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浅谈数据中心建设中电气专业配电箱的深化设计思路

2023-05-09 15:43:44

  一、概述

  随着国家新基建大数据中心及人工智能超算中心的发展,电气专业得到了极大的重视,相较于常规项目的配电系统,数据中心的配电必须具有更高的可靠性和稳定的电力配送能力。电气设计方案也必须充分考虑系统的冗余性、故障可恢复性、需要配置备用电源,备用柴油发电站等设备以便抵御一般性的停电,确保不会发生设备故障断电。配电系统需要满足实际运行中设备检修、意外火灾应急处理等能力;同时,用户对数据中心的可靠性、可用性需求也不断提高,更加考验从业人员的设计能力。

  1.现代数据中心电气系统建设要求具备的原则

  1)系统设计的先进性:在保证可靠性、安全性和可用性的前提下,尽量采用领先的技术和先进的设备。

  2)电气系统要确保系统的安全和可靠性:采用高可靠性标准进行电气系统的设计,比如采用如图1所示的2N供电方式。使系统应具备在当前条件下和规定时间内完成规定功能的能力。

  3)系统应该具备方便的可管理性:为了满足可管理性的要求,电气系统应具备比较强的集中式管理和可进行分布式实施的需要。

  4)系统应该具备较高的灵活性和满足未来发展的需要:电气系统应具有可持续发展的能力,并在系统上具有较大的灵活性。

  为实现上述建设原则,在数据中心电气系统建设过程中,需采取各种措施及手段来保障数据中心功能的实现。

  2.深化设计的依据

  《20KV及以下变电所设计规范》GB50053-2013

  《供配电设计规范》GB50052-2009

  《低压配电设计规范》GB50054-2011

  《建筑照明设计标准》GB50034-2013

  《建筑防雷设计规范》GB50057-2010

  《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008

  《建筑物电子信息防雷技术规范》GB50343-2012

  《建筑设计防火规范》GB50016-2014(2018)

  《电子信息系统机房设计规范》GB50174-2008

  《通用用电设备配电设计规范》GB50055-2011

  《智能建筑设计标准》GB50314-2015

  《火灾自动报警系统设计规范》GB50116-2013

  《住宅建筑电气设计规范》JGJ242-2011

  《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058-2014

  自承接项目起,业主单位对施工单位的要求通常包含了《技术招标文件》以及《合同及界面约定》的要求。《合同及界面约定》里面通常对一些设备有品牌的要求,而《技术招标文件》则机电设备的设计参数、管线的材质、安装调试、设备控制方式、机电设备的启动方式有相关的要求,部分项目对各专业的设备、采用的材质等有特殊的要求,往往高于设计规范和设计施工图的标准,因此在做深化设计时一定要了解,准确无误的判断出业主单位最终的需求信息,避免无用功。

  3.深化设计的原则

  1)按原设计方案进行深化,若遇原方案有些问题应当提出,但要征得原设计方或业主的同意方可修改;

  2)要有深化设计的依据,这里可以参考上述的设计规范、业主招标文件及实际采购产品的安装手册;

  3)有必要的深化设计送审程序,如方案构成后有中间讨论(中间审查),部分细节做法中的优化措施需要单列深化内容清单中罗列确认,文件完成之后有校对,然后送出审批,审批同意后交与施工;

  4)深化设计内容要正确,项目的深化施工图应符合标书和条件图的要求。对不简单电源、暖通、给排水、动力、防排烟通风专业的大容量和特殊控制要求的设备或装置要阅读说明书和交叉核对实际的控制需求等信息,使做出来的设计也要符合上述各个专业的要求;

  5)深化设计深度要满足施工需要,深化设计文件要有说明、系统图、平面图、控制原理图、大型复杂设备外部接线图、元件和设备规格、导线截面和起点终点回路标注、安装方式和高度、综合管线剖面图、以及节点大样图;

  4.配电箱(小三箱)的深化实战

  配电箱(小三箱)是建筑电气中的重要组成部分,它是整个电气系统的末梢,其设计及安装直接影响着各专业末端配置的设备的是否正常运行,并可能会引发多级故障。以下就从常规项目的10个方面进行分析:

  二、照明系统灯具功率校对

  1)机房的一般照明,通常安装高度在冷热通道距地2.3~2.6米左右,采用LED灯具沿通道顺序布置在照明线槽底部,机房照度常规满足500Lx的要求,选型时根据不同型号灯具的光通量计算灯具数量,根据灯具密度可均匀间隔安装灯具也可首尾相连安装灯具。

