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数据中心新型末端母线白皮书第一部分

2020-01-02 浏览量;298次


数据中心新型末端母线白皮书

编者按:本白皮书凝集了包括突破公司姚燕家、袁云涛高工在内的专家们的心力。对行业发展做出贡献。

来源:中国信息通信研究院



1 引言

随着数据中心对于末端用电高负载、低损耗;可靠性易用性具备;降本与趋于零运维的需求越发迫切,数据中心末端母线系统逐步演变为末端供配电的主流产品。这种产品极大的规避了强电列头柜加电缆早期数据中心末端供配电形式的不足,实现了模块化,硬连接,可重复利用保护投资、供配电设计分离的新型高安全性末端供配电目的。数据中心末端母线系统符合 GB 7251.6-2015 等标准。

本文将针对数据中心末端母线方案的总体介绍、敷设空间与速度、CAPX 与 OPEX、关键技术点、应用场景及其发展趋势等方面进行详细解读,帮助数据中心客户在末端配电实现产品化、快速部署、降低成本、便于扩容及弹性调整的需求。



2 数据中心末端母线介绍

数据中心末端母线特指 0.69KV,800A 以下应用于数据中心内部的末端供配电系统, 应用电缆或密集型母排自上级配电柜出线侧馈入供电始端(箱)单元,通过母线导体实现供电,再由配电单元馈电至机柜侧用电设备。



2.1 数据中心末端配电架构

 传统数据中心根据不同负荷容量选用 35kV 或者 10kV 作为进线,根据不同等级配置单路或者双路变压器及 UPS,为 IT 设备供电,而制冷和辅助设备一般会有单独的配电回路。UPS 配电后端的设备,我们称之为数据中心末端配电。

传统的末端配电设备包括:列头柜,精密配电柜,PDU 等。随着数据中心进一步发展,对大功率,高可靠,模块化的需求日益加剧,机房末端母线产品,逐渐成为一种替代列头柜的优势方案,为更多客户所接受。


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图 2.1 机房配电架构示意图




传统的列头柜,采用电缆进行出线,出线配置 1P 或 2P 空开,每一个出线回路链接一根电缆到一台机柜,再通过工业连接器或者直接连接到 PDU 的端子排上,为服务器进行供电。列头柜在设计中往往会配置一些备用回路,以备日后增容或者维修,可是一旦列头柜方案落地实施后,再进行调整和更改会变得非常麻烦,甚至需要停机进行作业。采用电缆出线,如果双路配电的方案,会有大量的电缆需要部署,后期维护、增加、减少机柜、调整机柜布局、增加机柜容量难度很大。另外,电缆中间没有监控,长期通过大电流出现绝缘老化时无法提前预警,常对运营带来潜在危险。

机房末端母线系统方案很好解决了上述问题,特别是对于大容量、高压直流的配电方案和面对机柜使用客户需要经常变化配置的机房应用中具有更大的优势

 

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图 2.2 列头柜方案对比末端母线方案



 2.2 末端母线供电模式

末端母线配电的工作形式可以分为双路热备份和一主一备的冷备份方式。目前采用的主流方案是双路热备份的配电方案。

2.2.1 双路热备份

采用两路母线供电,两路母线分别来自不同的 UPS 和变压器。平时各占 50%负荷, 一旦一路失电需要一路带 100%的负荷。此种方式可以在发生断电故障时候进行快速切换, 是目前比较常用的一种母线配电形式。

 2.2.2 一主一备(冷备份)

采用两路母线供电,两路母线分别来自不同的 UPS 和变压器。分为主备回路,平时主回路承载 100%负荷容量,备用回路不带电,主回路失电后,备用回路自动切换。此种配电形式比较直观,一路设备相对线路损耗较少。但是主路负荷即是全部负荷,对设备要求比较高,对母线温升需要进行特殊规范,需要比双路热备份要求更低才不会由于母线温升导致对机房环境产生影响。冷备份的方案适合对供电可靠性要求相对较低的场景。

2.3 微模块母线结构

由于母线结构更加简单,部署更加快捷,模块设计更容易实施和调整,所以越来越多的微模块方案也采用末端母线配电形式。常见的方案有以下两种:

2.3.1 四路母线供电

此种方式采用 4 路母线架设在两排微模块机柜后上方,直接为下方PDU 配电。这样每条母线负荷容量较小,结构简单,部署灵活。但是需要配置四个始端箱,单侧两个始端箱放置需要进行设计以便于后期维护。另外上层断路器需要相应的配置 4 个。



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图 2.3 微模块四路母线供电



 

