中，由于 IT 设备的电子线路一般装有滤波装置（用于抑制干扰），而滤波 装置中的电容器是跨接在相线和 PE 线之间的，设备工作时存在正常的泄漏电流，此电流值 有可能大于 RCD 的动作电流值（或一路配电线路带几台设备，其泄漏电流的和值大于 RCD 的动作电流值），造成 RCD 动作切断电源。在数据中心内，从保证 IT 设备供电可靠性的角度
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出发，一般不允许在供电回路中加装剩余电流保护器。 在第二种方法中，要实现单独接地，
且接地电阻 RA≦1Ω 在实际工程设计和施工中是很
难达到，更何况为了防止反击，单独接地的接地极要求远离建筑基础 20 米以外（建筑基础 一般作为共用接地系统的接地极），现场一般是没有这个条件的。
（2）建筑物遭受雷击时
从图 68 可以看出，IT 设备的接地与整个建筑的接地是绝对分开的（暂且这样认为，要 做到绝对分开几乎是不可能的，也没有必要），在建筑物遭受雷击时，由于雷电泄放电流高 达数十到数百千安，导致建筑物的整体电位瞬间抬高，而 IT 设备由于是单独接地，其接地 系统与建筑物的“地”是分开的，因而此时 IT 设备仍保持低电位，建筑物与 IT 设备之间形 成了电位差，造成 IT 设备击穿放电，操作人员触电伤亡。
消除电位差的唯一方法是做等电位联结，美国国家电气法规 NEC 和国际电工委员会 IEC 的标准规定：每一建筑物（每一装置）的所有接地体都应等电位直接连接在一起。这种方法 就是我们通常所说的“水涨船高”，IT 设备的基准电位与建筑物的电位永远保持一致，没有 了电位差，设备与人员的安全就得到了保证。
2．对第二个理由的分析
IT 设备的电子线路是否需要单独接地？在讨论这个问题之前，我们先将电子线路的工 作原理介绍一下。
IT 设备的工作信号是“0”和“1”，而“0”和“1”是相对于某一个基准电位而言的。 在 IT 设备中，各种电路均有基准点，如果将这些基准点连接到一个导体平面上，则该平面 就称为基准平面，所有信号都是以该平面作为零电位参考点。IT 设备常以金属底座、外壳 等作为基准平面，将这个基准平面接地，即构成设备的“信号地”。这个“地”是相对而言 的，可以是大地，也可以是接地母线等。总之，只要是一个等电位点或等电位面即可（基准 平面也可以不接地，形成悬浮地）。信号地的作用是为电子线路的工作提供一个统一的公共 参考电位（即基准电位），不会因基准电位的经常漂移而引起信号量的误差，使 IT 设备稳定 可靠地工作。
从以上分析可知，电子线路的工作需要一个基准平面，基准平面可以是大地，也可以是 接地母线、接地端子，甚至可以是悬浮地，只要是一个等电位点或等电位面即可，而不一定 需要单独接地。在 IEC 标准及我国相关工程设计标准中提出了接地基准点（ERP）的概念， 即将本层的楼板钢筋或敷设的金属网看成为基准点或基准面，设备的保护接地和功能接地直 接接在基准点、基准面上，不采用每台设备单独接引下线的方式，而是采用将基准面与接地 干线或拄内钢筋连接，其主要目的是两个：第一是为设备的操作人员提供安全保障；第二是 为提高 IT 设备的工作稳定性。
就以上分析来看，单独接地是没有意义的，单独接地实际上是把人身安全和设备安全放 在了第二位，把抗干扰放在了第一位，这是不正确的，应在保证人身和设备安全的前提下解 决
干
扰
问
题
。
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3．如何解决问题
从以上的分析可以看出，IT 设备要求单独接地的两个理由存在很多问题，从安全保护 方面来讲，当 IT 设备自身发生接地故障时，保护用的电气装置是不能及时动作切断电源的； 当建筑物遭受雷击时，建筑物与 IT 设备之间的电位差，将造成设备击穿放电，操作人员触 电伤亡。对于 IT 设备的“信号地”，实际上只是需要一个相对稳定的基准平面。问题分析清 楚后，如何解决问题就是我们下面要讨论的话题。
4．有关规范的规定
《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008 第 8.3.4 条规定：电子信息系统机房 内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等必须进行等电位联结 并接地。第 8.4.2 条规定：保护性接地和功能性接地宜共用一组接地装置，其接地电阻应按 其中最小值确定。
《建筑物防雷设计规范》GB 50057—94，2000 年版第 1.0.2 条和第 6.3.3 条规定：新 建建筑物应采用共用接地系统。
《计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范》GA 267—2000，第 7.2 条规定：新建计 算机信息系统设备机房建筑物的接地系统应采用共用接地系统，宜利用建筑物基础钢筋地网 或桩基网作为共用接地系统的基础接地装置。