  2)房间室内饰面与地面材料的反射系数,宜满足顶棚70%,墙面50%,地面20%。

  3)平均照度的计算公式如下:

  E=φ×N×U×K/A(1)

  式(1)中,E:工作面上的平均照度Lx;Φ:光源光通量Lm;N:光源数量;U:利用系数(灯具效率);

  A:工作面面积;K:灯具维护系数,室内取0.8;

  4)最后选型选定的各类型灯具功率尽可能不超过原设计的灯具总功率;反之,如实际选型后的灯具功率增加,则需详细复核每个回路的灯具总功率及照明配电箱内同时系数下的功率;

  5)灯具的选型款式需提前送样或彩页确认,并出具确认单,避免报价灯具和选型灯具不满足业主的需求而造成经济损失;图2给出了照度计算书参考示例。

  三、智能照明系统与三箱的匹配预留安装

  1)智能照明系统能提高数据中心机房的科技感,因此在机房模块中应用广泛,部分高端定制客户还对节能和人体感应存在识别及自动控制有相应定制需求;

  2)智能照明系统通常由电源模块、通信转换模块、多回路继电器控制模块和按键面板等部件组成;其中电源模块、通信转换模块、多回路继电器控制模块通常配合灯具照明回路安装在照明配电箱内,按键面板通过灯控回路数量可选择4按键、6按键或者8按键进行组合,按键面板尺寸规格多为86型面板能与常规86型底盒适配;

  3)电源模块、通信转换模块、多回路继电器控制模块需要提前快递到配电箱厂家进行预装,多采用标准的35mm导轨成排卡扣式固定安装,连接的一次回路施工时接空开断路器即可,连接的二次回路则由配电箱厂家预链接到二次回路的端子排,并制作好回路端子表便于施工现场布线端接和调试;

  4)按键面板与控制模块之间采用智能照明总线RVVSP电缆进行连接,多个模块之间采用手拉手形式串行连接,无需布放传统双联双控灯开关模式的很多条回路照明BV线,布线工程量大幅减少,灯具的回路仅从照明配电箱出线即可,图3给出了支架灯示例图片(a)和推荐200mm×1200mm规格吸顶照明线槽安装图片(b)。

  5)多个照明模块通过网络交换机组网后在ECC值班中心配置PC端智能照明控制软件可进行远程控制并设置逻辑后达到实现节能降低PUE的目的;图4给出了两种照明照明控制结构。

  四、水冷精密空调的功率(空调是否自带加湿器)

  1)由空调厂家提供产品安装手册或产品详细彩页用来复核水冷精密空调的单台功率/电压与原设计是否匹配,是否有设计功率容量不足问题;特殊项目内置电加热和加湿器的空调需考虑最大运行电流是否超载,并向业主单位确认内置电加热的功率是否计算在同时系数内;

  2)根据项目实际需求,每个配电箱均负载了多台空调的用电分配,如单台功率超出设计负荷,需向上逐级复核断路器的额定容量,并在配电箱生产前及时做出修正;

  3)复核IT负荷的精密空调电源支持单路还是双路电源供电,是否已配置双电源ATS,校对供电链路是否完整;有双电源需求但没有内置ATS的空调需在前端配置就地ATS配电箱,并需要考虑安装空间及安装环境的IP防护等级;

  4)查阅产品安装手册校对空调电源进线口位置及上进线还是下进线方式,用来准确计算需下单采购空调电缆的长度;

  5)目前大型数据中心的主流精密空调均已采用EC风机,高端客户还会特别要求为进口风机,由于采用直流变频技术,电气专业深化时向该项目的空调厂家确认风机类型好考虑空开断路器的D型脱扣曲线的额定电流即可,基本无需二次计算热继电器容量等工作;

  五、风冷DX空调的功率(空调是否自带加湿器)

  1)风冷DX空调内部有耗电功率最大的压缩机部分,系统功率复核校对时需特别注意压缩机的启动方式(定频OR变频),定频压缩机的启动电流需考虑额定电流的5~7倍,同时检查前端的微断开关应为D型脱扣曲线;

  2)当我们深化工作中为老旧改造项目时,部分风冷空调的产品彩页不容易获取时,可根据产品铭牌的总显冷冷量/3=实际电耗功率,这里是指风冷空调的COP预估为3倍(保守为3倍,激进为4倍);