2.3.2 双路母线 U 型布置

此种方式减少了始端箱数量,母线整体性更强。但是单路母线负荷更高。另外,母线需要跨过冷通道天窗,需要单独设计。跨通道部分也可采用线缆做转接。同时由于母线槽需要承担整个模块的负荷,因而同等情况下,其额定容量是四路母线方案的两倍。



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图 2.4 微模块双路母线供电



 

2.4 母线部署方案

2.4.1 母线传统部署方式

吊杆安装,母线的安装路径需要提前设计,以避开弱电和其他管路,一般母线的部署需要在弱电和桥架之前。另外,对于层高受限,天花板不具备吊装环境的情况,则需要考虑其他方式。


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图 2.5 母线槽吊杆安装



2.4.2 微模块安装的母线方案

往往需要整体与环境解耦合,不依赖于环境部署,母线直接在机柜后上部用支架架设。此种方式可以减少纵向架设空间。解耦合方案中还有两种形式,一种是支架吊装方案,一种是托举架空方案。

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图 2.6 母线槽支架吊装方案



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图 2.7 母线槽托举架空方案



2.4.3 分层架设

为了对双路母线进行维护和操作,母线可进行分层架设设计,对于一些固定安装的母线方案,由于产品的插接箱在侧面,更多采用双层架设的方案,可以减小末端母线安装的空间需求,也为弱电/光纤桥架等留出了更大的部署空间。腾讯 T- Block 方案采用的就是这种架设方式。

2.5 末端母线直流供电方案

随着数据中心的大规模建设,面对数据中心日趋增长的负荷,其能源消耗也与日俱增。人们在降低前期投入的同时,越来越关注后期的运营成本。由于 UPS 供电模式存在能耗高,维护和扩容难度大、建设成本高等问题,高压直流作为数据中心供电方案逐渐在运营商和互联网厂家中推广开来,所以机房末端母线也同样需要具备直流方案。国内常见的高压直流方案为 240V 和 336V。

直流方案相对交流方案而言更加节能,但是在安全性上需要更多考虑。由于直流没有过零点,如何有效的运用直流断路器来熄灭电弧需要特别设计线路。直流方案和交流方案是否可以共用一种母线结构,其 PE 母排是否可以满足设计要求,都需要特别考虑。

2.6 末端母线进线模式

母线进线从插接箱进入,有交直流分别。交流母线 380V,5 芯线缆,进线三相+PE+N。直流进线正极+负极+PE。交直流均可以使用电缆进行连接,交流从 UPS 配电出线柜引电缆通过电缆桥架进入始端箱。直流从 HVDC 直接引出电缆到母线始端箱。另外,一些厂商有可以和大母线母排硬连接的方案。


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图 2.8 末端母线进线示意图



 

2.7 机房母线的组成

 2.7.1 始端箱

 作为机房母线的进线端口,和母线智能化插接箱所有信号的收集端口。始端箱可以按照客户要求将进行上进或者侧进,可以根据客户具体需求配置塑壳断路器和浪涌保护器。对于同侧布置的始端箱,需要考虑后期如何方便维护,可以错开或者上下两层布置,也可以将始端箱柜门开在侧面方便维护。始端箱进线口需用电缆法兰进行绝缘保护,始端箱内铜排布置应满足绝缘和爬电距离要求。上进或侧进线(左进线或右进线)需要提前考虑, 采用不同结构产品。始端箱进线电流一般在 160A-630A 之间,对应相应的直线段规格。


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图 2.9 末端母线始端箱



 2.7.2 直线段

作为机房母线,直线段承担了输送电流的主要任务,其母排要求应充分考虑到母线运行温升。目前,机房母线直线段结构大多采用空气绝缘,部分采用密集型母线,少数厂家采用固体绝缘。空气绝缘母线产品支持滑轨式结构,多点位插接,更适用于机房的情况。密集型母线接近传统动力母线结构,经济实惠,但是温升较高。固体绝缘母线可以做的更加小巧,但是整体成本较高。

母线的导体结构目前市面上以 U 型和一字型排较多,厂家间存在技术交叉和专利冲突。在结构设计时,滑轨式母线槽还需注意在插接箱布置时有更大的接触面积,以便控制温升。

 

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图 2.10 常见的末端母线铜排结构



外壳大多采用铝合金壳体,表面阳极氧化,壳体厚度在 1.5-3mm 之间。部分厂家采用钣金壳体,可以应对客户提出的特殊设计。整体产品一般IP40,但是部分项目要求IP35,甚至要求IP44,对于机房内布置的母线产品实际上没有太大必要。母线一般采用 3m,2m, 1m 模块化组合,部分可以定制长度。电流一般分为 160A,250A,400A,630A,800A 等,有些厂家根据自身情况会有细分。不同电流等级的产品其壳体和结构可能会有不同, 部分厂家采用通用配置,方便后期维护。对于直流母线一般采用和交流相同的结构,不过需要考虑 PE 排的截面积设计。

