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數據中心發電機、變壓器和UPS匹配的邏輯探討
  • 數據中心柴油發電機在啟動的時候出現發電機停車保護的現象,在幾個大型數據中心驗證測試時,也多次遇到過這類的現象。柴油發電機是數據中心電力保障的最后一道防線,如果當兩路市電全部失去后,而發電機在啟動之時就“戰死沙場”,這對數據中心來講就是災難。本文旨在分析產生這類問題的原因、分享解決問題的經驗及探討數據中心供配電系統的架構及系統中各設備之間匹配邏輯的問題。
  • 高端數據中心的供配電系統不外乎于如下兩種系統架構:配置10kV發電機的2N供電系統;配置400V發電機的2N供電系統。圖1和圖2分別是配置10kV發電機的2N供電系統和配置400V發電機的2N供電系統的架構原理簡圖。數據中心的負荷容量、建設規模不同,系統配置也不一樣,或設備容量不一樣,或系統架構是上述原理簡圖的多模塊的組合。
                

             
      至于這兩種架構的優缺點的對比,也是各數據中心設計時激烈討論的話題,“環肥燕瘦,各有千秋”不在本文討論之列,但這兩種系統架構中,各設備之間的匹配邏輯出現問題或設備選型不當都有可能造成發電機停車保護的現象和其它問題:
      
      ·發電機出現左右搖擺式機械震動及聲音起伏抖動;
      
      ·電壓和頻率突變,導致UPS轉逆變、跳旁路、停機;
      
      ·UPS燒毀;
      
      ·發電機保護停車……。
      
      1 案例一
      
      在圖1配置10kV發電機的2N供電系統中,如果在變壓器前端10kV母線上,掛有多臺變壓器,當兩路市電停電后油機啟動,那么油機輸出回路向2N回路的全部變壓器(容量雙倍于發電機組的容量)同時送電,回路中會瞬間產生高倍的啟動沖擊電流,從而引發油機停車保護。
      
      (1)故障分析
      
      變壓器合閘瞬間產生的沖擊電流——勵磁涌流,該沖擊電流可達額定電流的6~8倍,該電流值在最開始的半個周波內達到最大,小變壓器幾個周波過后可以達到穩態值,而大型變壓器卻需要數秒或10多秒鐘后才能恢復穩態。而多臺變壓器同時啟動,沖擊電流在回路中疊加,短時間內其電流強度是很驚人的,如果不通過技術手段予以規避,這時發電機必死無疑!另外,多臺大型變壓器掛同一母線同時啟動,接入市電電網也會引起電力網絡電壓瞬間陡降,或引起前端斷路器過流保護或差動保護的誤動作。
      
      (2)解決方案
      
      每臺變壓器的前端輸入開關的繼電保護設置失壓脫扣和來電自投功能,且來電自投延時時間可調,同一段母線內兩臺變壓器啟動的時間間隔大于20s;待兩臺發電機并機穩定后才向后端的變壓器回路輸出送電。
      
      2 案例二
      
      在圖2配置400V發電機的2N供電系統中,當兩路市電停電后油機啟動,向2N回路的全部UPS(UPS全部10%的帶載狀態,全部UPS的標稱容量總和接近于單臺油機的總容量的2倍)送電。發電機出現左右搖擺式機械震動及聲音起伏式抖動,發電機異常運行15s后停車保護。
      
      (1)故障分析
      
      圖3是發電機的功率圓圖,它是數據中心常見發電機的功率輸出圖,反映了發電機的可安全運行范圍,給出了機組運行的極限。
      
      圖3中第一象限體現的是發電機感性負載的帶載能力,第二象限體現的是發電機容性負載的帶載能力,曲線內表示發電機可提供的功率的范圍。在圖3中當負載功率因數超前到0.7以下時發電機容性帶載能力驟然降到32%~22%。本案例中發電機啟動輸出后就立即向后端2N回路的全部UPS供電,而全部UPS的標稱容量總和接近于單臺油機的總容量的2倍,盡管新型UPS附加有源功率因數校正電路(PFC)后,輸入功率因數可達0.99,且不受UPS輸出端負載性質影響,但UPS啟動瞬間,電路需要給UPS的電容充電,如果所有UPS同時啟動,啟動瞬間電路呈現出強電容特性,功率因數表現為超前特性,超出油機設置的逆無功閾值時,觸動油機逆無功保護,導致油機停車。
      
      (2)解決方案
      
     ?、僭O置UPS整流器分組延時啟動,同一組變壓器下的UPS的整流器分組啟動時間間隔大于5s;
      
     ?、谔岣甙l電機的功率或定制容性帶載能力較強的發電機,但這將大幅度提高項目的成本;
      
     ?、圻x擇有整流充電器輸入功率可控制的UPS,使整流充電器輸入部分功率,另一部分功率由電池提供;同時選擇啟動電流較低的UPS,如12脈沖整流器的UPS。
      
      如果項目的設備選擇已經沒有條件改變,方案①是最好的選擇。
      
      3 案例三
      
      在圖1配置400V發電機的2N供電系統中,兩路市電停電后油機啟動,向2N回路的全部變壓器及后端的UPS(UPS全部處于空載狀態)送電。導致UPS的濾波器板上壓敏電阻被擊穿,UPS主路和旁路SCR燒毀,整流模塊的IGBT燒毀,內部母排拉弧打火,且油機發生停車保護,過程中電路檢測儀檢測到低壓側最高電壓達600V。
      
      (1)故障分析
      
      在發電機的輸出瞬間電路中的UPS電容和變壓器電感串聯組成了LC振蕩電路,大容性負載啟動瞬間與變壓器產生的強勵磁涌流發生振蕩導致波形畸變,并放大回路中的電壓,由于發電機供電時二次瞬態阻抗遠大于市電,會進一步增強電路波形畸變程度。
      
      (2)解決方案
      
     ?、倜颗_變壓器的前端輸入開關的繼電保護設置失壓脫扣和來電自投功能,且來電自投延時時間可調,同一段母線內兩臺變壓器啟動的時間間隔大于20s;待兩臺發電機并機穩定后才向后端的變壓器回路輸出送電。
      
     ?、谠O置UPS整流器分組延時啟動,同一組變壓器下的UPS的整流器分組啟動時間間隔大于5s。
      
      4 結束語
      
      數據中心的建設用簡單一句話來描述:就是對各類設備進行組合、集成,以形成一個個系統,最后對各系統進行調試以達到良好的匹配。在上述案例中,各設備作為一個獨立的個體是也許優秀的,但是當設備融入系統后,還需根據系統中的各設備之間的邏輯關系做適應性的調整。一個優秀的數據中心在運營期間表現出來的穩定性和可靠性,是離不開工程建設者求知求真的進取心和盡善盡美的責任心。
      
      編輯:Harris
      
      

     

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