地下洞式数据中心电气设计要点概述

引言

地下洞式数据中心,顾名思义就是将数据中心建设于山体的隧洞之中。隧洞周围深厚的岩石和稳固的山体结构为其提供了天然的地理优势,足以应对极端的环境变化和突发的重大灾害对数据中心安全的威胁。同时,山体结构中的温湿度等环境状态更容易维持稳定,对需要在稳定的环境参数范围内运行的数据机柜及服务器非常有利。所以,地下洞式数据中心作为重要的数据节点,成为我国数据中心发展的新方向。

目前,我国对地下洞式数据中心的研究尚处于起步阶段。本文结合实际工程,依据现行的相关规范,对地下洞式数据中心电气设计中的一些要点和关键问题进行介绍和探讨。

1设计要点及主要内容

地下洞式数据中心的电气设计以国家的相关标准和规范为依据,主要的设计内容包括:机房等级划分、设备模块化、负荷分类与分级、供电电源、配电系统及运行方式、照明设计、线缆敷设、防雷接地等。

2地下洞式数据中心的级别

在设计数据中心时,只有先确定设计对象的等级,才能根据规范合理地设计。基于地下洞式数据中心的优势及定位,目前的工程均将其定为A级数据中心。因此,本文以A级为数据中心设计等级,对地下洞式数据中心的电气设计进行一定的概述和分析。

3设备模块化设计

由于隧洞空间建设成本较高,因此为了合理且最大限度地利用空间,地下洞式数据中心的建设思路及发展方向是采用标准化的方舱模块进行组合堆叠,从而提高数据中心的出柜率、可靠性等各项指标。

在项目设计中,结合整个数据中心系统的架构及层级,将电气系统中的中压配电系统、低压配电系统、自备应急电源系统及IT设备供电系统等进行模块化和标准化:设计统一规格和标准的中压电力方舱模块、低压电力方舱模块、柴油发电机方舱模块、IT方舱模块等模块化设施,并将各方舱在洞内进行合理组合和堆叠。

方舱,就是采用集装箱结构,由钢材构建,考虑综合运输可靠性及模块内承重需求,底座、支撑立柱和顶盖采用焊接方式形成稳固的一体化框架。方舱模块,就是对目标设备进行合理的系统及布局设计后,将其安装在方舱内,成为相关的功能模块。如低压电力方舱模块,是将变压器、低压进出线柜、有源滤波柜、无功补偿柜、UPS等设备合理地布置在方舱中,并做到整个项目的统一设计,使其模块化与标准化。

同时,在进行模块化的方舱设计时,各方舱模块需要满足可上下堆叠、空调通风、密封性、可拼接等要求。

4负荷分类与分级

4.1负荷分类

地下洞式数据中心工程的负荷种类繁多,主要可分为如下几类:

(1)IT设备:位于运营商机房、机房模块内用于信息传输、处理和存储的网络设备、服务器、存储设备等。

(2)辅助设备:为IT负荷正常运行提供支持的辅助设备,包括机房空调、机房照明、安防设备、控制设备等。

(3)消防设备:消防水泵、排烟风机、报警系统、应急照明等。

(4)公区照明及其他设备:一般办公及其相关的非重要用电负荷。

(5)机房日常清扫、维护设备。

4.2负荷分级

根据负荷重要性,参照规范[1,4]确定地下洞式数据中心各类负荷的等级:

(1)一级负荷中特别重要负荷:1T设备、辅助设备:

(2)一级负荷:消防设备、公区照明:

(3)二级负荷:一般办公负荷、机房日常清扫及维护设备。

5供电电源设计

地下洞式数据中心内共设置三种供电电源,分别为:市电电源、自备应急电源、不间断电源。

5.1市电电源

市电电源是数据中心的主电源,为数据中心的设备提供电力供给。根据规范,地下洞式数据中心的市电电源不仅需要满足2N的容错架构,还必须满足双重电源的要求。其中,双重电源的要求在规范《民用建筑电气设计标准》(GB51348—2019)第3.2.8条的条文说明中有详细介绍与解释。在方案设计阶段就需要对建设点的供电情况进行合理的调查与分析,将用电容量、回路数量及双重电源的需求提交给当地的供电部门,保证后期的设计与建设阶段能有满足要求的双重电源供给。

5.2自备应急电源

在A级数据中心中,必须配置自备应急电源以防止突发情况导致市电中断,造成数据中心瘫痪。

由于柴油发电机组的操作性较高,所以在地下洞式数据中心的设计中将柴油发电机组作为应急电源,同时根据规范要求,柴油发电机系统应该按照N+1的架构进行冗余配置。地下洞式数据中心柴油发电机组主要技术参数的选择可按照表1进行。

5.3不间断电源

为了保障数据中心运行可靠稳定,UPS不间断电源被广泛应用于数据中心的电源系统。UPS电源的作用主要包括中断保护(可靠性)和防止电涌或持续电压尖峰对电子信息设备的影响(抗干扰性)。