 2.7.3 连接器

 连接器是连接两段母线直线段的重要连接部件,大多厂家采用动力母线力矩螺栓加压片的结构,这种结构比较稳定,但是组件较多,在安装时候比较麻烦,后期温升较高,另外无法准确测量连接处的温升。有厂家采用模块化的连接器设计,安装简单,可以配合测温附件对连接处进行测温,这种连接器接触面积较大,温升较低,比较适合机房母线模块化安装的特点。对于不同电流等级的连接器一般厂家采用不同的规格,而 400A 以下和630A 以上一些厂家采用不同的连接器结构。



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图 2.11 常见的连接器结构



滑轨式末端母线配电单元

滑轨式母线的配电单元多采用插接箱形式,插接箱负责机房母线的出线,目前大多数标准要求可以满足 100A 出线,实际使用中 32A 居多。一般一个插接箱 3 路出线,分别分配到 3 台机柜,每个回路采用 1P 断路器,取自母线上A、B、C 三相电源,可以保证三相配电平衡。插接箱分为单相和三相配置,具体配置和客户负载容量相关。

插接箱可以配置智能表计,采用 485 接口,串联连接,测量整条母线所有出线的电气参量。智能表计可以根据客户要求选用是否带液晶显示的表计,要求运维人员可以比较清晰的读取表计屏幕上的数据,以便记录,表计屏幕可以向下旋转方便观测。但是更多采用集中在始端箱或者一块 HMI 屏幕上显示,方便后期的集中管理和操作。

固定式末端母线配电单元

对于部分新型的末端母线方案,设计时取消了插接箱,采用工业连接器直接连在直线段中,这种设计,尽可能减少产生故障的连接点和功能,将保护和测量均放置在机柜中的PDU 中,在一些固定配置,空间有限,大规模部署的情况下尤其优势。腾讯 mini-Block 就采用此类方案。

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图 2.12 新型末端母线直线段效果图




新型末端母线将工业连接器插座通过焊接或者铆接的形式连接到铜排上,对比滑轨式母线插接箱的方案,降低了因导体间接触力减小而导致接触电阻增加,接触点发热的风险。由于涉及到专利保护,每个厂家的插接箱与滑轨连接的方式都不同,没有标准化,不同厂家之间的插接箱与直线段完全不兼容,而工业连接器作为目前国际通用的标准解决方案, 无论是在方案成熟度,还是市场资源方面,都有明显优势。简化掉插接箱之后,整体成本也大幅下降,令其成本接近传统列头柜解决方案,更加利于末端母线的推广和产业生态的培养。

 其他附件

 ·安装吊杆:用于安装母线。

 ·端盖:在母线端头进行密封。

 ·特殊工具:对于安装母线的特殊工具,一些厂家要求必须厂家安装。

 ·转弯连接件:用于连接两根母线槽的连接件。

 ·母线滑轨密封盖板:目前大多数厂家采用部署完成后现场裁剪金属盖板,密封母 线下端滑轨,以达到防止误入带电间隔的要求。但是现场施工增加了安装难度, 而且难以保证防护效果。也有部分厂家采用模块化设计,将盖板和直线段设计为一体,减少了后期安装难度。

2.8 机房母线的主要参数

·额定电流:机房母线分为交流和直流,交流额定电流一般分为 160A,250A,400A, 630A,800A 五个等级,有些厂家根据自身情况会有细分,有厂家达到 800A 以上。直流母线电流等级分为 400A,800A,1250A 部分项目要求大于 1250A。

· 额定电压:机房母线交流额定电压为 400V,直流额定电压要求 400V,满足直流336V 和 240V。

· 额定峰值耐受电流:在规定的使用和性能条件下,开关设备和控制设备在合闸位 置能够承载的额定短时耐受电流第一个大半波的电流峰值。额定峰值耐受电流应该等于 2.5 倍额定短时耐受电流。不同额定电流等级有不同要求。

· 额定短路电流:指系统在发生短路时所需承受的最大电流。不同电流等级做不同 耐受等级要求。不同额定电流等级有不同要求。

· 外壳防护等级:IP 防护等级系统是由 IEC 所起草,将电器依其防尘防湿气之特性加以分级。IP 防护等级是由两个数字所组成,第 1 个数字表示电器防尘、防止外物侵入的等级,第 2 个数字表示电器防湿气、防水浸入的密闭程度,数字越大表示其防护等级越高。机房内部产品,尤其机柜防护等级在 IP20,机柜需要通风率,

产品无法做到高 IP 等