  3)目前大型数据中心的规划设计风冷空调的数量小于水冷空调,较多安装于独立的基础设施功能房间,例如高中低压配电室、不间断电源室、电池室、运营商接入间等非纯IT用途,此类房间需查阅暖通专业图纸的设备参数表是否空调内置加热加湿器,需检查空调参数确定加湿器功率,并校对配电箱支路断路器的容量是否满足;部分项目会有仓库、会议室等小型家用分体空调,需详细制定表格校对检查配电箱回路的空开极数与电功率,标记处不一致的地方便于进行系统图深化修改;

  4)安装位置较为分散的环境需结合暖通图纸的设备安装位置和数量与电气配电箱的回路数和安装位置复核检查有无遗漏设备取电位置的情况。

  六、智能化专业的门禁系统功率及消防脱扣需求

  智能化机柜采用双路电源双PDU供电到网络设备和服务器设备,但需要注意的是门禁均为单电源设备,且有配合消防脱扣门禁断电逃生的消防需求。

  1)为保证门禁为单电源需求,常规会按楼层或分区域在智能化双路配电回路下配置N台双电源转单电源输出的STS设备,门禁单机功率较低,一般采用16A容量的STS即可;

  2)STS的输出通过电缆跳回到门禁配电箱的主输入,配电箱的门禁支路回路断路器均配置消防DC24V脱扣器,火警时消防主机输出DC24V来实现消防脱扣断电门禁的逃生需求;

  3)STS设备采购时需留意配置RS485通讯卡接入动环系统,STS设备的尺寸类似19英寸交换机,尺寸过大且有设备散热需求;常规配电箱内无法正常安装,可安装于弱电间同房间内机柜的顶层,以不妨碍其他专业设备的操作和维护为佳;图5示出了安装于配电柜/机柜内部的STS位置。

  七、配电箱风机额定功率与电流校对检查

  1)事故排风与补风系统、灾后排气系统、消防排烟系统,以上的通风系统常见配置均为轴流风机,风机电功率则依据排风量不同而改变;

  2)深化设计需按照通风专业实际订购后的动力设备实际容量校核开关容量,选择电动机起动方式,绘制电动机控制原理图,大型设备外部接线图,经过负荷计算选择开关容量,确定开关型号,导线截面与型号,然后根据系统图制作平面图,在建筑上落实设备位置、标明设备容量。

  3)风机电动机的额定功率和额定电流

  电动机的额定功率是指额定输出功率,即电动机满载运行时在电动机转轴上的有效机械功率(轴功率),未包含电动机的机械损耗(轴承损耗、风耗)和电气损耗(铁损、铜损)。

  电动机的额定电流或称满载电流,是指电动机满载运行时由电动机接线端子处输入的电流,

  三相电动机的额定电流IRM应按下式计算:

  (2)

  式(2)中IrM——电动机的额定电流,单位:A;PrM——电动机的额定功率,单位:kW

  UrM——电动机的额定电压,单位:kV;η——电动机的满载时效率;cosφ——电动机的满

  载时功率因数。

  4)电动机的保护

  风机电动机需装设短路保护和过负荷保护,风机电动机的过负保护一般采用热继电器,短路保护可使用熔断器和电磁式断路器。

  5)电动机启动方式

  电动机的起动指的是从接通电源到电动机达到额定转速的全过程。电动机起动时起动电流大,为避免因启动时间过长导致电机绕组过热而损坏电机,从而需要使电动机缩短起动时间尽快地加速到额定转速。同时,如起动电流大会导致供电链路的电源电压降低,影响同一电源上其他设备的用电。所以对起动的电动机在端子上的电压作了规定:对于不经常起动的电动机的容量,一般不宜超过变压器容量的30%;对经常起动的电动机的容量则不宜超过变压器容量的20%;对于压降,频繁起动电动机不宜低于额定电压的90%。不频繁起动不宜低于85%(GB50055-20112.2.2)。需要考虑控制起动电流方法,常用的起动方法有直接起动、星三角起动和软起动器起动。

  6)电动机启动方式比较(详见表1)

  八、配电箱风阀二次控制深化

  1.消防排烟风机系统深化控制要求说明:

  1)消防排烟的通风管道上配置有70度或280度防火阀和电动风阀,控制原理为该通风管道链路中的任意一个防火阀的熔断反馈均须使该台排烟风机停机;需要注意70度或280度防火阀需要带两组反馈干接点信号,给到消防系统接收和配电箱的二次接点分别使用;

