淺談電力機(jī)房母線槽技術(shù)及測控產(chǎn)品介紹

安科瑞 華楠

 摘要：隨著電力調(diào)度業(yè)務(wù)和信息化業(yè)務(wù)發(fā)展，電力機(jī)房對供電系統(tǒng)的可靠性和管理性要求越來 越高。電力生產(chǎn)和信息化業(yè)務(wù)對電力機(jī)房的供電系統(tǒng)有更可靠和更靈活的配置、更精細(xì)化的管理和更準(zhǔn)確的成本控制等。電力數(shù)據(jù)中心對供電有高可靠性要求，機(jī)柜端配電設(shè)計(jì)不但要滿足傳統(tǒng)的機(jī)房端配電功能，還需利于遠(yuǎn)期設(shè)備擴(kuò)容，盡可能減少未來設(shè)備擴(kuò)容時(shí)對已投運(yùn)設(shè)備造成的影響。本文重點(diǎn)分析電力機(jī)房的母線槽技術(shù)、組成原理和與傳統(tǒng)電纜設(shè)計(jì)方案對比，為電力數(shù)據(jù)中心的可靠性供電提供技術(shù)分析和解決方案參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)柜端供電；精密配電柜；小母線槽；可靠性

   隨著電力業(yè)務(wù)的發(fā)展和智能電網(wǎng)的升級，電力 數(shù)據(jù)中心對供電系統(tǒng)的可靠性和智能維護(hù)要求越 來越高。數(shù)據(jù)中心機(jī)柜端配電設(shè)計(jì)要滿足傳統(tǒng)機(jī)房的配電功能，還應(yīng)滿足遠(yuǎn)期設(shè)備擴(kuò)容；同時(shí)，盡可能減少設(shè)備擴(kuò)容對已投運(yùn)設(shè)備的影響。供電系統(tǒng)除滿足高可靠性外，還應(yīng)該具備強(qiáng)大的監(jiān)控功能，機(jī)房運(yùn)維人員隨時(shí)可以了解機(jī)柜負(fù)載情況、各配電分支回路的電氣狀態(tài)和不同負(fù)載機(jī)群的電量消耗等

   當(dāng)前，機(jī)房的配電容量一般保持在一定的范圍內(nèi)，通常按照服務(wù)器機(jī)柜、刀片機(jī)柜、網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、工作機(jī)柜、小型機(jī)機(jī)柜等，常規(guī)數(shù)據(jù)中心單機(jī)柜負(fù)荷一般在3?8kW之間。根據(jù)各類設(shè)備功率不同， 電氣連接器接口標(biāo)準(zhǔn)也有所區(qū)別，這為供電基礎(chǔ)配套實(shí)施帶來了的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)落地式配電單元 (列頭柜)已不能滿足越來越多的供電需求。

   近年來，隨著數(shù)據(jù)中心靈活性和多元化發(fā)展， 一種更加靈活的機(jī)柜端設(shè)計(jì)方案逐步在電力機(jī)房中得到應(yīng)用，即母線槽配電系統(tǒng)。目前已有大量 大型數(shù)據(jù)中心采購母線槽設(shè)計(jì)方案，如Google、 Facebook,阿里巴巴和騰訊等數(shù)據(jù)中心。母線槽在電力行業(yè)作為一種導(dǎo)線應(yīng)用已經(jīng)有幾十年的歷史，但是對于電力數(shù)據(jù)中心應(yīng)用而言,則比較新穎，應(yīng)用案例不多。與傳統(tǒng)電纜方式對比，母線槽具備 更加可靠的安全性、接口電阻和溫升控制也更加優(yōu)越

1母線槽結(jié)構(gòu)原理

母線槽是由銅、鋁母線柱構(gòu)成一個(gè)封閉金屬裝置,用來為分散系統(tǒng)各個(gè)元件分配較大功率。母線槽以銅或鋁作為導(dǎo)體、用非烯性絕緣支撐,然后封裝到金屬槽中形成的新型導(dǎo)體。機(jī)房母線槽的額定電壓380V,適用于交流50Hz,額定電流250 ~ 6300A的三相四線制或三相五線制供配電工程中，它具有容量大、裝拆容易、施工周期短等特點(diǎn)。

   (1)分類及發(fā)展

按用途分,母線槽一般分始端母線槽、直通母線槽、L型垂直彎通母線、Z型垂直偏置母線、T型垂直三通母線、X型垂直四通母線等，以及有關(guān)附件及緊固裝置。按絕緣方式,分為空氣式、密集式和高強(qiáng)度三種插接母線槽。按其結(jié)構(gòu)及用途，可分為密集絕緣、空氣附加絕緣、空氣絕緣、耐火絕緣等;按其外殼材料分為鋼外殼、鋁合金外殼和鋼鋁混合外殼母線槽。

