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保护选择性,数据中心配电系统安全的基石

2024/3/26 11:26:22

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当前,数字化洪流在智能化的掌控下,正令千行百业产生质的转变。在时间维度上,数智化可以支持企业在不同发展阶段不断迭代升级。在空间维度上,数智化能帮助企业解决具体场景的具体问题,以更细颗粒度服务用户。因此在数字化浪潮和“双碳”战略目标下,数据中心迎来了更多发展机遇,同时也迎来更多挑战,如何保障持续稳定的电力供应、确保关键负载的可靠运行,并兼顾数字化管理、绿色可持续转型等等议题成为数据中心行业构建未来领导力的重要关注。

基于此,施耐德电气联合知名媒体、行业资深从业者共同打造数据中心《Future Talk》系列深度访谈栏目,以多方视角、多维度呈现业界专家、企业品牌、上下游合作伙伴对于未来数据中心的前瞻洞察与实践分享,进而赋能数据中心产业的长足发展。

在过去的二十年中,数据中心在拓扑结构以及单点设备的可靠性方面取得了显著进步。然而,配电系统中的保护选择性及实现方式,仍然是一个薄弱环节。日前,中讯邮电设计院电源首席工程师杨瑛洁、施耐德电气配电咨询专家杨迟、施耐德电气ETAP高级市场拓展工程师刘佳宁、施耐德电气数据中心架构师张晨光,施耐德电气数据中心行业市场经理马莉莎等嘉宾,做客数据中心《Future Talk》访谈栏目第1期,就“数据中心应如何正确面对配电系统的选择性及实现方式”这一话题展开深入探讨。

从左至右依次为:施耐德电气数据中心行业市场经理马莉莎、中讯邮电设计院电源首席工程师杨瑛洁、施耐德电气配电咨询专家杨迟

保护选择性,亟需引起重视的必然项

配电系统的保护选择性,简单而直白地讲,就是要求离故障点最近的上游保护装置,能够灵敏的、准确的、按照设定的延时动作,切断线路上故障。只将停电范围限制在自身故障的回路上,而不会引发其他正常运行回路的停电。从而将由于故障而导致的停电范围限制在最小。

“如在某超大型数据中心,一栋已经投运的数据中心楼的10kV变电站发生故障,引发园区220kV变电站越级跳闸。虽然这一故障没有引发停电,但运维人员压力巨大,经排查后发现原来是系统的保护定值存在问题,并没实现完全选择性,这类事故令人深思。”施耐德电气数据中心行业市场经理马莉莎用实例印证数据中心的保护选择性亟需重视。

中讯邮电设计院电源首席工程师杨瑛洁认为:“数据中心往往会忽略精细化的神经系统,导致稳定性差。这体现在数据中心日常运行可能平稳,但一旦遭受检修、系统切换操作或供电冲击,就可能会发生故障。”选择性在数据中心配电系统中非常重要,但实现上下游保护装置之间的全选择性,避免越级跳闸并非易事。对于大规模的数据中心来说,配电系统层级多,运行方式多,就需要更加精细的设计和配置以确保系统的稳定性和可靠性。

施耐德电气配电咨询专家杨迟强调,确保供电连续性并实现配电系统内的保护选择性,是数据中心安全运行的重要保障。“随着网络的广泛普及和覆盖,我们所需处理的数据量不断增加,数据处理速度也日益加快。这种趋势在无形中对当前数据中心的建设规模提出越来越高的要求,同时也使得配电系统的运行方式变得越来越多样化。”他透露,多年前他曾为一家海外知名数据中心提供相关的分析工作,用户在设备采购招标中会明确要求供应商根据实际设备型号进行短路电流计算、设备选型校验以及保护定值分析,同时必须实现保护系统上下级全选择性,并递交完整的分析报告。杨迟认为,国内数据中心近年来也开始越来越重视这个问题,这也与当前数据中心发展特点密切相关。

保护选择性,首先需厘清电力脉络

为了保证数据中心的正常运转,要用不同的电源来确保持续供电。比如用市电、应急发电机或者接入可再生能源供电,此外,不间断电源(UPS)也可以从主供线路切到旁路或者维修旁路。

施耐德电气ETAP高级市场拓展工程师刘佳宁介绍,运行方式的多样性使得数据中心配电系统结构日趋复杂,同时对供电连续性的稳定性提出挑战。因此,需要重视保护选择性,以防止小事故引起的大范围停电。另外,考虑到节能和电力模块方式的发展,设备与电源点的距离越来越接近,导致流过配电设备的短路电流越来越大,我们对相关设备的选型也需要根据与之调整。

