前言
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3kW~8kW之間[2]。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)施帶來了極大的挑戰(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[3]。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。
01丨母線槽結(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[4]。機(jī)房母線槽的額定電壓380V，適用于交流50Hz，額定電流250A~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)。
1.1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[4]。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[5]。
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。
1.2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、機(jī)械性能好。母線槽的外殼為金屬，具有不燃燒、安全可靠性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[4]。
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。
1.3缺點(diǎn)分析
母線槽作為一種新型的末端供電技術(shù)，同樣存在以下不足之處：（1）防護(hù)等級：目前行業(yè)主流品牌機(jī)房母線槽多采用空氣型母線，防護(hù)等級為IP40。安裝時(shí)需考慮空調(diào)冷凝水防護(hù)問題，如主機(jī)房地板下安裝空調(diào)水管，則不建議采用地板下安裝方案；（2）對機(jī)柜頂部空間要求相對較大，對凈高較小的機(jī)房，安裝條件可能存在限制；（3）智能監(jiān)控采集功能：機(jī)房母線槽對主干和每個(gè)機(jī)柜末端的用電參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控采集，需另外敷設(shè)通訊線纜，工序上相比精密列頭柜復(fù)雜。
02丨機(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。
2.1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。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。
2.2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。
2.3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。
2.4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)上基本由兩種設(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600 mm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[6]。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)。
2.5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。
2.6通訊模塊
通訊模塊在方式上基本支持行業(yè)上主流通訊方式，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。實(shí)物如圖1所示。
圖1 母線槽實(shí)物圖
Fig.1 Physical pictures of busway
03丨機(jī)房母線槽設(shè)計(jì)
本文以某約300平米的電力機(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×1100mm。如下圖2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3所示。
圖3 精密列頭柜供電示意圖
Fig.3 Schematic diagram of Precision power distribution cabinet
3.1母線槽主體配置
每個(gè)機(jī)柜平均功率按終期需求6 kW進(jìn)行計(jì)算，按平面布置，機(jī)房中每列最多為8面機(jī)柜，每一列機(jī)柜功率為P=8×6 kW=48 kW，長期最大工作電流I=48/(0.8×3×0.22)=90 A。
圖4 母線槽供電示意圖
Fig.4 Schematic diagram of busway supply
3.2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。
3.3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)柜和存儲機(jī)柜配置32 A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。
3.4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)控平臺向機(jī)房動力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)開放接口并提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。
3.5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)GB 7251.1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[9-10]。
04丨方案對比
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：
4.1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[11]。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，一般最多允許敷設(shè)2層[12]。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[13]。
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 ℃，母線槽的過載能力大大高于電纜。另外，電纜的最大載流范圍為1 000 mm截面積，額定電流1 600 A，而母線槽額定電流最大能做到6 300 A[14]。
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[15]。
4.2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)對比如下，如附表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。
4.3機(jī)房母線槽適用性分析
綜上所述，對機(jī)房母線槽技術(shù)選用應(yīng)考慮不同場景的適用性，分析如下：
1）對機(jī)柜布置密度要求高、布置機(jī)柜數(shù)量最大化情況下，建議采用機(jī)房母線槽，可節(jié)省精密列頭柜占用空間。
2）對同一主機(jī)房區(qū)內(nèi)設(shè)備分期上架情況，建議采用機(jī)房母線槽，既保證上架設(shè)備不同功率和接口類型準(zhǔn)備性，又可減低整體投資成本。
3）對UPS室與主機(jī)房區(qū)距離較遠(yuǎn)、且同時(shí)多個(gè)主機(jī)房區(qū)情況下可采用“主干封閉母線槽+機(jī)房母線槽”方案，避免電纜橋架規(guī)格過大和降低電纜敷設(shè)施工成本。對主機(jī)機(jī)房區(qū)靠近UPS室，且主機(jī)房區(qū)單一情況下，直接采用“主干電纜+機(jī)房母線槽”方案。
4）對機(jī)房凈高限制、地板下存在空調(diào)水管情況下，不建議采用機(jī)房母線槽。
05丨結(jié)論
母線槽技術(shù)從上世紀(jì)50年代發(fā)展至今，已經(jīng)從一代空氣型到三代復(fù)合型發(fā)展，技術(shù)發(fā)展日臻完善，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)有了良好的應(yīng)用。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。本文通過與傳統(tǒng)電纜和列頭柜方式，對比分析母線槽的技術(shù)原理、技術(shù)特點(diǎn)、總投資費(fèi)用以及后期維護(hù)成本等，母線槽具備良好的供電系統(tǒng)可靠性和成本優(yōu)勢，值得推廣應(yīng)用。母線槽具有穩(wěn)定可靠、配電效能高、散熱好、電壓降低、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。隨著智能電網(wǎng)、電力大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展，電力數(shù)據(jù)中心正在加速建設(shè)中，相信電力母線槽技術(shù)會得到廣發(fā)的應(yīng)用和推廣。
參考文獻(xiàn)；
[1]朱利偉. 數(shù)據(jù)中心機(jī)房精密配電解決方案 [J]. 智能建筑與城市信息, 2008(8):25-28.
ZHU L W. Data center computer room precision power distribution solution [J]. Intelligent Building & Smart City, 2008(8):25-28.
[2] 閆龍川, 陳亮，趙子巖. 支撐電力大數(shù)據(jù)的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心體系架構(gòu)研究 [J]. 供用電, 2014(8):37-40.
