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浅谈中低压母线槽在数据中心机房的应用

2020-06-09

摘要:基于大数据时代数据中心机房的发展趋势及传统电缆在大型数据中心机房配电的局限性,对比分析了低压母线槽在大型数据中心机房中的配电优势。笔者认为随着数据中心机房更新扩建常态化,母线槽将逐渐代替电缆成为机柜配电的主流。
 
关键词:母线槽 ;电缆 ;大数据 ;数据中心机房
 
各类媒体预测大数据将成为第四次工业革命的引领者,大数据时代数据量的爆炸式增长需要新建及扩建大量数据中心机房,由此也面临着更多能源和空间的消耗。按照大数据时代客户业务量的发展速度,数据中心的交付时间会缩短,从原来的“年”为单位到未来的以“月”甚至“日”为交付单位,因此这对施工方及机房设备的供应商提出了严峻的挑战 ;同时数据中心机房的核心任务就是整个机房系统的可靠性及稳定性,需要保障机房 7*24小时不间断的运行,而配电系统的可靠稳定性是其重要复杂的任务之一 ;除此之外,绿色经济的数据中心机房是运营商及整个社会所关注的问题,也是数据中心机房未来的发展方向,在大数据时代绿色节能的数据中心建设更值得关注 ;同时模块化,灵活扩展,标准化规范化也一直以来是数据中心建设的设计理念。
针对数据中心机房的输配电系统及设备的研究,笔者曾去我国及其他国家
的一些数据中心机房参观,结果发现对大多数的数据中心机房管理人员来说他们更关注的是前段及中段配电系统包括变配电室,配电柜系统和 UPS 系统等,而往往忽视了数据中心机房配电系统的后“50”米配电线,目前全球 90% 以上的数据中心机房采用的是传统的电缆作为后“50”米的配电线(如图 1 所示),这“50”米的电缆给人的直观感觉就是占用大量空间,比较杂乱,不便于管理 ;除此之外传统电缆配电的还有如下问题 :1)安装铺设复杂,工期长,存在安全隐患 ;2)地板下布线,会占用风道空间,增加能量损失 ;3)多条电缆并行,线路损耗大,增加运营成本 ;4)末端配电扩展困难,系统灵活性降低等。
 
 
 
图 1 :传统电缆在数据中心机房中的应用
 
中低压母线槽是供电系统中负责传输电能的一种设备,它一般与取电箱配合使用分配电能。50年代由 前苏联引进我国,90年代末开始在我国快速发展,2010年左右我国的市场规模已超过百亿。中低压母线槽按照使用场合一般分为交流母线槽,直流母线槽,耐火母线槽和防水母线槽,目前常见的应用是交流母线槽 ;结构主要有密集绝缘型和空气绝缘型(目前市场占有率主要以前者为主),外壳目前主要以钢或铝合金居多,导体有铜导体和铝导体。目前我国对中低压母线槽的执行标准是 GB7251.2-2006,欧洲标准是61439-2:2012,美国标准为 UL857,日本标准是 JIS C8364。通常情况下中低压母线槽按照电流一般分为低电流母线槽 20A-40A(照明母线),中电流母线槽(100A-800A)和高电流母线槽(800A-6300A);配合使用的取电箱有金属箱体或者塑料箱体两种,箱体中一般都装有相应的断路器。相比于传统的电缆而言,母线槽具有载流量大,防护等级高,分配电能方便快捷,安全可靠等优点。由于中低压母线槽在配电方面的优势目前广泛应用在各个领域的输配电,如高层商用及住宅楼宇,大型商场,现代厂房等。
 
图 2 :母线槽在数据中心机房中的应用
近些年随着数据中心业务的爆炸式增长及母线槽产品在其他传统领域的成熟应用,母线槽在近几年也逐渐开始应用在数据中心机房机柜的配电中(如上图2),对此笔者将从以下几方面对电缆及母线槽在机房机柜的配电进行对比 :
1. 节省布线空间 :目前市场上常见的密集型母线槽采用内部导体各相整体包覆高性能绝缘材料 ( 一般绝缘等级达 B 级,使用寿命 50 年左右 ) 后,再利用金属外壳将其包裹成“三明治”主体结构 ( 母线 槽截面见图 3) 。与传统电缆相比较,这种紧凑的结构设计及金属快速的散热能力可以使导体产生的热量以传导的方式迅速将传至外壳,然后向外对流散热,因此相比较于传统的电缆同等截面积的母线槽导体可以运载更大的电流。
 