《建筑物电子信息系统防雷技术规范》GB 50343—2004 第 5.1.2 条规定：需要保护的 电子信息系统必须采取等电位连接与接地保护措施。
IEC60364-5-54 规定：在一个装置内安装的接地体都应该用接地导体连接到总接地端子 上。
IEEE1100-1999 第 2.2.2 条规定：共用等电位联结网是建筑物内供有效等电位联结和接 地的首要方法。
5．采用等电位联结解决以上问题
消除电位差的唯一方法是做等电位联结，使 IT 设备的基准电位与建筑物的电位保持一 致，没有了电位差，设备与人员的安全就得到了保证。
图 69 等电位联结示意图
《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008 规定了保护性接地（防雷接地、防电
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击接地、防静电接地、屏蔽接地等）和功能性接地（交流工作接地、直流工作接地、信号接 地等）宜共用一组接地装置，其接地电阻应按其中最小值确定。机房内所有设备的可导电金 属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构等均应作等电位联结并接地。数据中心 常用的三种等电位联结方式见上图：
图 69 中，所有 IT 设备就近与接地汇接箱或等电位联结网格连接，利用建筑钢筋或接地 导体引下至接地极（建筑基础，共用接地系统），没有接地电阻值的要求。
第一种称为 S 型（星形结构、单点接地）等电位联结，适用于易受干扰的频率在 0～30kHz （也可高至 300kHz）的 IT 设备的接地。对于 C 级机房或建筑面积小于 100 m2 机房，IT 设 备可采用 S 型等电位联结方式。这种方式能同时实现保护性接地和功能性接地，是最为简单 易行的。
第二种称为 M 型（网形结构、多点接地）等电位联结，适用于易受干扰的频率大于 300kHz （也可低至 30kHz）的 IT 设备的接地。IT 设备除连接 PE 线作为保护接地外，还采用两条（或 多条）不同长度的导线尽量短直地与 IT 设备下方的等电位联结网格连接，网格的作用是为 IT 设备抑制高频干扰提供一个低阻抗的参考平面，从而降低干扰水平。大多数 IT 设备应采 用此方案实现保护性接地和功能性接地。
第三种称为 SM 混合型等电位联结，是单点接地和多点接地的组合，可以同时满足高频 和低频信号接地的要求。由于在高频条件下导体存在电容耦合，互相靠近的导体间存在电感 耦合，高频干扰信号将通过这些耦合进行传导，为了消除这种干扰，产生了混合型等电位联 结的接地方式。采用这种方式时，在有需要的楼层内需装设水平等电位网格，这些网格又和 所在场所的电气装置外露导电部分、建筑物金属结构、管道等就近相联结。各楼层间也通过 金属结构、管道等互相作垂直的联结。
10.6 数据中心UPS输出端重复接地
UPS 作为 IT 设备的电源，其输出端是否可以做重复接地，要根据供电系统的接地型式 综合考虑。
1．问题产生的原因：
（1）UPS 所带负载三相不能平衡，造成中性点漂移
三相输出 UPS 的负荷很难平衡，原因是设计或施工时，很难准确判断今后的使用情况， 即使设计或施工时做到了三相平衡，设备运行时也不可能达到三相平衡，原因是每台服务器 的负荷率不同，且经常变化，有的服务器负荷率 10%，有的服务器负荷率 30%或 90%，永远 不可能达到三相平衡。带来的结果是 N 线中有大量的不平衡电流，导致中性点漂移。
（2）IT 设备对“零地”电压有限制
“零地”电压就是中性线与 PE 线之间的电位差，服务器等 IT 设备对“零地”电压的限 值是 1～2V。“零地”电压产生的原因是 N 线中存在电流，根据实际测量，N 线中的电流往往 等于或大于相线中的电流，因此《电子信息系统机房设计规范》GB 50174—2008 中规定：
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中性线截面积不应小于相线截面积。N 线中的电流除上述所说的三相不平衡电流外，还包含 大量的谐波电流。谐波电流的产生有两方面的原因，一是 UPS 所带 IT 设备为非线性设备， 非线性设备在运行过程中产生大量谐波电流；二是 UPS 本身属于开关电源设备，在运行过程 中也产生谐波电流。
为了解决“中性点漂移”和“零地电压”的问题，有些数据中心在 UPS 安装完成后，将 N 线与 PE 线直接短接，做重复接地，这样做也是有规范依据的。国家标准《建筑电气工程 施工质量验收规范》GB50303—2002 中规定：“不间断电源输出端的中性线（N 极），必须与 接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地”。但是不是在任何情况下都可以这样做 呢？答案是否定的。下面就这个问题进行分析：
2．原因分析和解决方法