YAN L C，CHEN L，ZHAO Z Y. Research on cloud computing data center architecture supporting power big data [J]. Distributiong & Utilizationg, 2014(8):37-40.
[3] 楊萌蕾. 中低壓母線槽在數(shù)據(jù)中心機(jī)房的應(yīng)用研究 [J]. 電子制作，2015(增刊2):23-24.
YANG M L. Application research of medium and low voltage busway in data center computer room [J]. Practical Electronics, 2015(Supp.2):23-24.
[4]江顯奇. 母線槽在電氣設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及優(yōu)缺點(diǎn) [J]. 現(xiàn)代建筑電氣, 2013(增刊1):37-39.
JIANG X Q. Application and advantages and disadvantages of busway in electrical design [J]. Modern Architecture Electric, 2013(Supp.1):37-39.
[5] 張紅軍. 母線槽的分類及合理選用 [J]. 裝備制造技術(shù), 2013(8):251-252.
ZHANG H J. Classification and reasonable selection of busway [J]. Equipment Manufacturing Technology, 2013(8):251-252.
[6] 肖兆斌. 低壓母線槽安裝與應(yīng)用探討 [J]. 機(jī)械研究與應(yīng)用, 2017, 30(5):169-171+176.
XIAO Z B. Discussion on installation and application of low voltage busway [J]. Mechanical Research & Application 2017, 30(5):169-171+176.
[7] 金正風(fēng). 母線槽截面的選擇 [J]. 低壓電器, 2014(7):68-70.
JIN Z F. Busway cross section selection [J]. Low Voltage Apparatus, 2014(7):68-70.
[8]程青. 母線槽經(jīng)濟(jì)截面的選擇 [J]. 低壓電器,2007 (2) :45-47.
CHENG Q. Selection of the economic section of the busway [J]. Low Voltage Apparatus, 2007 (2):45-47.
[9] 李敏. 外殼防護(hù)等級的選擇與應(yīng)用 [J]. 環(huán)境技術(shù), 2017, 35(5):62-64.
LI M. Selection and application of enclosure protection grade [J]. Environmental Technology, 2017, 35(5):62-64.
[10]白小虎. 母線槽接地系統(tǒng)新技術(shù)——整體接地式母排 [J]. 建筑電氣, 2002, 21(1):21-22.
BAI X H. New technology for busway grounding system - integral grounding busway [J]. Building Electricity, 2002, 21(1):21-22.
[11] 王起福. 淺談分支電纜與母線槽的選擇與運(yùn)用 [J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品, 2017 (8) :97-98.
WANG Q F. Talking about the selection and application of branch cable and busway [J]. New Technology & New Products of China, 2017 (8):97-98.
[12]白云鵬. 電力電纜敷設(shè)相關(guān)問題探討 [J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用, 2012 (22) :122-122.
BAI Y P. Discussion on problems related to power cable laying [J]. Technology Innovation and Application, 2012 (22):122-122.
[13] 唐志杰.淺談母線槽安裝及質(zhì)量控制 [J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā), 2012,31(Z1):108-110
TANG Z J. Discussion on busway installation and quality control [J]. Technological Development of Enterprise, 2012, 31(Z1):108-110.
[14]劉國柱,楊劍波.合理選擇工程應(yīng)用中的低壓電力電纜與母線產(chǎn)品 [J]. 低壓電器, 2011 (16) :51-56.
LIU G Z, YANG J B. Reasonable selection of low-voltage power cables and busway products in engineering applications [J]. Low Voltage Apparatus, 2011 (16):51-56.
[15]康文龍, 呂鵬, 王瑛霖. 基于綠色制造理論的母線導(dǎo)體材料研究與應(yīng)用 [J]. 熱加工工藝, 2014, 43 (18) :91-93.
[16]TANG W L, LV P, WANG Y L. Research and application of bus conductor materials based on green manufacturing theory [J]. Hot Working Technology, 2014,43 (18) :91-93.
項(xiàng)目簡介
申請單位：中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司
項(xiàng)目名稱：“數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵技術(shù)研究”（EX03931W）
項(xiàng)目概述：主要研究內(nèi)容為電力數(shù)據(jù)中心、調(diào)度機(jī)房、信息機(jī)房、自動化機(jī)房等相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究。
主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) ：隨著國家對節(jié)能減排日益重視，如何降低機(jī)房的PUE（能效值），降低機(jī)房的碳排放量、節(jié)能環(huán)保綠色技術(shù)、數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵設(shè)計(jì)研究等作為數(shù)據(jù)中心今后的發(fā)展方向，非常有必要對數(shù)據(jù)中心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。項(xiàng)目的主要?jiǎng)?chuàng)新為：（1）數(shù)據(jù)中心暖通關(guān)鍵技術(shù)研究；（2）數(shù)據(jù)中心供配電關(guān)鍵技術(shù)研究；（3）數(shù)據(jù)中心總承包項(xiàng)目管理方法研究；（4）數(shù)據(jù)中心BIM核心技術(shù)研究；（5）數(shù)據(jù)中心改造項(xiàng)目結(jié)構(gòu)加固技術(shù)研究；（6）數(shù)據(jù)中心建設(shè)和運(yùn)維成本分析研究。本論文主要是數(shù)據(jù)中心供配電關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，重點(diǎn)分析母線槽的組成架構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢。
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