計算機房供配電原理

計算機房供配電原理

目錄

一、交流電的基本概念二、UPS的作用三、供配電的選擇四、機房供配電舉例五、機房的接地與防雷六、UPS常見故障及解決辦法一、交流電的基本概念1.交流電的含義波形峰值UmIm220V峰值電壓311V有效值平均值

UmIm

UPIP1.有效值

與周期量一個周期的平均效應(yīng)相等的恒定量（直流量）稱為周期量的有效值，也稱均方根值。交流電工設(shè)備中標(biāo)稱的額定電壓、電流和許多交流儀表均為有效值。2.平均值

是指一個周期內(nèi)絕對值的平均值。3.波形因數(shù)

kf=有效值/平均值

有效值測量摘自“電氣工程師手冊”2000年版p70

為什么要測量有效值？使用交流電的來源我國的用電制度我們?nèi)粘Ｉ钪杏玫氖鞘裁措姡克暮x是什么？什么是相電壓，什么是線電壓？我國的民用市電頻率是多少？UPS中所說的工頻頻率是多少？我國的用電制度零地線是分開的還是接在一起的？UAUBUCNG幾個術(shù)語?

電壓的類型和它們之間的關(guān)系：相電壓和線電壓功率因數(shù)

?

功率的類型和它們之間的關(guān)系：視在功率、有功功率和無功功率

?

供電制式2.三相三相三線制

三相四線制三相五線制UAUBUCABCIAIBICUABUBCUCANACBoIAIBICE零火線的鑒別1.單相單相2線制火零線的確定用試電筆或萬用表單相3線制火零線的確定最大電阻檔有指示火線沒指示零線順時針：0LN交流電幾個術(shù)語的含義與關(guān)系交流電的功率有幾種？各叫甚么名字？計量單位是甚么？含義是什么？他們之間的關(guān)系是么？2.功率的幾個術(shù)語1.視在功率

S=電壓V電流A=VA(伏安）2.有功功率

P=S

功率因數(shù)F

=W（瓦特）3.無功功率（乏、木工乏力的乏）4.功率因數(shù)F=P/S=cos

SQP所以說無功功率雖然不做功，但有著非常重要的用途，沒有無功功率的支撐，有功功率只能做廢功有功功率視在功率UIUI220V0220V000功率因數(shù)F閘刀、斷路器、漏電開關(guān)與線路連接的注意事項

——中線的連接UAUBUCN炸二、UPS的作用UPS的作用（為什么要用UPS）及原理UPS的分類UPS現(xiàn)在達到的水平的UPS的作用

在線式UPS

輸入電壓輸出電壓后備式UPS輸入電壓輸出電壓UPSEPSEPSACDCACDC靜態(tài)開關(guān)市電輸入UPS輸出UPS整流器EPSACDCACDC市電輸入UPS輸出充電器容量約為整流器的1/10

在線式UPS和后備式UPS的電路比較

雙變換名字的由來現(xiàn)代UPS的發(fā)展方向和已達到的水平UPS的發(fā)展趨勢高頻（數(shù)字）化小型化智能化模塊化環(huán)?；?/p>

高頻機與工頻機的性能比較數(shù)字模擬電路，輸入功率因數(shù)增低，效率低，動態(tài)性能差，電流峰值系數(shù)不高整流器PWM逆變器電池組電磁變壓器輸入濾波器輸出濾波器工頻機基本電路結(jié)構(gòu)高頻機電子變壓器和半橋逆變器原理圖市電輸入電子變壓器半橋逆變器LNLN電池系統(tǒng)工頻機與高頻機的主要區(qū)別

工頻機高頻機電路

模擬與數(shù)字結(jié)合

全數(shù)字化輸入電壓范圍小大參數(shù)穩(wěn)定性不好好輸入功因小，0.60.8

大于0.99本身損耗大小5%可靠性低高抗干擾不能也不許抗干擾雙向抗干擾輸出變壓器有無體積/重量大小價格貴便宜仿制容易非常困難（必須具備條件）前景被淘汰今后的主體設(shè)備五、模塊化UPS的由來與特點容量（W）o時間（年）計劃容量實用容量最佳容量一步到位和步進式增容二、模塊化UPS的提出A–

系統(tǒng)的可用性，小于或等于1MTBF–

系統(tǒng)指定時間段的平均無故障時間、HMTTR--系統(tǒng)指定時間段內(nèi)故障的修復(fù)時間H大容量UPS冗余并聯(lián)和模塊化系統(tǒng)的比較

75kVA75kVA75kVA輸入輸出配電柜節(jié)省了購置資金節(jié)省了占地面積節(jié)省了功率損耗提高了可靠性，靈活更新，延長壽命小功率多用途模塊化UPS的誕生1.立臥式轉(zhuǎn)換，可接長延時單電源應(yīng)用雙電源應(yīng)用冗余電源應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)機架冗余電源應(yīng)用

高頻小功率產(chǎn)品——規(guī)格參數(shù)系統(tǒng)外觀A外觀圖通訊模塊LCD面板UPS模塊防塵面板UPS機柜供配電集中式和供配電分離式結(jié)構(gòu)外形供電系統(tǒng)ARRAY15120kVAInfrastruxure1080kVA模塊化UPS的優(yōu)點?