图 70 是 UPS 原理示意图举例（没有输出隔离变压器），从图中可以看到，负载所需的 N 线和 PE 线均由 UPS 旁路提供，同时 UPS 自身工作需要的 N 线也从旁路提供，下面就根据 TN-S 和 TN-C-S 系统，针对 UPS 输出端 N 线做重复接地进行讨论。
图 70 UPS 原理示意图
（1）当 UPS 供电电源的接地型式为 TN-S 系统时
当 UPS 供电电源的接地型式为 TN-S 系统时（见图 71），如按照 GB50303 的规定，UPS 输出端的 N 线与 PE 线连接，使 TN-S 系统中的 N 线多次接地，这样做表面上是解决了“中性 点漂移”问题，但实际上违反了 IEC 和国家规范关于 TN-S 系统在整个系统中 N 线和 PE 线分 开的原则，这显然是不可行的。
图 71 UPS 输出端错误接地示意图（供电电源的接地型式为 TN-S 系统）
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既然 N 线来自 UPS 旁路，对于 TN-S 系统来讲，N 线不允许做重复接地，但如果要按照 GB50303 的规定执行，使 UPS 输出端 N 线能够做重复接地，则可以采用将 UPS 旁路加装隔离 变压器的方法解决问题。图 72 是在 UPS 旁路加装隔离变压器的方案。在 TN-S 系统中，旁路 有隔离变压器的 UPS，可以按照 GB50303 的规定，输出端 N 线做重复接地。
图 72 UPS 输出端接地示意图（供电电源的接地型式为 TN-S 系统）
当供电电源的接地型式为 TN-S 系统时，要降低 IT 设备输入端的“零地”电压，唯一的 方法就是在 UPS 输入或输出端增加隔离变压器。图 73 是在配电列头柜中装设隔离变压器， 变压器次极的中性线与 PE 线短接后接地，在隔离变压器后形成新的 TN-S 系统。由于配电列 头柜紧邻 IT 设备机柜，N 线长度较短，即使 N 线中有很大电流，N 线与 PE 线之间也不会产 生较大的电位差，很好地解决了“零地”电压问题。
图 73 利用隔离变压器降低“零地”电压示意图
图 74 机房接地示意图（列头柜带隔离变压器）
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图中等电位联结带、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构均与局部等电位联结箱 连接后，再接至大楼总等电位联结箱（或带）。机柜采用两根不同长度的 6mm2 软铜线与等电 位联结网格（或等电位联结带）连接，从列头柜至机柜的 N、PE 线，因单相负荷较多，其截 面积应与相线相同。降低“零地”电压的方法除了使 UPS 设备尽可能地靠近 IT 机房，缩短 供电距离；单相负荷应均匀地分配在三相上，中性线截面积不小于相线截面积外，加装隔离 变压器也是一个很好的方法。
（2）当供电电源的接地型式为 TN-C 系统时
当供电电源的接地型式为 TN-C 系统时，由变电所引出 PEN 线至 UPS（见图 75），按照 GB50303 的规定，将 UPS 输出端的 PEN 线做重复接地，这样有利于遏制中性点漂移，使三相 电压均衡度提高。同时，当引向 UPS 供电侧的中性线意外断开时，可确保 UPS 输出端不会引 起电压升高而损坏由其供电的 IT 设备。
当机房负荷较小，同一台变压器即要为 IT 设备供电，又要为照明、空调等设备供电时， 配变电所低压盘内就需要设置 PEN、PE、N 母排（见下图）。为 IT 设备供电采用 TN-C-S 系统， 由变电所引出 PEN 线；为照明、空调等设备供电采用 TN-S 系统，由变电所引出 PE 线和 N 线。
图 75 UPS 输出端接地示意图（供电电源的接地型式为 TN-C 系统）
图 76 是当供电电源的接地型式为 TN-C 系统时，数据中心机房接地示意图，从图中可以 看出，列头柜之前的供电电源接地型式是 TN-C 系统，在列头柜内 N 线与 PE 线短接后接地， 形成 TN-C-S 系统。列头柜至各个机柜的 N 线与 PE 线严格分开，满足 IT 设备的要求。
图 76 机房接地示意图（供电电源的接地型式为 TN-C 系统）
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3．小结
IT 设备如采用单独接地，当其自身发生接地故障或建筑物遭受雷击时，在保证设备和 人身安全方面存在问题，最好的解决方法是采用共用接地系统和等电位联接。
IT 设备的“信号地”需要是一个等电位点或等电位面，在数据中心内，等电位点或等 电位面有三种型式，即 S 型、M 型、SM 混合型等电位联结。M 型等电位联结采用铜网组成等 电位联结网格，是 IT 设备最常用的接地方法，其作用是减少危险电位差和高频干扰信号的 迅速泄放。
