1 大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)供電系統(tǒng)的要求及解決方法

    (1)容量更大、壽命更長(zhǎng)、可靠性更高

    現(xiàn)在已進(jìn)入信息高度發(fā)展的時(shí)代,信息中心已成為人們?nèi)粘Ｉ�活中的重要部分。�?shù)據(jù)中心的規(guī)模已越來(lái)越大,而且對(duì)可靠性與壽命的要求也越來(lái)越高,只有這樣才可以維持?jǐn)?shù)據(jù)中心對(duì)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大支撐。作為數(shù)據(jù)中心心臟的供電系統(tǒng)又是支撐數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的第一要素,它的工作狀態(tài)直接影響著數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

    節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的首要指標(biāo),節(jié)能就是降低功耗,只有降低功耗才可以維持設(shè)備低溫運(yùn)行,才能提高可靠性和延長(zhǎng)壽命,降低PUE也就是這個(gè)目的。根據(jù)阿雷紐斯定律,電子設(shè)備(包括電池)每升高10℃其壽命減半。換言之,溫度按10℃的梯度增加就會(huì)使設(shè)備壽命按1/2n規(guī)律縮短。目前UPS系統(tǒng)中大量應(yīng)用電解電容器和液流鉛酸電池,它們是嚴(yán)重地影響設(shè)備和系統(tǒng)壽命的主要因素,因此在一些環(huán)境惡劣的條件下,比如通信中無(wú)人值守的野外基站和軍事用途的地方,就急切需要改變這種現(xiàn)狀。燃料電池的出現(xiàn)曾一度給人們帶來(lái)了希望,但由于某些客觀原因,時(shí)至今日在UPS中尚未應(yīng)用。

    鋰離子電池的出現(xiàn)也為UPS供電系統(tǒng)的可靠性開辟了道路,而且這種電池也已在電動(dòng)汽車中得到了成功地利用:電池的供電電壓范圍48～500V,覆蓋了整個(gè)UPS的應(yīng)用范圍,放電電流比UPS要大,而且環(huán)境比UPS惡劣,因?yàn)槠�車并不像UPS那樣一直待在恒溫?zé)o振動(dòng)的的環(huán)境中。從原理上講完全可替代液體鉛酸蓄電池,但也由于某些原因,使用戶望而卻步。目前還僅僅在個(gè)別地方做試驗(yàn)。

    ①螺旋卷繞式鉛酸蓄電池的問(wèn)世使鉛酸蓄電池?zé)òl(fā)了青春

    以前人們認(rèn)為鉛酸蓄電池只能是液流結(jié)構(gòu),再加之生產(chǎn)和使用中對(duì)環(huán)境的污染,不得不對(duì)這種設(shè)備的制造和使用有所限制。螺旋卷繞式結(jié)構(gòu)鉛酸蓄電池的出現(xiàn)開闊了人們的視野,也為提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性打開了希望之門。因?yàn)楦鶕?jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì),UPS供電系統(tǒng)70%以上的故障來(lái)源于電池。而五年設(shè)計(jì)壽命的鉛酸蓄電池實(shí)際服務(wù)壽命平均為兩年到兩年半。螺旋卷繞式結(jié)構(gòu)是完全固體的,如圖2所示。其100%充放電達(dá)350次,為液流電池150次的2倍以上;30%充放電達(dá)4000次,為液流電池1200次的3倍以上,工作溫度非常寬,為-55～+70℃;當(dāng)然也可以任意位置放置,這在軍事和野外無(wú)人值守情況下非常實(shí)用;它的漏電流非常小,放電電流卻非常大,可達(dá)3～5C;充電40min就能到95%的容量。