解決了小容量UPS不可并聯(lián)的問題，冗余并聯(lián)比單機容易?具有了使MTTR=0的可能性?可以熱插拔，維修性好

——意味著一個人或兩個人就可以抬得動?不是專業(yè)人員也可操作，為用戶帶來了方便?全部采用了高頻化數(shù)字化技術(shù)，使可靠性大幅度提高；取消了輸出隔離變壓器，又使可靠性進一步提高，有的采用了無線并聯(lián)技術(shù)，使可靠性再度提高….?容易實現(xiàn)高可靠性的分區(qū)供電ARRAYA\3A3機房供電方案一般負載關(guān)鍵負載一般負載市電油機集中監(jiān)控中心互投柜ATS擴容備用回路7+1冗余系統(tǒng)的可靠性

—設(shè)單個模塊的可靠性均為r=0.99?單機7+1冗余系統(tǒng)的可靠性R1=1-(1-r7)(1-r)=1-(1-0.997)(1-0.99)=0.999021?雙機7+1冗余系統(tǒng)的可靠性R8=1-(1-R1)2=1-(1-0.999021)2=0.9999990

即為向“關(guān)鍵負載”供電的可靠性四、模塊化UPS的發(fā)展概況1.第一代N+XUPS

功率模塊與控制電路分離2.第二代N+XUPS

一個模塊就是一臺完整的UPS

控制電路和功率模塊分離式控制電路控制電路功率模塊功率模塊功率模塊功率模塊功率模塊電池模塊電池模塊電池模塊電池模塊接口這就是瓶頸L1L3192V192VL220kHz時，每半波200個脈沖兩組脈沖很難同步一旦部分錯位重合，就會炸

功能的比擬

功能的比擬

功能的比擬

功能的比擬寶馬、一汽等功率模塊的爆炸…瞬間短路

第二代：功能模塊集中式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品外形Newave(30～90kVA）ARRAY(15～120kVA）GA(10～100kVA）ARRAY(5～30kVA）

功能的比擬

功能的比擬五、對模塊化的誤解1.認為模塊化結(jié)構(gòu)可靠性不高

—

多一套電路就多了一個故障點2.當(dāng)模塊多于8個時，其系統(tǒng)可靠性還不如一個單模塊高

Rn=1-(1-rn)(1-r)R8=1-(1-r7)(1-r)=1-(1-0.997)(1-0.99)=0.999021三、當(dāng)前機房建設(shè)

應(yīng)遵循的“五性”“三原則”五性：?

先進性：延長機器的服務(wù)壽命?

穩(wěn)妥性：可靠性與可用性?

靈活性：增減容量、便于移動和更換等?

可管理性：監(jiān)控和維修及保養(yǎng)?

經(jīng)濟性：最好的性價比

三原則?

節(jié)能

以負載功率因數(shù)為0.8的100kVAUPS為例：工頻機UPS與高頻機UPS相比，由于多了變壓器和諧波濾波器，每年多消耗電能…折合成煤炭…（分析高頻機效率高的原因）?

環(huán)保

環(huán)境污染的三個方面：可聞噪聲污染、電噪聲污染和大氣污染

?

省面積

節(jié)約原材料、減輕重量、節(jié)約成本和能量…五、機房中UPS的連接與配置光有好的機器是不夠的…UPS市電1市電2輸出UPS的連接方式UPS1UPS2Bypass1Bypass2炸炸兩路市電經(jīng)互投切換成一路后再接UPSUPS市電1市電2*實現(xiàn)一主一備的合理方案四、機房系統(tǒng)供電計算舉例照明燈具電流計算比如：一個機房照明燈具100盞，每盞功率60W，沒有電容補償，計算電流是多少？