  2)常见排烟风机的控制要求为消防DC24信号开电动风阀,风阀开到位信号反馈联动风机,设消防就地启停按钮;防火阀在配电箱的二次回路中串联反馈信号,任一防火阀熔断时停风机;排烟风机控制箱面板配置就地启停开关阀控制;消防专业的DC24V开风阀开风机,就地停止按钮提供关风阀停风机信号;

  3)排烟风机的控制箱常见与排烟风机安装与同一房间内,否则需配置检修用的就地隔离开关箱;图6示出了消防排烟风阀手动执行器的接线示意图。

  2.日常风机系统深化控制要求说明:

  1)通风系统专业的日常风机运行时,常开密闭电动阀打开,电动阀开到位信号串联风机启动二次回路,风机启动运行;

  2)通风系统专业的日常风机遇消防信号时,停风机,并关闭电动阀;

  3)需注意配电箱与风机不是在同一个房间时,需在风机安装位置就地安装带隔离开关和启停按钮的组合开关器件,起到风机故障检修时能就地物理断开并能远程启停测试的作用。

  3.灾后排气风机系统深化控制要求说明:

  1)灾后排气系统常用于模块机房内发生保护区内的IG541或七氟丙烷气体灭火动作后,内被惰性阻燃气体充斥,人体不能贸然入内;需启动该风机系统将有害气体全部清空后方可入内,所以灾后排气风机系统需在该保护区房间门外或室外通道设置启停按钮。

  2)当项目位于多层机房时,灾后排气系统会设置垂直风井安装多个电动风阀并要求分区域进行排气;因此本层的机房需要灾后清空时,该机房室外手动打开启动操作,配电箱动作为:打开本层风阀,其他楼层风阀不动作,同时风机启动开启,仅对本区域开始清空的排气工作;

  3)需注意灾后排气系统的日常风阀为常闭状态,即停风机时关闭电动阀门;

  4)事故排风与事故补风的联动深化控制要求说明:

  (1)事故排风与补风通常应用在数据中心机房的有存在可能泄露危险气体的房间,比如电池室、制冷主机房等;

  (2)事故排风与补风系统的电动风阀日常为常闭状态,当氢气或泄露冷媒传感器开关量信号动作时则打开风阀并启动风机,风阀设两组反馈干接点,一组反馈给消防系统,一组反馈给BA或动环系统监视报警用;

  (3)事故排风与补风系统同时运行时,如有消防火警信号输入则立即停止所有风机并关闭风阀;图8示出了事故排风与事故补风的联动控制按钮外观。

  (4)为避免房间内产生空气负压,事故排风与事故补风需要关联运行;事故风机开启时关联补风机同步启动,反正则同步停止;

  以上系统的深化均需要考虑所有电动风阀的工作电压,建议通风系统与消防排烟系统均统一为DC24V电动开关阀。

  九、电气火灾监控系统与三箱的匹配与内部安装接线预留

  1)电气火灾监控系统也称剩余电流式电气火灾监控,主要用于监控配电线路的正常工作状态,及时发现线路中出现的故障和火灾隐患。配电线路及其线路中的用电设备,由于老化、破损、进水、不规范施工导致的绝缘下降等等问题出现时,都会引起整个线路中剩余电流的增大,在探测器报警后,及时排查故障,自然可以减少电气火灾发生几率。

  2)在配电箱的深化过程中同样不能疏忽箱内需要配合消防专业而预留的功能元器件,如不能在箱厂预装,而到了施工现场才进行组装的成品内部会非常混乱,即失去电气工艺的可观赏性,也拆装了箱内元器件,对配电箱内的接线进行了二次非专业拆装无法保证供电的高可靠性;

  3)在低压柜系统图中未规划电气火灾监控探测器的项目需在配电箱内做探测器的预安装;

  4)根据配电箱系统图统计出需要配置漏电探测器的箱号、检测断路器的额定电流容量、数量;根据汇总表格的配电箱出线为线缆式或铜排式选择探测器形状,铜排式需选用长条形探测器,线缆式需选用圆形探测器;

  5)最后选择的探测器容量不应小于待检测回路的最大额定电流;消防系统专业安排电气火灾监控厂家根据点表数量将探测器和检测模块快递发货至该项目的配电箱厂家完成产品预装,并将二次线引至接线端子处。

  6)电气火灾监控系统的主机与外部连接线与调试均由消防专业完成。图9示出了电气火灾监控系统的主机与外部连接线及安装。