当 UPS 供电电源的接地型式为 TN-S 系统时，如 UPS 旁路未加隔离变压器，UPS 输出端 的 N 线与 PE 线不能连接；如 UPS 旁路增加隔离变压器，按照 GB50303 的规定，UPS 输出端 的 N 线与 PE 线可以连接做重复接地。
当 UPS 供电电源的接地型式为 TN-C 系统时，按照 GB50303 的规定，可以将 UPS 输出端 的 PEN 线做重复接地，形成 TN-C-S 系统。
数据中心的接地问题在工程界已争论多年，是一个看似容易，实际较难处理的问题。对 于 IT 设备采用共用接地系统和等电位联接，目前已得到国内外的普遍认同；但对于 UPS 输 出端是否可以做重复接地，还需要结合供配电系统进行综合分析，不能一概而论。
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十一 数据中心电力电缆选择与设计
数据中心电力电缆的选择与设计是数据中心供配电系统建设的重要组成部分，不仅是因 为数据中心电力电缆是数据中心供配电系统各设备的连接路由，更重要的是电力电缆和数据 中心的安全防火密切相关。
11.1 数据中心防火电缆综述
1．电缆的性能特征： 目前，电缆行业习惯将低烟、无卤、阻燃、耐火等具有一定防火性能的电缆统称为防火 电缆。
低烟（Low Smoke），顾名思义就是较低的烟雾散发度，线缆在燃烧时散发较低烟雾， 确保员工有足够光线找到逃生出口。国际电工委员会IEC颁布的标准IEC 61034是针对烟密度
（Smoke Generation）的规范。测试实验由一个3立方米的透明立方体和一个带光源的光度测 量系统组成，酒精作为燃烧源。一个鼓风机确保线缆燃烧产生的烟雾均匀分布在立方体内， 酒精燃烧时，记录仪记下光减弱量。烟密度是以透光率量度，如果能达到60%透光率（Light Transmittance），该电缆材料就达到低烟标准，透光率越高，线缆外皮燃烧时所释放的烟雾 越少。
无卤（Halogen Free），就是不含卤素，线缆在燃烧时不会散发酸性气体，确保人员安 全和有源设备不受腐蚀。国际标准IEC60754是针对燃烧气体腐蚀性（Acidity）的规范，此 测试是量度在燃烧时线缆外皮物料所产生的卤酸气体酸度。它通过水溶液的PH值和导电率 来测定。测试实验规定，燃烧炉预热到800℃，把一根内置样品的石英管推入炉内，同时开 始记时。在样品燃烧的前5分钟，每隔1分钟测一次PH值和电传导性能，接下来的25分钟每 隔5分钟测一次。一般无卤电缆材料的PH值会大于4.3，导电率小于10μs;PH值越少，即表示 物料的卤酸气体酸度越高。
阻燃（Flame Propagation），低烟无卤线缆达到低烟雾无卤素的要求的同时也必须达到 较好的阻燃等级，为了评定线缆的阻燃（Flame Propagation）的性能优劣，IEC分别制定了
60332-1、60332-2和60332-3三个国际标准。IEC60332-1和IEC60332-2分别用来评定单根线缆 按倾斜和垂直布放时的阻燃能力。IEC60332-3用来评定成束线缆垂直燃烧时的阻燃能力，相 比之下成束线缆垂直燃烧时在阻燃能力的要求上要高得多。 IEC60332-3测试规定，成束 3.5 米长的电缆样品固定在梯形测试架上，试样数量按不同分类所要求的非金属物料决定。试样 垂直挂在燃烧炉上，空气通过底板上的进气口引入燃烧炉。燃烧器以750℃的火焰与样品接 触，样品在强制吹风（气流排放5立方米/分钟，风速0.9米/秒）的情况下，必须在垂直燃烧
20分钟内燃烧不起来，电缆在火焰蔓延2.5米以内自行熄灭。IEC60332-3有A类、B类、C类 和D类之分，进一步评定阻燃性能优劣。IEC60332-3A阻燃性能最好，在垂直燃烧40分钟内 燃烧不起来。
耐火（Fire Resistance）：在规定的火源和时间下燃烧时能持续地在指定状态下运行的
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能力，即保持线路完整性的能力。 因此，数据中心用户在选择低烟无卤线缆的时候一定要
遵循国际电工委员会IEC颁布的
标准：IEC 61034、IEC60754和IEC60332-3，要求线缆厂商提供符合以上标准的低烟无卤线 缆，帮助用户实现理想防火阻燃级别的数据中心。
2．关于阻燃和耐火标准的理解：
（1）阻燃的要求，为两个层面： 第一层：阻燃电缆首先要满足的是单根阻燃性能要求：
表18 单根阻燃性能要求
代号 Z 试验外径 D/mm D≤25 25≤D≤50 50＜D≤75 D＞75 供火时间/S 合格指标 60 120 240 480 试验方法 试样烧焦应不超上距夹具下缘 GB/T18380.1 50mm～540mm 的范围之外 GB/T18380.2 第二层：阻燃电缆在满足单根阻燃性能要求下，还有一个多根电缆成束安装情况下的阻 燃标准要求，这个标准就是我们通常所说的阻燃A类、阻燃B类、阻燃C类、阻燃D类：
表19 多根电缆成束阻燃性能要求