公式：10060W/220V0.5=6000W/110V=54.6A選電線時可按照口訣：10下5，100上2，（25、35）4、3界。（70、95）2.5

穿管溫度8-9，銅線升級算，裸線加一半

負荷的計算Sn

：系統(tǒng)總功率si

：每個單臺設(shè)備的標(biāo)定功率i：自然數(shù)字n

：負載設(shè)備總臺數(shù)注：1.負載以VA標(biāo)定（包括電壓和電流分別標(biāo)定）

2.負載以W標(biāo)定

3.留有適當(dāng)余量S(總功率)=S1+S2+S3………+Sn計算舉例：?一個機房配置有：*PC機200臺，每臺消耗功率170VA；*2臺服務(wù)器，每臺標(biāo)稱功率1300W，因是老服務(wù)器，其輸入功率因數(shù)是0.65*2臺交換機，名牌上寫著電壓220V，電流5A

考慮到以后還要增容20%*市電斷電后要求延時4h。用戶要求采用100Ah電池，*要求供電可靠性要高，電源應(yīng)具備容錯功能、容易維護和修理，由于機房面積有限，盡量減小占地面積。?問應(yīng)選多大的UPS，選什么樣的UPS？選多大容量的備用發(fā)電機？計算a、200臺PC機負荷：P1=170200=34kVAb、2臺服務(wù)器功率：P2=13002/0.65=4000VA=4kVAc、2臺交換機功率：P3=22052=2.2kVA

總計：P=P1+P2+P3=40.2kVA

考慮到以后增容20%，還考慮到一般情況下的余量20%，最后容量

Po=40.2kVA（1+20%+20%）=56.3kVA考慮到“電源應(yīng)具備容錯功能、容易維護和修理，由于機房面積有限，盡量減小占地面積?！币诉x模塊化UPS，并且選帶有配電功能的模塊化UPS，適合此要求的一款設(shè)備影視ARRAY系列中的3A3：*選4+1配置，即15kVA4+15kVA=75kVAd、選發(fā)電機：由于ARRAY3A3輸入功率因數(shù)大于0.95，接近于1，不需3倍UPS的容量，假如考慮到：允許輸入電壓變化20%，允許過載20%和機器本身功耗假如是5%，則發(fā)電機的功率應(yīng)是：

P=60kVA（1+20%+20%+5%）=87kVA

如果選威爾信發(fā)電機100kVA規(guī)格就足夠了，前一個規(guī)格是75kVA就太緊張了。（如果選60kVA工頻機6脈沖UPS，由于輸入功率因數(shù)是0.8，就需選3倍的功率180kVA

如果再加上輸入電壓變化20%，允許過載20%和機器本身功耗假如是5%，則發(fā)電機的功率應(yīng)是P=60kVA3（1+20%+20%+5%）=261kVA，可選威爾信發(fā)電機270kVA規(guī)格）

UPS選ARRAY4+1配置，發(fā)電機選威爾信100kVA電纜截面積的計算10kVAUPS應(yīng)采用多粗的電纜？60kVAUPS應(yīng)采用多粗的電纜？…決定電纜截面積因素是什么？電纜截面積的計算

例：負載功率因數(shù)為F=0.8功率為So=60kVA的UPS，整機效率=94%，半橋逆變器，電池電壓為UB=12V202=480V，UPS距輸入輸出配電lu=50m，電池柜在底樓，UPS在8樓，距離約lb=40m，問該UPS輸入、輸出電纜和電池電纜應(yīng)選多大截面積的規(guī)格？（已知UPS可過載到125%10m，過載到150%30s，允許輸入電壓波動15%）解：1.列出需要的數(shù)據(jù)

輸入功率S1=So/=64kVA,考慮到UPS過載25%和電壓下調(diào)15%同時出現(xiàn)時的情況（如果不考慮過載50%30s的情況），總輸入功率應(yīng)該是：

Sin=S1{1+（25%+15%）}=89.6kVA近似取90kVA因是三相輸入，每相為30kVA

每相輸入電流Iin=30kVA/220V=136A

2.

由于電纜長度超過10m，電流超過100A，為了方便，先計算出截面積

s1=10mm2、長度l1=10m時的電阻r1已知：導(dǎo)電器采用銅的電阻率

=0.0175mm2/m，

那么100m長，截面積s1=10mm2的電阻就是R1=0.0175100=1.753.根據(jù)輸入電壓允許在電纜上的壓降求電纜截面積sin，

設(shè)允許在電纜上的壓降為5%，即220V5%=11V。因UPS機配電柜50m，來回就是100m，即這100m的電阻應(yīng)該是：Rin=11V/136A=0.080910mm2電纜的根數(shù)nin=1.75/0.080921.6根，因此可取220mm2三芯電纜