    母線槽的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷三代，第一代為空氣型母線槽、第二代為密集型母線槽、第三代為復(fù)合絕緣性母線槽，母線槽的發(fā)展技術(shù)日臻完善和成熟。

   (2)優(yōu)點(diǎn)分析

母線槽以銅排或鋁為導(dǎo)體，電流容量很大且電氣性能和機(jī)械性能好。母線槽的外殼為金屬，具有不燃燒、安全可靠且使用壽命長等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)電纜比較，管道或橋架所占位置較少，對于大型建筑物的施工和線纜排布非常有利。

母線槽的主要特點(diǎn)如下：

① 容量大、壓降很小、短路負(fù)載能力強(qiáng)；

② 可靠性高；

③ 外形小且美觀、重量輕；

④ 施工連接方便，檢查簡單。

2機(jī)房母線槽組成

電力機(jī)房專用母線槽系統(tǒng)由六部分構(gòu)成:線槽主體、端部饋電模塊、線槽連接模塊、接線盒、監(jiān)控模塊和通訊模塊。

(1)母線槽主體

外殼提供線槽保護(hù),提高熱穩(wěn)定性，滿足各種安裝方式，如豎直吊裝或者水平安裝，側(cè)邊可貼標(biāo)識(shí)。導(dǎo)電銅排是根據(jù)載流量需求選擇不同截面、表面鍍錫、增強(qiáng)抗腐蝕性并減小接觸電阻的電解銅。 表面的絕緣材料具備良好的可短路電流能力。

(2)端部饋電模塊

端部饋電模塊用于將電力接入母線槽系統(tǒng)。端部饋電模塊內(nèi)置斷路器、監(jiān)控模塊以及通訊模塊等,斷路器規(guī)格按每列負(fù)載需求配置。

(3) 線槽連接模塊

線槽連接模塊用于端部饋電模塊與母線槽主體、線槽主體與主體之間、線槽主體與彎頭之間的連接。

⑷連接盒

接線盒可以在母線槽主體上安裝，接線盒內(nèi)置控制空開及給機(jī)柜供電的插座。目前行業(yè)上，接線盒在母線槽主體上安裝，大多數(shù)均支持熱插拔方式，靈活卡位固定，方便隨時(shí)為擴(kuò)容負(fù)載提供電氣連接。接線盒在母線槽主體上具體安裝位置，行業(yè)上基本有兩種設(shè)計(jì)情況：固定安裝和靈活安裝。 Schneider等供應(yīng)商采用固定式位置安裝，即母線槽主體上每隔600mm預(yù)留一個(gè)安裝孔位提供接線盒安裝 PDI、Startline等供應(yīng)商可在主體上任何位置安裝。對不同尺寸規(guī)格機(jī)柜擺放而言，無疑后者更加適合機(jī)房的設(shè)計(jì)

 (5)監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊分為末端及主控單元兩部分。末端單元為機(jī)房母線槽通過在端部饋電模塊、接線盒等部件配置智能化電量儀等電氣采集模塊，可即時(shí)采集功率、電流、電壓等電氣數(shù)據(jù);主控單元包括硬件主控單元和軟件管理平臺(tái)

 (6)通訊模塊

通訊模塊在方式上基本支持行業(yè)中主流通訊方式,部分廠家還同時(shí)支持銅纜和無線介質(zhì)SNMP管理,增加的母線的智能化管理

3機(jī)房母線槽設(shè)計(jì)

本文以某約300m2的電力機(jī)房為例，進(jìn)行母線槽方案和傳統(tǒng)列頭柜方案設(shè)計(jì)比較。該區(qū)域可布置9列機(jī)柜，每個(gè)列頭柜對就近兩列機(jī)柜供電，每個(gè)機(jī)柜尺寸為800mm x 1100mm,如圖1所示。 

方案1 ：每列機(jī)柜上方懸吊雙母線槽供電，每條母線槽上的接線盒安裝兩個(gè)空開和兩個(gè)工業(yè)插座，分別為該列的兩面機(jī)柜供電,支持即插拔方式，簡易方便業(yè)務(wù)擴(kuò)容和功能延伸。

方案2：如果采用傳統(tǒng)的精密列頭柜配電方案，則需為兩列機(jī)柜配置1個(gè)精密列頭柜，并向每面機(jī)柜提供雙電源供電，如圖2所示

⑴母線槽主體配置

每個(gè)機(jī)柜平均功率按終期需求6kW進(jìn)行計(jì)算，按平面布置，機(jī)房中每列為8面機(jī)柜，每一列機(jī)柜功率為P=8 x 6kW=48kW,長期工作電流/=48/(0.8 x 3 x 0.22)=90(A)o