    目前這種電池的容量可做到75Ah。而且組裝也很方便。

    ②薄膜電容器取代電解電容器

    薄膜電容器技術(shù)的發(fā)展使它的容量可以做成和電解電容器一樣大,但由于它是干式的,就具備了電解電容器沒有的功能。薄膜電容器的電壓范圍要比電解電容器大得多,內(nèi)阻也小得多,雜散電感要比電解電容器小一個(gè)數(shù)量級(jí),壽命在同樣價(jià)格下也比電解電容器長(zhǎng)得多,這大大拓展了薄膜電容器的應(yīng)用領(lǐng)域。螺旋卷繞式鉛酸蓄電池和薄膜電容器提供了提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性和延長(zhǎng)壽命的手段。

    (2)目前的供配電方式表現(xiàn)為大集中和大分散

    UPS系統(tǒng)的供電方式是由數(shù)據(jù)中心的規(guī)模結(jié)構(gòu)而決定的,在大的數(shù)據(jù)中心,由于數(shù)據(jù)大集中的要求,設(shè)備超量的多,數(shù)據(jù)中心內(nèi)至少有20萬(wàn)臺(tái)服務(wù)器在工作,在這種情況下的供電系統(tǒng)也必須集中。微模塊數(shù)據(jù)中心和集裝箱式數(shù)據(jù)中心的問(wèn)世,使原來(lái)多為集中式供電的模式開始了分散配置。

    (3)用分散構(gòu)建集中

    當(dāng)代數(shù)據(jù)中心的規(guī)模越來(lái)越大,從幾百平米到幾萬(wàn)平米。但不論是多大,一個(gè)200平方米以上的數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)備大都是不能一步到位。一般以400～500kVA容量約150個(gè)機(jī)架為一個(gè)“模塊”首先安裝調(diào)試。運(yùn)行中證明這個(gè)模塊正確無(wú)誤,以后機(jī)房其他剩余部分就可按照此模塊復(fù)制安裝,由此就啟發(fā)了人們微模塊的思想。實(shí)際上這只是一方面,數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)物理設(shè)施一體化也是促成微模塊結(jié)構(gòu)的第二個(gè)原因。微模塊和集裝箱式數(shù)據(jù)中心的問(wèn)世使機(jī)房建設(shè)速度大大提高,前者可以邊投資邊建設(shè),后者省去了蓋大樓和機(jī)房裝修。微模塊數(shù)據(jù)中心和集裝箱數(shù)據(jù)中心的思想又促成了供電系統(tǒng)模塊化的進(jìn)展。微模塊和集裝箱群構(gòu)成的數(shù)據(jù)中心,就是由分散構(gòu)成集中的例子。

    2 目前UPS供電系統(tǒng)的類型及配電系統(tǒng)的發(fā)展

    (1)兩種類型的UPS供電系統(tǒng)

    交流輸出型UPS的發(fā)展方向是高頻化,目前正處在高頻化UPS替代工頻機(jī)UPS的時(shí)代。目前UPS供電系統(tǒng)主要類型:旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)飛輪儲(chǔ)能式和靜止變換式。飛輪儲(chǔ)能式的飛輪轉(zhuǎn)速和后備時(shí)間的提升使其在某些數(shù)據(jù)中心開始試用。但由于這類UPS的容量都比較偏大,大都在150kVA以上,體積也很大,而目前50多萬(wàn)數(shù)據(jù)中心機(jī)房的70%以上是200平方米以下,這也限制了它的普及。靜止變換式UPS已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心。這一類UPS已從上世紀(jì)60年代的全可控硅化發(fā)展到現(xiàn)在的全I(xiàn)GBT化,效率也由以前的滿載90%以下提高到現(xiàn)在的半載95%以上。以100kVA為例,高頻機(jī)UPS每年要比工頻機(jī)UPS節(jié)電50,000kWh以上。經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相當(dāng)顯著,為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心低PUE提供了有利條件。靜止變換式UPS的容量在小容量范圍內(nèi)不受限制,可以小到幾十瓦,在大容量范圍內(nèi),目前單機(jī)已可做到1600kVA。與工頻機(jī)UPS比較節(jié)能節(jié)材,比如某進(jìn)口300kVA工頻機(jī)UPS重2200kg,而國(guó)內(nèi)300kVA高頻塔式機(jī)僅重約360kg,減輕了1.8噸!N+X模塊化結(jié)構(gòu)更為數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和運(yùn)行提供了方便條件。