代号 ZA ZB ZC ZD 试样非金属 供火时间/S 材料体积 L/m 7 3.5 1.5 0.5 40 40 20 20 合格指标 试验方法 试样上炭化的长度最大不应 GB/T18380.3 超过距喷嘴底边向上 2.5m； IEC60332-3-25 停止供火后试样上的有焰燃 烧时间不应超过 1h 注：《电缆在火焰条件下的燃烧试验第3部分：成束电线或电缆的燃烧试验方法》GB/T 18380.3—2001。 根据GB/T18380.3—2001，如果单根电缆仅满足了第一层阻燃的基本要求，
其在成束的
安装场合下未必有同样的表现，因为火焰沿着成束电缆的蔓延燃烧还受到多种因素的影响： 如电缆的几何形状及其周围的媒质；从电缆释放出各种气体的引燃温度、安装电缆的空间体 积、电缆的结构等。因此阻燃电缆分A、B、C、D类主要是用来评价成束电缆在规定条件下 抑制火焰蔓延的能力，其与电缆的用途即电缆、通信等无关。从标准我们也能看出，阻燃 ZA的等级最高，因为排列的根束最多，非金属材料也最多，对于普通机房的安装条件下是 很少能达到这个条件的，但对于数据中心机房，电缆在桥架上层层叠放，同一桥架上安装的 电缆根数极多，因此要求阻燃电缆的选型要满足阻燃A型，这是阻燃的最高等级要求，因此 在信息产业部的通信行业标准《通信电源用阻燃耐火软电缆》TD/T1173—2001之5.9.3有如 下规定：“阻燃型电缆应经受GB/T18301.3中A类的成束燃烧试验。”表明通信机房内的电 缆选型在一般情况下应选择阻燃ZA型号的电缆。同时，选择阻燃电缆虽能延缓火焰蔓延， 但并不足以保证该电线电缆能在所有敷设条件下阻止火焰的蔓延，因此，在一些蔓延危险性 高的场合，如成束大长度垂直敷设是，还应采用特殊的装置来预防，例如在线井馈孔安装阻
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火包或采用防火泥等材料进行楼层间的封堵，防止电缆燃烧时火焰顺着垂直走线架蔓延。
（2）耐火电缆性能指标 阻燃电缆和耐火电缆遵循的是完全不同的指标体系，两者之间不能够简单的类比，因为
电缆阻燃的标准关注点为电缆在燃烧条件下抑制火焰蔓延的能力，而电缆耐火的标准强调的 是电缆在火焰条件下燃烧而要求保持线路完整性的试验步骤和性能要求，包括推荐的供火时 间，该标准强调的是电缆在火焰条件下保持负载正常工作。通俗地讲就是，万一失火，电缆 不会一下就燃烧，回路比较安全。因此耐火电缆与阻燃电缆的主要区别是：耐火电缆在火灾 发生时能维持一段时间的正常供电，而阻燃电缆不具备这个特性。耐火电缆试验合格标准的 重要判据是：
——保持电压，即没有一个熔断器或断路器断开。 ——导体不断，即灯泡一个也不熄灭。 耐火性能要求：
表20 耐火性能要
求
代号 N 适用范围 0.6/1.0kV 及以下电缆 数据电缆 供火时间＋ 冷却时间/mm 90＋15 90＋15 试验电压/V 合格指标 额定值 相对地： 110±10 试验方法 1）2A 熔断器不断 GB/T19216. 2）指示灯不熄 21 1）2A 熔断器不断 GB/T19216. 2）指示灯不熄 23 注：供火温度为 750＋50/0 ℃。 普通耐火电缆分为A类和B类：B类电缆能够在750℃～800℃的火焰中和额定电压下耐 受燃烧至少90min而电缆不被击穿，（即2A保险丝不熔断）。在改进耐火层制造工艺和增加 耐火层等方法的基础上又研制了A类耐火电缆，它能够在950℃～1 000℃的火焰中和额定电 压下耐受燃烧至少90min，而电缆能够维持正常工作。A类耐火电缆的耐火性能优于B类。
目前市场上还有一类矿物绝缘电缆，通常为铜芯铜护套氧化镁绝缘防火电缆，它是由矿 物材料氧化镁粉作为绝缘的铜芯铜护套电缆，矿物绝缘电缆由铜导体、氧化镁、铜护套三种 材料组成，具有不燃、无烟、无毒和耐火的特性。该电缆也属于耐火类电缆，与普通耐火电 缆相比具有更优异的技术指标，但由于该电缆价格昂贵、生产工艺复杂、使用维护困难等， 一般只应用于重要的消防泵的供配电、应急发电机组、机场停车场等重要场所、动力配线、 高温炉窑、金属冶炼、船舶、石油平台、化工厂等场合。
（3）无（低）卤低烟阻燃电缆 普通的电线电缆护套料大多采用塑料和橡胶做材料，这些材料极易燃烧，电线电缆常因
为自身在传输电能过程中发热或外部明火而燃烧，容易引起火灾蔓延。为了改善电线电缆的 阻燃性能，一般采用PVC材料或聚烯烃中添加含有卤素类的阻燃剂，它借助与氯乙烯聚合物 受到热到约194℃开始分解而逸出的氯化氢（HCL）气体，覆盖在燃烧体系周围隔离空气， 同时HCL能捕捉聚合物燃烧过程中生成促进燃烧连锁氧化反应的自由基OH，减缓系统的燃
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烧。但是此种电缆在发生火灾燃烧时释放出大量的剧毒、有腐蚀性的卤化氢气体和大量的烟 雾，容易使人窒息而死，同时对仪器设备造成很大的腐蚀，即所谓的“二次污染”并且给救援 工作带来很大的困难。大量的火灾分析表明：有毒烟雾致死人命的比例远高于高温灼烧致死 的比例。