在洞式数据中心项目UPS设备的选型中,一般采用三相交流引入、三相交流输出1GBT整流型不间断电源设备,为保证系统的可靠性,要求采用大容量高频塔式或模块化UPS。

根据规范要求,为洞式数据中心的不间断电源配置2N的容错架构,系统电池备用时间不应小于15min。同时,为了保证洞内各辅助系统的稳定运行,为洞内的制冷、安防等系统亦配置了不间断电源系统,并按基本容量N配置。

6配电系统及运行方式

6.1高压配电系统

地下洞式数据中心的高压电源建议为10kV。根据实际的负荷容量,10kV电源可以由市政电网直接按提资要求(双重电源)供给或者在场区内自建110kV(或220kV)变电站降压后提供。两组10kV电源不仅需要满足双重电源的要求,还需要采用两路电源同时工作、互为备用的方案,当一路电源突发故障时,另一路电源能够完全满足数据中心的运行要求。

根据模块化设计的要求,地下洞式数据中心高压配电系统的设备集中设置于标准的中压方舱内,并将此中压方舱设置于整个项目的负荷中心,为各区域的低压电力舱提供高压电源。

10kV系统设置单母线分段的结构:同组两路市电电源分别接至两段母线,母线间设分段母联断路器(母联具备自投手复、手投手复功能),同时,运行时两个进线断路器、母联分段断路器间设置联锁,保证只能有两个断路器同时闭合。

6.2柴油发电机配电系统

依据规范并结合具体情况,地下洞式数据中心的后备柴油发电机容量应包含洞内所有负荷的容量,包括UPS系统(含1T设备和辅助设备)的容量、公区照明及其他设备的容量、机房日常清扫及维护设备的容量。目前,在具体的地下洞式数据中心工程中,柴发机组总容量较大(均超过10000kw),故应采用10kV中压机组。

根据模块化设计的要求,项目中的柴发系统应设置标准化的柴油发电机方舱,并集中设置于洞内的动力区域,且需要配置配套的油库区域为柴发机组提供柴油的储存及输送功能。

同时,柴发机组按照规范要求应设置N＋1的冗余架构。N＋1台中压发电机组成系统并机,电源输出至洞内10k中压方舱的配电柜内与两路市电电源进行电气互锁,并在需要时从市电切换到发电机组供电。

6.3低压配电系统

地下洞式数据中心的低压系统具有负荷种类繁多、供电形式多样等特点,必须依照相关规范的规定进行设计才能保持供电系统的可靠性和稳定性。

第一,低压变配电系统应设置VN的容错架构:配置同规格、同容量的变压器,每两台为一组,两台变压器间设置低压母联开关,互为备用。同时,在地下洞式数据中心的设计中应将变压器设置在每条洞的负荷中心,从而降低中性线与2P线之间的电位差。

第二,低压系统的接地应采用TN-S系统,主接线采用单母线分段运行。

第三,地下洞式数据中心内负荷种类较多,每种负荷应采用符合规范要求的合理供电方式。

(1)ⅠT设备:由两路电源、两回线路,集中设置VN在线式U2S系统,双电源供电至设备。

(2)辅助设备:采用"一路市电＋一路U电"的供电方式,由两路电源、两回线路,集中设置U2S系统,双电源供电至设备。

(3)消防、公区照明等设备:由两路市电电源供电并在末端自动切换。

(4)一般办公负荷、机房日常清扫等负荷:由一路市电电源供电。

根据模块化设计的要求,低压配电系统中相关设备应设置于标准的低压电力方舱内,其中包括变压器、U2S、低压进出线柜、有源滤波及补偿柜、气体灭火和电力监控柜等。方舱内顶部考虑布置强电、弱电、光纤桥架等线路敷设的路由。同时,低压电力方舱应设置于各自供电范围内的负荷中心。

6.4不间断电源配电系统

设计中需要配置U2S的设备包括:ⅠT设备、安防与控制设备及辅助设备。

配置U2S系统时,为了减少对ⅠT设备的干扰,需要为ⅠT设备单独设置一组不间断电源系统,不能与其他设备合用不间断电源。其中,为了保证ⅠT设备供电的可靠性与可扩展性,同时也考虑到U2S在承受较低功率因数时存在不同程度的降容运行,其输出功率Pu应满足下列式子:

为ⅠT设备供电时:

为辅助设备供电时:

式中:Pu为U2S的输出功率:Pit为ⅠT设备的额定功率:Pfz为辅助设备的额定功率。

根据规范要求,地下洞式数据中心内ⅠT设备均由两组U2S供电,两组U2S按VN容错方式配置,为每组机架提供两路U2S电源,正常工况下每组U2S只负担一半负荷,故障工况时单组U2S负担全部负荷。