    (2)取消變壓器和列頭柜

    在配電系統(tǒng)上,目前有的在原來(lái)的列頭柜中加裝了變壓器,目的是為了“隔離干擾”。實(shí)際上這種變壓器根本不隔離干擾，反而帶來(lái)了很多不良后果:

    ①多了兩個(gè)串聯(lián)故障點(diǎn)。變壓器的輸入開關(guān)和變壓器本身都是故障點(diǎn)。

    ②增加了功耗,降低了可靠性，劣化了PUE。變壓器的加入至少使系統(tǒng)效率下降兩個(gè)百分點(diǎn)以上。

    ③增加了重量,浪費(fèi)了材料,加重了地板負(fù)擔(dān)。本來(lái)地板承重可以滿足要求,但因加了變壓器使地板達(dá)不到要求了,就必須對(duì)地板加固。增加了工程量和投資,拖延了工期。

    ④增加了投資。無(wú)疑是花錢買故障。

    目前的新技術(shù)是不但取消變壓器,而且也取消了列頭柜,采用軌道式母線槽配電方式,并且已在國(guó)內(nèi)外多處有了成功的經(jīng)驗(yàn)。圖12給出了列頭柜配電方式和軌道式母線槽配電方式的比較。這項(xiàng)變革的實(shí)現(xiàn)無(wú)疑給各種形式的數(shù)據(jù)中心帶來(lái)了好處�，F(xiàn)在有些樓宇數(shù)據(jù)中心和集裝箱數(shù)據(jù)中心采用了這種方案,取得了良好的效果。今后將會(huì)逐漸普及開來(lái)。

    3 解析數(shù)據(jù)中心對(duì)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的誤區(qū)

   (1)認(rèn)為一般電源變壓器具有隔離干擾的能力,所以列頭柜中增加了變壓器像UPS這類設(shè)備中的電源變壓器并沒有隔離*的功能。原因是變壓器在正常工作時(shí)呈線性狀態(tài),而線性狀態(tài)是不會(huì)使波形發(fā)生畸變的。換言之,對(duì)變壓器的基本要求是輸入輸出波形不失真,即輸入波形什么樣子輸出也要一摸一樣。這在有關(guān)文章中已有多次論述和實(shí)際例子,在此不累述。

   (2)認(rèn)為發(fā)電機(jī)和UPS在任何負(fù)載下都可以給出按功率因數(shù)算出的功率

   這個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)比較普遍,以致于在多處出現(xiàn)紕漏,機(jī)器跳閘和損壞器件的屢屢出現(xiàn)。實(shí)際上道理很簡(jiǎn)單,只要電源的輸出能力和負(fù)載不匹配就必須降額使用。至于降多少這要看不匹配的程度。比如負(fù)載功率因數(shù)為0.8的電源在帶輸入功率因數(shù)為1的負(fù)載時(shí),只能供出53%的額定值(即有功功率),盡管在輸出功率表上帶載率才53%,但對(duì)于內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生源就已經(jīng)滿載了。比如某政府機(jī)關(guān)數(shù)據(jù)中心購(gòu)置了負(fù)載功率因數(shù)為0.8的UPS,在70%帶載率時(shí)屢屢燒毀逆變器功率管。發(fā)電機(jī)也不例外。比如某省農(nóng)商行發(fā)電機(jī)在帶線性負(fù)載驗(yàn)機(jī)時(shí),70%負(fù)載電機(jī)跳閘。某省工業(yè)園也是發(fā)電機(jī)在帶線性負(fù)載驗(yàn)機(jī)時(shí),70%負(fù)載電機(jī)過(guò)載告警。因此這種后備發(fā)電機(jī)在帶高頻機(jī)UPS時(shí),其功率比不是1:1,而是2:1,如果考慮過(guò)載能力和充電功率至少要2.5:1。