 图 3 :密集型母线槽截面
除此之外,如图 1 所示,传统的数据中心机房配电是电缆放射式方案,各机柜由列头柜供电,如果采用母线槽配电方案则无需列头柜,母线槽可以直接由配电柜引出从而节省列头柜空间,因此采用母线槽配电相当是在同样的机房空间可以放置更多的机柜。
2. 布线简单,节省布线时间 :数据中心机房中包含高度集中的机柜,这种高度集中的机柜需要高度密集的布线系统,密集的布线系统需要投入大量专业的布线施工人员,同时大多数情况下数据中心的电缆布线位于架空地板下通道,局促的空间无疑也加大了布线的难度 ;同时常见的电缆布线现场较繁杂难以管理,存在安全隐患。相比较电缆而言,母线槽属于集中式配电,即使在机柜位置没有确定的情况下,也可以先直接安装母线槽,母线槽安装相对来说比较简单,每列机柜安装一到两条即可,只需要简单的吊架及扳手,对安装工人也没有太高的技能要求,在安装过程中也不涉及确认检查每段电缆桥架接地情况,通过与施工方及工人了解一般情况下采用母线槽方案可以比电缆方案节省 50% 左右的安装时间。
3. 节能,节省运营成本:根据 Gartner对数据中心管理者的调查显示,电能消耗已经成为数据中心管理者关心的任务之一。相比较电缆单线型配电方式,母线槽配电方式是总线型配电,基于李子雷在
“总线型低压配电母线功率损耗分析”,在理想状况下母线槽配电方案的功率损耗仅为电缆的一半。因此从节能及运营角度上来讲,母线槽是一种更经济环保的配电方案。将电缆输配电给功率为 1000个 7KW 的机柜(假定电缆的功率损耗为1%)运行一年的为例,如果更换为母线槽,那么一年可以节省电费 18.4 万人民币(△ C=7*24*365*1000*0.005*0.6)。
4 方便更新及扩建:在这个数据爆炸式增长的年代,数据中心机房的扩建及更新将成为常态,与电缆不同的是母线槽可以在各种距离上分布有取电箱的插接口,在无需断电的情况下只需将取电箱接在插接口即可直接给新增的机柜供电 ;由于使用的母线槽是由若干段由接头连接 起来的母线段构成,在扩建的过程中只需将使用中的母线段终端封去掉接上接头即可与新增的母线段快捷安全地连接起来使用。
5. 安全,方便监测,快速找到断点,便于管理 :目前各大母线槽供应商及系统集成商在对数据机房机柜电力损耗的监测各式各样,但是一种更容易接受的方式是在母线槽取电箱中安装断路器监测设备及信号采集系统,从而方便的监控每一个机柜的工作状态,一旦有异常,可以方便的找出异常点。、
6.使用寿命长,可回收再次利用:目前市场上应用的密集型母线槽绝缘层的设计使用寿命为 50 年,当达到使用寿命后只需回收绝缘材料,铜或者铝导体无需加工可以再次回收利用 ;同时基于项目需要可以在母线使用寿命内方便的组装拆卸到其他项目中。
针对传统电缆在数据中心机房中的局限性以及母线槽的输配电优势,目前国内外已有一些数据中心机房采用母线槽方案代替传统的电缆给机柜输配电,当今欧美一些公司的大型数据中心机房在积极接受及采用母线槽来代替传统的电缆 :EMC2 ,IBM 等 一 些 知 名 企业,在亚洲日本是近几年母线槽在数据中心市场应用及推广的市场,我国母线槽在数据中心机房的应用这几年也发展得非常快,国内的某些知名银行,电信公司及政府公共服务机房等也逐步接受及应用母线槽代替传统电缆。目前进入数据中心领域的母线槽生产商主要以欧美的一些企业为主,如美国的 Starline,法国的Schneider,德国Siemens 等。同时国内的一些母线槽生产商也积极的在进入该领域的配电方案。
 
安科瑞智能小母线监控解决方案
1概述
AMB智能小母线监控解决方案是针对数据中心小母线的智能监控要求而设计的一套完整的产品解决方案,该解决方案包括始端箱检测模块、插接箱检测模块、本地监控系统等,集成了常规电力参数的测量、电能监测和考核管理,同时具有在线报警功能,可以实时监测母线接口温度,采用RS485有线或lora无线通讯方式,方便可靠的将监测数据上传至本地监控系统或者是后台动环监控系统,确保系统安全可靠运行。
2智能小母线监控系统功能
2.1电参量采集检测
三相电压、三相电流、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等。
 
图4 电参量检测
 
2.2电压/电流谐波测量、开关状态以及机柜温度检测
 
图5 谐波、开关状态以及温度检测
 
 2.3告警功能
    电流阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、过频率、欠频率越限、零地电压、零线电流、温/湿度告警,可任意设定告警值,开关状态、开关跳闸报警;
 
图6告警功能
 
3产品选型

 

结论
在大数据时代中,数据的爆炸式增长及 IT 技术的快速更新对数据中心机房的更新速度提出了比以往更高在大数据时代中,数据的爆炸式增长及 IT 技术的快速更新对数据中心机房的更新速度提出了比以往更高的要求 ;同时在日趋紧张的能源背景下,数据中心机房的建设及运营需要本着绿色环保的理念 ;此外紧凑的城市空间需要数据中心机房在有限的空间中运营更多的机柜。现实中这些要求无疑对数据中心机房的运营商,机房建设者,机房软硬件供应商提出了更高的要求。作为数据中心机房中代替传统电缆给机柜配电的母线槽来说,由于其本身的设计使其在数据中心机房的应用具有两省两快三便于的性能(省空间,省能耗 ;快布线,快更新 ;便监测,便管理,便使用),该性能正符合了大数据时代背景下数据中心机房的发展需求。同时目前一些母线槽制造商也积极地在研发及推广更适用于数据中心机房的母线槽及相关
配套设备,随着数据中心机房的发展及母线槽设计的不断完善,未来母线槽在数据中心机房的应用将会成为一种主流,同时专门面向数据中心机房的研发的母线槽布线及选型软件也将使母线槽在数据中心的应用更加便捷。
 
参考文献:
【1】[1]Ulrich Sendler. 工业 4.0: 即将来袭的第四次工业革命[M]. 机械工业版社.2014
【2】杨萌蕾.中低压母线槽在数据中心机房的应用研究【J】
【3】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版

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