母線截面一般應(yīng)按長期工作電流選取，在年均負(fù)荷較大且母線槽距離較長時(shí)，一般比按長期工作電流選擇的母線槽截面要大些。本案例為年均負(fù)荷大、且距離較長的情況，末端母線槽規(guī)格按160A配置，即每一列機(jī)柜配置2條160A母線槽,分別從主備供UPS接入，如圖3所示

⑵端部配電模塊配置

端部饋電模塊由每一列機(jī)柜對應(yīng)的主備供母線槽各配置1個(gè)接入配電盒，與主干母線槽的插接箱間采用電纜連接。

(3)機(jī)柜端饋電盒配置

主備供末端母線槽上安裝機(jī)柜端饋電盒,對于服務(wù)器機(jī)柜和存儲(chǔ)機(jī)柜配置32A開關(guān)，對工作站機(jī)柜和網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜配置16A開關(guān),通過工業(yè)連接器與機(jī)柜上的PDU插排進(jìn)行連接。

(4)智能監(jiān)控和通信功能配置

監(jiān)控系統(tǒng)采集功能包括開關(guān)狀態(tài)、電量、功率、功率因數(shù)、電壓等。通信功能為通過末端母線槽供電監(jiān)控平臺(tái)向機(jī)房動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開放接口并提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。

⑸母線槽接地

傳統(tǒng)的保護(hù)地線PE線放置在母線槽內(nèi)一側(cè)，而新型母線槽采用外殼做PE整體接地。在母線槽強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)GB7251.1的7.4條電擊防護(hù)的7.4.3.1.5條中規(guī)定，如果采用的措施能夠保證電路有持久良好的導(dǎo)電能力，而且載流容量足以承受成套設(shè)備中流過的接地故障電流，那么組裝成套設(shè)備的各種金屬部件則被認(rèn)為能夠有效地保證保護(hù)電路的連續(xù)性。

4方案對比

針對方案1的母線槽技術(shù)和方案2的傳統(tǒng)精密列頭柜方案，其差異和優(yōu)缺點(diǎn)對比分析如下：

⑴技術(shù)對比

① 散熱性

機(jī)房母線槽不同于國內(nèi)傳統(tǒng)的密集型母線槽，選用開放式設(shè)計(jì),載流銅排直接與空氣接觸,利用空氣傳導(dǎo)散熱，并通過緊密接觸的鋼制外殼，把熱量散發(fā)出去。另外，母線槽外部鋁殼除起到保護(hù)作用外,表面還經(jīng)過陽極化處理，可增強(qiáng)散熱能力；銅排表面鍍鎳,降低接觸電阻，降低電壓降，減少損耗。傳統(tǒng)的列頭柜加電纜方式，電纜的絕緣材料既是絕緣材料，又是隔熱材料,在機(jī)柜數(shù)量眾多的情況下,電纜會(huì)聚集較多，較難散熱，因此電力電纜在橋架內(nèi)敷設(shè)時(shí)，為保證良好散熱，一般允許敷設(shè)2層。因此母線槽的散熱性能和電纜相比更加優(yōu)越。

② 可維護(hù)性

傳統(tǒng)的電纜方式，因其材料易磨損和易老化，且壽命較短等因素，需要定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，到使用年限后還需更換。而母線槽為金屬架構(gòu)，維護(hù)容易，日常維護(hù)通常僅需測量外殼和穿芯螺栓的溫升、進(jìn)線箱的接頭溫升等而已。

③過載能力

電纜所用的絕緣材料常期工作溫度一般為95- 105-C,母線槽的過載能力大高于電纜。另外，電纜的載流范圍為1000mm截面積，額定電流1600A,而母線槽額定電流能做到6300A

④ 空間布置

母線槽可節(jié)省配電柜或列頭柜占用的空間，可避免使用電纜，從而減少布線的困難，以圖1為例，可節(jié)約6個(gè)列頭柜空間。

⑤ 設(shè)計(jì)和安裝

設(shè)計(jì)簡單，布局容易,安裝步驟簡單,無需專業(yè)工具。

⑥ 擴(kuò)容和總擁有成本(TCO)

母線槽安裝后可根據(jù)需要重新配置,可在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留容量,未來擴(kuò)容方便，總擁有成本較低。

⑦ 環(huán)保特性

 母線槽全部材料都選用無毒阻燃材料,99%的材料可回收，環(huán)保特性較好，而電纜則有一定的污染性冋

(2)投資對比

針對方案1和方案2不同機(jī)柜末端配電方案，兩者的投資造價(jià)對比如表1所示。對比列頭柜，電纜，電纜橋架等總體費(fèi)用，母線槽設(shè)計(jì)方案的總體投資和傳統(tǒng)的列頭柜加電纜方式基本相當(dāng)，但是后期維護(hù)費(fèi)用比電纜要低，總體而言總擁有成本TCO較低。