而无卤低烟电缆的机械性能比普通电缆稍差，这是由于加入一些特殊的添加剂所致，无 卤低烟电缆阻燃电缆的绝缘层、护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用 的是不含卤的交联聚乙烯（XLPE）阻燃材料，不仅具有更好的阻燃特性，而且在电缆燃烧 时没有卤酸气体放出，电缆的发烟量也小，电缆燃烧产生的腐蚀性气体也缆阻燃性和降低卤 酸气体发生量之间采取折衷的方式开发出了低卤低烟阻燃电缆，无卤低烟电缆优良的环保特 性，随着制造工艺的提高，必将取代低烟低卤电缆，广泛应用于地铁、隧道、船舶、高层建 筑、大型公共活动场等人员密集的重要场合及安全性要求高的设施。
低烟低卤电缆的绝缘和保护材料，一般是使用聚氯乙稀PVC树脂为基材，加入增塑剂、 抗氧剂、阻燃剂、抑烟剂、HCL吸收剂、稳定剂等，经特殊工艺加工而成，因此低烟低卤电 缆在火焰燃烧情况下大大降低了材料燃烧时的烟密度和氯化氢的释放，产生极少烟雾，释放 的气体显现为少烟低毒性。当火灾发生时，可大大减少对仪器、设备对人体的危害，因而被 广泛用于高层建筑、医院、大型图书、体育馆、防灾指明挥调度楼、车站和民用机场、旅客 候车室、重点文物保护场以及地铁、地下商场或人工密集的公共场所。
表21 无卤特性要
求
代号 无卤（低腐蚀性） pH 加权值 电导率加权值/μS/mm 试验方法 W ≥4.3 代号 D 试样外径 d/mm d＞40 20＜d≤40 10＜d≤20 5≤d≤10 2≤d≤5 ≤10 表 10-29 低烟特性要求
试样数 最小透光率/% 1（根） 2（根） 3（根） 45/（根） 45/3d（根） ≥60 GB/T 17650.2 试验方法 GB/T 17651.2 对于低卤低烟阻燃电缆，根据现有的国家标准，我国并没有相对应的具体国标或行标， 缺乏参考依据，因此该类电缆更多的是各生产企业自行进行定义，因而各厂家的产品技术参 数各不相同。随着人们环保要求的提高，该电缆将被无卤阻燃电缆所取代，低卤低烟只能是 目前一种经济型过渡产品。
3．电缆额定电压表示方法
电缆的额定电压表示为：U0 /U（Um）。例如：450/750V 、0.6/1（1.2）kV和1.8/3（3.6） kV。一般来说，1 kV以下属于低压电缆，1 kV以上是高压电缆
在电缆的电压表示U0 /U（Um）中：
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U0：电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电压； U：电缆设计用的导体间的额定工频电压； Um：设备可承受的“最高系统电压”的最大值（见GB/T 156—2007标准电压）。即设
计时采用的电缆和附件的任何两个导体之间的运行最高电压，但不包括由于事故和突然甩负 荷所造成的暂态电压升高。
多数电缆Um为U0标称的2倍。 通信工程常用的单层护套RVZ阻燃电缆有标称压为450/750V，双层绝缘护套的RVVZ阻
燃电缆及部分YJV电缆标称的额定电压为0.6/1kV，这些电缆一般应用于低压配电系统的电 力电源线中。
额定电压为300/300V、300/500V的电线通常用在单相220V及以下的检测、监控仪器仪 表线路中。
4．阻燃耐火电缆型号的命名规则 按照现行的国标规范，阻燃耐火电缆的燃烧特性如下：
系列名称 阻燃系列 有卤 表 22 阻燃耐火电缆的燃烧特性
代号 名称 ZA ZB ZC ZD WDZ WDZA WDZB WDZC WDZD N ZAN ZBN ZCN ZDN WDZN WDZAN WDZBN WDZCN WDZDN 阻燃 A 类 阻燃 B 类 阻燃 C 类 阻燃 D 类 无卤低烟阻燃 无卤低烟阻燃 A 类 无卤低烟阻燃 B 类 无卤低烟阻燃 C 类 无卤低烟阻燃 D 类 耐火 阻燃 A 类耐火 阻燃 B 类耐火 阻燃 C 类耐火 阻燃 D 类耐火 无卤低烟阻燃耐火 无卤低烟阻燃 A 类耐火 无卤低烟阻燃 B 类耐火 无卤低烟阻燃 C 类耐火 无卤低烟阻燃 D 类耐火 无卤低烟 耐火系列 有卤 （代号省略） 无卤低烟 （1）产品型号组成
电缆的型式由由系列代号、绝缘、护套材料代号、外护层和性能特征代号5部分组成：
外护套 护套材料代号
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性能特征代号： ZA－阻燃A类 系列代号： R－软电缆系列 绝缘材料代号： V－聚氯乙烯 外护层代号：
22－钢带铠装聚氯乙稀外套
Y－聚烯烃 NA－耐火A类
绝缘材料代号（挤包内衬层、隔离套） 系列代号 性能特征代号 WD－无卤低烟
23－钢带铠装聚烯烃外套
（2）电缆的基本型式、产品名称和使用范围：
表 23 电缆的基本形式名称及范围
型式代号 ZA－RV ZA－RVV ZA－RVV22 WDNA－RY WDNA－RYY WDNA－RYY23 （3）电缆结构