同时,为了保证洞内各辅助系统的稳定运行,建议为洞内的制冷、安防及控制等系统亦配置不间断电源系统,并按基本容量N配置,采用"一路市电＋一路U电"的模式进行配电。

7照明设计

在洞式数据中心的照明设计中,首先需要对照明区域进行划分。以洞内各区域的功能作为划分依据,可以将洞内的照明区域划分为辅助区、工作区及检修走道区域,不同的工作区域需要根据规范设计合理的照度值,同时,工作区的照度均匀度、辅助区与工作区照度值的比值等均需要满足规范的要求。其次,整个洞内的照明建议设计为智能控制:采用分布式计算机控制与管理的集散型控制系统,由控制中心进行集中监控。第三,各功能区域均应设置应急照明及疏散指示照明,且采用集中电源集中控制型的系统。

8线缆敷设设计

由于地下洞式数据中心的重要性,在线缆选择时不仅要考虑其稳定性和可靠性,还需要注意电气防火。选择线缆时,消防负荷采用无卤低烟阻燃耐火交联电缆或矿物绝缘电缆,非消防负荷采用无卤低烟阻燃电缆,电缆耐压等级和载流量(考虑温度系数和并列系数)满足使用要求。敷设时,洞内电缆沿桥架敷设,出桥架后穿金属管敷设,桥架做防锈防潮整体考虑。

地下洞式数据中心内有较多的非线性负荷与单相负荷,运行中不仅容易产生谐波,而且较多的单相负荷也容易产生三相不平衡现象,故电力线路的中性线含三相谐波电流的叠加及三相负荷不平衡电流,实测往往等于或大于相线电流,因此所选线路的截面积应满足:

式中:SN为中性线截面积:SL为相线截面积。

此外,设计时应将单相负荷均匀地分配在三相线路上,从而减小中性线电流和由三相负荷不平衡引起的电压不平衡度。

9防雷与接地设计

9.1防雷dd磁脉冲

对于地下洞式数据中心,防雷电电磁脉冲是防雷工程的主要任务。雷电电磁脉冲产生的感应浪涌电流会影响数据中心内设备的正常工作,其产生的过电压甚至能导致设备损坏。

在地下洞式数据中心工程中采取的防止雷电电磁脉冲的主要措施包括:屏蔽、接地与等电位连接、浪涌保护器保护。

(1)屏蔽。屏蔽是防雷电电磁脉冲的基本措施,包括空间屏蔽和线路屏蔽。空间屏蔽,包括利用建筑金属构件与防雷装置连接形成格栅型屏蔽大空间的建筑物屏蔽,也包括利用屏蔽性能更好的金属构件增加机房本体及其门、窗等构件的屏蔽性能的机房屏蔽。线缆屏蔽,通过采用屏蔽电缆或金属管并且在线路两端及防雷区交界处做等电位连接的方法,从而降低系统中的感应浪涌。

(2)接地与等电位连接。接地起到将防雷电流泄放入地的作用:等电位连接网络将各设备间的电位差减至最小,从而减小由此产生的磁场。

(3)采用浪涌保护器组合限制浪涌。在数据中心内,将不能进行等电位连接的金属导体,如电源线和数据线等,利用浪涌保护器与接地系统连接,起到限制浪涌电压的作用。

9.2接地设计

地下洞式数据中心内应设置联合接地体:变压器中性点接地、电气设备的保护接地、弱电系统等的接地共用统一接地体,接地电阻不大于1Ω。同时,项目内设置总等电位连接。

在隧洞两侧敷设通长的主接地铜排(采用规格为100×5的热镀锌扁钢),并经LEB板和结构预埋件与洞壁结构预留钢筋焊接连通。隧洞内各类金属管道、金属线槽、集装箱体外壳、建筑物金属结构就近与接地干线进行连接。

在各方舱集装箱内设置通长的接地铜排(采用规格为25×5的热镀锌扁钢),方舱内设备外壳采用6mm2接地线与接地铜排可靠连接,接地铜排通过接地线(25×5热镀锌扁钢)接至方舱外部对应的两处接地端并与主接地干线连接。方舱集装箱体外壳与内壳的金属构件间应可靠焊接,形成电气的可靠连接。

洞内各个接地端串联形成环网,最终构成一个整体的等电位接地网,该等电位接地网再通过接地体与接地网相连。

10结语

地下洞式数据中心是数据中心发展的新突破,也是数据中心工程在"新基建"中的全新方向,它为大数据时代的信息安全提供了传统地上数据中心无法比拟的可靠保障。目前地下洞式数据中心的设计和建设均处于起步阶段,本文的要点概述是通过实际工程得到的经验和总结。地下洞式数据中心是一个极为复杂的综合工程,设计中的每个环节都需要研究和探索,唯有科学合理的设计才能保证数据中心的可靠、稳定和安全。