   (3)給具有32節(jié)12V的電池組配備交直流斷路器

   UPS的后備電池組必須配備短路器或熔斷器,但必須配備直流斷路器。但直流斷路器不論從制造材料和機(jī)械結(jié)構(gòu)上都比交流斷路器負(fù)載得多,因此價(jià)格也更昂貴。因此在很多地方都給電池組配備了所謂“交直流斷路器”。因?yàn)橹绷鲾嗦菲骱苌僖?雖然在48V直流電壓時(shí)滅弧容易一些,但在240V高電壓時(shí)就非常困難了。因此直流斷路器價(jià)格數(shù)倍于同容量的交流斷路器,故在很多場(chǎng)合大都用交流斷路器代替。應(yīng)用交流斷路器或直流斷路器,其效果截然不同。

   直流斷路器可以用交流斷路器代替嗎?這要看電流等級(jí),幾個(gè)安培到十幾個(gè)安培的情況下肯定可以通用。當(dāng)電流達(dá)到幾百安培的時(shí),斷口間的電弧只會(huì)在電流過(guò)零點(diǎn)時(shí)才熄滅,而直流電流不存在過(guò)零點(diǎn),因此無(wú)法熄弧,此時(shí)必須用專門的直流斷路器。如果電弧持續(xù)時(shí)間超過(guò)20ms,就可以稱為爆炸。

    直流斷路器有何特點(diǎn)?

    交流斷路器分?jǐn)嘀绷鞫搪冯娏飨鄬?duì)困難。因?yàn)殡娀》謹(jǐn)嗟臈l件是,分?jǐn)嚯娀‰妷捍笥陔娫措妷�。直流電與交流電一個(gè)重大區(qū)別是沒有電壓自然過(guò)零點(diǎn),所以直流電弧分?jǐn)嗑透鼮槔щy,為此直流斷路器需要專門的吹弧線圈或者使用永磁體吹弧技術(shù),強(qiáng)制直流電弧進(jìn)入熄弧室,使電弧被切割、拉長(zhǎng),弧電壓升高并迅速冷卻,并且已經(jīng)假設(shè)了直流線路接線時(shí)嚴(yán)格注意了極性,實(shí)際上交流斷路器并沒有完全在設(shè)計(jì)上采取類似的技術(shù)措施,在許多直流電路上使用時(shí)的可靠性、耐久性和分?jǐn)嗄芰�遠(yuǎn)不如直流斷路器。

    交流斷路器單極能分?jǐn)嗟闹绷麟妷褐涤邢?標(biāo)稱電壓是交流230V的交流斷路器并不一定就可直接用于直流220V的線路中,在GB10963-2標(biāo)準(zhǔn)中就規(guī)定額定電壓為230V的單極微型交流斷路器用于直流系統(tǒng)時(shí),直流電源電壓一般不能超過(guò)220V,大于220V應(yīng)考慮2極串聯(lián)使用,從安全角度出發(fā),并考慮大量工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。

    在上述建議方案中,當(dāng)直流電壓為250V時(shí)就需4個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián)。有鑒于此,在有些情況下,繼續(xù)使用交流斷路器就不如直接選取直流斷路器更經(jīng)濟(jì)。但目前采用的所謂交直流斷路器實(shí)際上就是交流斷路器。因?yàn)樵诮涣饔猛緯r(shí)有誰(shuí)多花錢去買交直流產(chǎn)品呢!更可怕的是在大功率UPS中一般都采用了32節(jié)電池,額定電壓就近400V,仍用交流斷路器的兩個(gè)觸點(diǎn)串聯(lián),就存在到時(shí)不能斷開的危險(xiǎn),并從而導(dǎo)故障致事態(tài)擴(kuò)大。