对于大型数据中心而言,由于配电系统层级众多且运行方式复杂,实现电力系统保护装置正确动作,避免越级跳闸是一项极具挑战的任务。因此,数据中心规划者,在数据中心规划设计阶段可以尝试借助ETAP仿真分析软件辅助电力系统设计,从而大大减轻工作负担,通过软件仿真分析的结果实现精细化设计。

ETAP是全球领先的权威的电力系统仿真分析软件,是唯一获得批准可用于核电/高危行业的电力系统分析软件,可提供从设计到运维的全生命周期解决方案,从而助力电力系统的安全稳定运行。ETAP可以广泛覆盖多个行业领域,包括数据中心、电子厂房、石油石化、新能源、钢铁冶金等。

借助ETAP电力系统仿真分析软件,可以轻松快捷地绘制电气系统单线图。不仅可以简化操作流程,更可以通过软件便捷快速地生成保护定值的时间电流曲线(TCC曲线),从而直观地检查保护设备定值和选择性是否满足系统安全运行的要求,通过调整TCC曲线来优化保护定值。此外,ETAP电力系统仿真分析软件具有良好的数据交互性,可以生成仿真计算报告,方便数据中心运维人员进行设备信息台账式管理。现在,ETAP电力系统仿真分析软件已经在数据中心得到越来越广泛的应用。

保护选择性,需兼顾经济与可靠

在当今市场,用户在关注数据中心供电安全的同时,也更加注重成本效益。配电系统内保护选择性地实现,可能意味着更高的成本,因此用户需权衡利弊,综合考虑。

选择合适的级联方案也是降低成本的重要途径之一。施耐德电气的级联方案获得了杨瑛洁的青睐,她认为通过优化电路连接方式,可以显著提高系统的稳定性和可靠性,同时降低设备的维护成本。

在施耐德电气的级联解决方案中,可以让上下级断路器在同时检测到故障电流,并进行分断过程中,利用上级断路器的限流技术,让触头在斥开过程中降低流过下游断路器的短路电流,这种降低短路电流的效果相当于上一级断路器,成为下游短路电流的一个阻挡物,从而实现对下游断路器分断能力要求的降低。

级联技术的最大优势在于,允许在下一级设备中安装分断能力小于预期短路电流的断路器,但仍然能够在给定点安全分断短路电流,从而降低了成本。这样,就可以同时满足设备选型要求并兼顾经济性。

例如,通过级联技术,采用极限分断能力为50kA的NSX100N型断路器可以替换极限分断能力为100kA的NSX100H型断路器,单台断路器的采购成本可以下降近40%,这个采购成本差异是相当显著的。

施耐德电气数据中心架构师张晨光总结道:“保护选择性对减少数据中心宕机时间、降低数据中心运营成本意义重大。施耐德电气断路器除了常规保护选择性实现方式,还提供了区域联锁、双重设定等多种方式来应对不同的使用场景,提高开关的保护选择性,可以帮助客户实现配电系统安全稳定与经济性的平衡。”

四大配电隐患,需要正确指导

当前,在我国国内已经投入建设大量数据中心,这些运行中的数据中心在一定程度上正面临运维方面的困扰,或面临转型改造的挑战。

经过若干年运行后,配电系统中可能存在以下安全隐患:第一,设备老化,长期运行的设备可能存在不同程度的磨损、腐蚀或疲劳,导致其性能下降或失效;第二,绝缘下降,由于环境因素(如高温、潮湿)的作用,配电系统的绝缘材料可能发生劣化,导致电气性能下降;第三,误操作,即操作人员的技能水平不足或操作规程不完善,可能导致误操作引发事故;第四,自然灾害、外力破坏等外部因素也可能对配电系统造成损害。

对于经过改造或设备更换的现场,安全隐患可能更加突出。为此,施耐德电气提供了配电安全咨询服务,能帮助客户排查电气系统内的潜在隐患,并对隐患可能产生的问题进行专业评估,为客户提供详细的报告和建议。

如果用户对现有配电系统的保护选择性存在疑虑,或不确定是否具备选择性,以及选择性的程度如何,施耐德电气可提供专门的选择性分析服务。通过该服务,能够评估现有保护系统是否满足使用要求,并针对不满足的情况提供相应的改进方案。

如今,无论企业级业务应用还是个人的娱乐消费,越来越依托数字化技术来实现。因此对数据中心的稳定运行也有着越来越高的要求。坚强的供电系统是数据中心运行核心,这不仅依靠完善的冗余架构,还需要非常重视保护配置,自动控制等系统的配置。在数据中心未来的设计和运营过程中,应更加充分借鉴专业性的指导意见,才能更好满足保护选择性的需求,合理配置配电系统和保护装置,才能确保数据中心的稳定、可靠、高效运行。

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