 5安科瑞列頭柜及監(jiān)測產(chǎn)品介紹

隨著數(shù)據(jù)中心的迅猛發(fā)展，數(shù)據(jù)中心能耗問題也越來越突出，高效可靠的數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)方案，是提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率，降低設(shè)備能耗的有效方式。

AMC系列數(shù)據(jù)中心精密配電系統(tǒng)是針對數(shù)據(jù)機(jī)房末端設(shè)計(jì)的，能夠綜合采集所有能源數(shù)據(jù)的智能系統(tǒng)，為交直流電源配電柜提供精確的電參量信息，并可通過通訊將數(shù)據(jù)上傳到動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)數(shù)據(jù)機(jī)房的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效管理，為實(shí)現(xiàn)綠色I(xiàn)DC提供可靠保證。5.1精密配電管理解決方案

5.1.1交流系統(tǒng)

1）功能要求：

遙測：輸入分路的三相電壓、三相電流、有功功率、有功電度；輸出分路的單相電壓、單相電流、有功功率、有功電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，缺相,過流，輸入分路和輸出分路的開關(guān)狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限報(bào)警功能。

2）配置方案-示意圖

5.1.2直流系統(tǒng)

1) 功能要求

遙測：輸入分路的電壓、電流、功率、電度；

遙信：輸入分路的過壓/欠壓，輸入分路的熔絲狀態(tài),具備電流、功率需用量分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電壓、電流、功率等參數(shù)的越限功能。

2)配置方案-示意圖

5.2產(chǎn)品規(guī)格

說明：■為標(biāo)配功能。

6安科瑞母線槽監(jiān)測產(chǎn)品介紹

6.1概述

數(shù)據(jù)中心小母線系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心末端母線供配電系統(tǒng)的俗稱。近年來，隨著數(shù)據(jù)中心建設(shè)的快速發(fā)展和更高需求，智能小母線系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用于機(jī)房的末端配電中，具有電流小、插接方便、智能化程度高等特點(diǎn)，即插式插接箱給各個(gè)機(jī)柜內(nèi)的PDU分配電。始端箱和插接箱內(nèi)可設(shè)置監(jiān)測模塊，將數(shù)據(jù)上傳至動(dòng)環(huán)監(jiān)控中心。

6.2  AMB智能小母線管理系統(tǒng)

1）交流系統(tǒng)功能：

遙測：三相電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、有功電能、無功電能、電纜溫度，系統(tǒng)頻率、零序電流、零地電壓、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電壓/電流諧波含量、電流/功率；

遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、過頻率、欠頻率越限、零地電壓、零線電流、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；    

2）直流系統(tǒng)功能：

遙測：電壓、電流、功率、電能、電纜溫度、漏電流、機(jī)柜溫度、機(jī)柜濕度、開關(guān)狀態(tài)、電流/功率；

遙信：過電流2段閥值越限、過/欠壓、過功率告警、缺相、溫/濕度告警，開關(guān)狀態(tài)、開關(guān)跳閘；                             

6.3產(chǎn)品介紹

說明：■為標(biāo)配功能。

7結(jié)束語

母線槽具備靈活性和擴(kuò)展性，同一母排上可根據(jù)不同機(jī)柜負(fù)載大小不同而靈活分配，(即類似網(wǎng)絡(luò)帶寬共享方式一樣,功率負(fù)荷共享);如需擴(kuò)容、調(diào)整相(三相不平衡時(shí))，只需相應(yīng)調(diào)整對應(yīng)的插接箱。機(jī)房母線槽方案是一種能有效減少電纜的使用量的選擇方式，對于集中供電模式電力機(jī)房具有實(shí)際應(yīng)用意義。隨著智能電網(wǎng)和大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展,電力數(shù)據(jù)中心建設(shè)中，其應(yīng)用開始逐年增加，也是一種發(fā)展趨勢所需。母線槽具有穩(wěn)定可靠、配電效能高、散熱好、電壓低、耐機(jī)械沖擊和安裝 簡便等特點(diǎn)，是一種電力數(shù)據(jù)中心良好的末端供電方式

參考文獻(xiàn)：

【1】趙德寧、吳勁松、李光泰、李舒濤、陳肖龍.電力機(jī)房母線槽技術(shù)分析.

【2】安科瑞數(shù)據(jù)中心IDC配電監(jiān)控解決方案.2020.03版.

【3】安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用手冊.2019.11版