名称 铜芯阻燃聚氯乙稀绝缘软电缆 铜芯阻燃聚氯乙烯绝缘聚氯乙稀护套软电缆 铜芯阻燃聚氯乙稀绝缘钢带铠装聚氯乙稀护套软电缆 适用范围 架空、 管道、 室内、 电缆沟、 铜芯耐火无卤低烟聚烯烃绝缘软电缆 地下直埋 铜芯耐火无卤低烟聚烯烃绝缘聚烯烃护套软电缆 铜芯缆 耐火无卤低烟聚烯烃绝缘钢带铠装聚烯烃护套软电 四芯及其以上电缆的线芯截面分等截面和不等截面两种结构。 电缆的使用特性：
①电缆的额定工作电压：有450/750V、600/1000V、3.6/6kV等 ②电缆导体的长期工作温度：70℃、90℃等
③电缆安装敷设时环境温度：一般不低于0℃，特殊定制的耐寒电缆可以达－35℃。 （4）电缆型号举例：
①铜芯阻燃聚氯乙稀绝缘软电缆电力电缆，额定电压为600/1000V，3＋1芯，标称截面 95mm2，中性线截面50mm2表示为：
ZA－RVV－600/1000
称 截面70mm2，表示为：
VLV22—0.6/1
3×95＋1×50 （GB/T 12706.1—2002）；
②铝芯聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆，额定电压为0.6/1 kV，3芯，标
3×70
（GB/T 12706.1—2002）；
11.2 数据中心防火电缆选择与计算
1．直流供电回路电力线的选择与计算 在直流供电系统的接线中，根据各段导线所起的作用不同，可分为充电线、放电线和供
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电线。这里，整流器经直流屏到蓄电池的导线称为充电线；蓄电池组经直流屏到通信设备的 导线称为放电线；整流器经直流屏到通信设备的导线称为供电线。在通信电源直流供电系统 中，一般不单设充电线，而是充电线与放电线合为一体。故此，供电线就泛指直流供电系统 中的全部电力线了，供电线中一般分系统单独布设。现将一般情况下的直流供电回路电力线 的选择与计算做如下叙述：
1）直流供电回路电力线的组成 直流供电回路的电力线，包括除远供电源架出线以外的所有电力线，如蓄电池组至直流
配电设备，直流配电设备至变换器、通信设备、电源架、列柜、安装在交流屏上的事故照明 控制回路进线端子和高压控制或信号设备的接线端子，电源架、列柜和变换器到通信设备， 事故照明控制回路出线端子至事故照明设备，列柜至信号设备，以及各种整流器至直流配电 设备或蓄电池的导线等等。
上述各段导线中，直流配电设备至高压控制及信号设备的电力线，应按容许电流选择， 并在必要时按容许电压降校验；直流屏内浮充用整流器至尾电池的导线（在直流屏内部的部 分），应按容许电流选择，并按机械强度校验；整流器至直流配电屏的导线 ，一般应按容 许电流选择，但在该段导线使用母线时，可按机械强度选择，而按允许电流校验。其余部分 的导线，均应按蓄电池至用电设备的容许电压降选择；或在使用变换器时，按变换器至通信 设备的容许电压降选择。按导线的长期容许电流选择导线时，要根据导线可能承担的最大电 流，对照导线容许载流量在敷设条件下的修正值，来确定导线截面，具体计算可参见电缆厂 家给出的对应型号交流导线载流量表进行选择。按允许电压降计算选择直流电力线时，要根 据导线可能承担的最大电流计算，计算中应以设备的可能发生的最大功耗的数据为计算依 据。
2）直流供电回路电力线的截面计算 根据允许电压降计算选择直流供电回路电力线的截面，一般有三种方法，即电流矩法、
固定分配压降法和最小金属用量法，最常用的方法为电流矩法，下面仅对该方法做如下说明：
电流矩法 采用电流矩法计算导体截面，是按容许电压降来选择导线的方法。它以欧姆定律为依据。
在直流供电回路中，某段导线通过最大电流I时，根据欧姆定律，该段导线上由于直流电阻 造成的压降可按下式计算：
S＝ΣI*L/（Δμ*K） 其中：ΣI：流过导线总电流（单位：安培） L：导线回路长度（单位：米）（单向路由距离×2） Δμ：导线上允许的压降（单位：伏），一般小于1V K：导电系数（ K铜＝57、K铝＝34）；
2．交流电力线的选择与计算 选择交流电缆截面，应符合下列要求：
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1）线路电压损失应满足用电设备正常工作及起动时端电压的要求； 2）按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应小于计算电流； 3）导体应满足动稳定与热稳定的要求；
4）在三相四线制配电系统中，中性线（以下简称N线）的允许载流量不应小于线路中 最大不平衡负荷电流，且应计入谐波电流的影响，一般N线≥1.5倍相线。
5）采用单芯导线作保护中性线（以下简称PEN线）干线，当截面为铜材时，不应小于 10mm2；采用多芯电缆的芯线作PEN线干线，其截面不应小于4mm2。
6）当保护线（以简称PE线）所用材质与相线相同时，PE线最小截面应符合下表的规定： 保护接地线的截面按照以下原则选取：（见GB 7251.1—1997 中7.4节）
表24 PE线最小截面与相线芯线截面之间的关系
相线芯线截面 S（mm2） S≤16 16 （1）按发热情况选择电缆截面 各类电缆通过电流时，由于导线电阻功率损耗发热，温度升高。导线温升过高，将会促 使绝缘加速老化，造成绝缘破坏、起火；同时，也会使导体变软，机械强度降低，接头处氧 化加剧，接触电阻增大。因此，各制造厂商对各种导线连续发热的容许温升都做出了明确规 定，并且根据散热条件制定了各类导线的持续容许电流及各种敷设条件下的修正系数。因此， 按发热情况选择导线截面应满足下式： K·I≥I js 式中： I js －最大计算负荷电流 （A）； I －考虑标准敷设条件 （空气温度 25 0 C，土壤温度为15 0 C）及导线容许温升而制 定的导线持续容许电流（A）； K－考虑不同敷设条件的修正系数； K= Kt·K1·K2 式中： Kt －温度校正系数； K1－电缆直埋地敷设多根并列校正系数； K2－电缆穿管多根并列在空气中敷设校正系数 （2） 按电压损失选择电缆截面 欢迎下载，希望对您有帮助！ 可编辑修改 由于线路具有一定的阻抗，在电流流经线路时必然产生电压降，若不考虑相位变化，线 路始端与终端电压矢量的代数差，即称为电压损失，常以其对于额定电压的百分数来表示。 线路电压降应该首先保证用电设备的正常工作，即使用电设备的端电压偏移值在其允许 的范围内。其次，线路电压降应满足电力部颁布的《全国供电用电规则》中规定：“用户受 电端的电压变动幅度，不超过：……10kV及以下高压供电和低压电力用户为额定电压的± 5％；低压照明用户为额定电压的＋5％、－10％”。根据上述要求并考虑经济合理，规定各 种网路的允许电压损失取值范围，详见下表： 表 25 供电网路的允许电压损失取值范围 序 号 网 路 名 称 允许电压损失（％ 〕 备 注 1 内部低压配电线路 1.0 ~ 2.5 两项总计不得大于 6％ 2 外部低压配电线路 3.5 ~ 5 3 4 5 内部供给有照明负荷的低压网路 正常情况下的高压配电网路 正常情况下地方性高压供电网路 （3） 按机械强度选择电缆截面 电缆由于本身的重量、故障情况下电流之间的作用力以及外部的冰雪风雨等机械力作 用，因此容易断裂，所以，为了保证电缆的机械强度，电缆在敷设与安装时电缆选择必须满 足一定机械强度的要求。 （4） 按经济电流密度选择电缆截面 按经济电流密度选择电缆的计算公式如下： 3 ~5 3 ~ 6 5 ~ 8 两项总计不得大于 10％ S= Imax /Jj 式中：S — 电缆经济截面计算值﹙mm2 ﹚； Imax —最大负荷电流﹙A﹚； Jj ——经济电流密度﹙A/ mm2﹚， 可根据年最大负荷利用时间和电缆种类见下表： 表26 年最大负荷利用时间和电缆种类 最大负荷利用小时（小时/年） ＜3000（一班制 ） 3000～5000（二班制 ） ＞5000（三班制﹚ 电 缆 铝 芯 1.92 1.73 1.54 铜 芯 2.5 2.25 2 注： 当电缆长度＜30m 时，可根据经济电流密度选取电缆，但还必须按长期容许电流 校验。 3．数据中心 UPS 电缆的配置要点 数据中心UPS设备的电缆配置既涉及到直流电缆的配置，又涉及到交流电缆的配置；既 和其余的低压供配电设备的电缆配置有相同之处，又有其特殊之处，因此特地单独阐述如下： （1）UPS主路输入和旁路输入的电缆计算： UPS主路输入电缆电流计算： Iin=（Q*CosØ*1.25）/（1.732*V*μ）， UPS旁路输入电缆电流计算： Ibypass=Iout=Q/（1.732*V） 欢迎下载，希望对您有帮助！ 可编辑修改 其中：Q为容量，CosØ为功率因数，1.25为整流器容量倍数（含25%电池容量），V为 标称电压，μ为整机效率，Iin为UPS主路输入电流，Ibypass 为UPS旁路输入电缆电流。 直流电流为标称电压对应的满载计算值 I=（Q*CosØ）/（U*μ） 其中：Q为容量，CosØ为功率因数，U为标称电池电压，μ为逆变器效率 注：当用户的使用工况不采用此边界条件时（例如电压下限极限值测试等），需要重新 计算电流值。 （2）UPS电力电缆注意事项： ①交流输入/输出电缆，电池电缆。对于一般中型以上的UPS来说，为便于接线，建议 用户尽量选用软电缆（如BVR铜芯多股电缆）。 ②对于大电流场合，如果选用几条小电缆以并联形式来连接的方法，应进行降额，防止 分流不均或其中一条故障导致其它电缆过流。对于中、小型UPS可按3-5A/ mm2来进行配置。 对于大型UPS，可按1.5-2.5A/ mm2来配置。超大型选用母排为宜。 ③UPS电源系统的中线有旁路电源输入中线、UPS电源输出中线等。UPS的中线截面积 应为相线截面积的1.2 -1.5倍。 . 欢迎下载，希望对您有帮助！ 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容