如果UPS據(jù)配電柜只有5m，那么電纜的截面積就可取22mm24.根據(jù)輸出電壓允許在電纜上的壓降求電纜截面積so

因輸出功率為60kVA，過載25%時的功率S=60kVA（1+25%）=75kVA輸出電流：

Io=75kVA/3/220V=114A，如果也設(shè)設(shè)允許在電纜上的壓降為5%，即220V5%=11V，即這100m的電阻應(yīng)該是：Ro=11V/114A=0.096510mm2電纜的根數(shù)nin=1.75/0.0965=18根因此可取180mm2三芯電纜如果UPS據(jù)配電柜只有5m，那么電纜的截面積就可取18mm2

5.計算電池連線截面積設(shè)電池放電時逆變器的效率為96%，電池電壓的截止值為

Umin=1.75V6202=420V，設(shè)允許線路壓降2V，此時放電電流

UPS在8樓，距離約lb=40m，來回80m，那么80m長，截面積s1=10mm2的電阻就是R1=0.017580=1.4，而此時線路電阻要求：

Rr=2V/120A=0.0143，那么電池電纜s1=10mm2的根數(shù)就是：

nb=1.4/0.0143=98根！就是980mm2！如果用一根s1=10mm2的電纜，線路壓降就會變成：U=1.4120A=168V！

用100mm2就會使線路壓降就會變成16.8V說明：¤電池連線不能遠離UPS主機，否則就會使電池的后備時間大打折扣；如果要求折扣打得小，就必須極大的將電纜截面積擴大，使材料和施工費用增加很多。如果UPS與電池柜之間距離變短UPS與電池柜之間距離最大壓降電纜截面積備注

40m（往返80m）2V980mm24m（往返8m）2V98mm22m（往返4m）2V49mm20.5m（往返1m）<2V25mm2UPS與電池柜并肩柴油發(fā)電機組市電1市電2

浪涌抑制器防雷器如果要求更高的可靠性和可用性也可選4+2配置Rn=1-(1-rn-2)(1-r)2=0.999994145交流穩(wěn)壓器的選擇交流穩(wěn)壓器UPS負載電磁干擾（EMI）形成電磁干擾的三個要素：

干擾源，被干擾對象，傳輸途徑根據(jù)電磁感應(yīng),趨膚效應(yīng),電磁震蕩與電磁波傳播等基本物理規(guī)律可知,電磁物理量隨時間變化越快,越容易感生EMI;頻率越高越容易產(chǎn)生輻射;電磁場強度與與距離的平方成反比;一些靈敏度高的未屏蔽電路容易產(chǎn)生耦合等等,分析EMI日益嚴重的原因可以歸納為:1、高頻高功率化2、高速數(shù)字化3、高密度組裝4、低電壓化5、頻點密度提高，頻帶加寬6、移動化趨勢電磁干擾的分類：低頻、中頻、高頻、甚高頻(按頻段粗分)低頻：0~2KHz，特性：產(chǎn)生諧波。中頻：2KHz~150KHz,特性：產(chǎn)生電壓波動與閃爍；高頻：150kHz~30MHz,特性：傳導(dǎo)發(fā)射。甚高頻：30MHz以上，特性：輻射發(fā)射。國際電工委員會（IEC）對此作了統(tǒng)一規(guī)定，稱為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)。下面內(nèi)容就是對各種供電系統(tǒng)做一個扼要的介紹。TN系統(tǒng)（分為TN-S、TN-C、TN-C-S三種）TT系統(tǒng)IT系統(tǒng)1、接地系統(tǒng)介紹：

說明：第一個字母表示電源端與地的關(guān)系T（法文Terre）－電源端有一點直接接地；I（法文Isoland）－電源端所有帶電部分不接地或有一點通過阻抗接地。第二個字母表示電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與地的關(guān)系T（法文Terre）－電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分直接接地，此接地點在電氣上獨立于電源端的接地點；N（法文Neutre）－電氣裝置的外露可導(dǎo)電部分與電源端接地點有直接電氣連接。短橫線后的字母用來表示中性導(dǎo)體與保護導(dǎo)體的組合情況S（法文Separateur）－中性導(dǎo)體和保護導(dǎo)體是分開的；C（法文Combinaison）－中性導(dǎo)體和保護導(dǎo)體是合一TN-S系統(tǒng)：TN-C系統(tǒng)：TN-C-S系統(tǒng)：L2LL1LN電源端接地點設(shè)備設(shè)備外露可導(dǎo)電部分L2L3L1LPENPE外露可導(dǎo)電部分TT系統(tǒng)：IT系統(tǒng)：UPS接地的幾個典型方案：

單機不隔離系統(tǒng)

UPS接地的幾個典型方案：

單機旁路隔離系統(tǒng)

UPS接地的幾個典型方案：

單機不隔離系統(tǒng)＋PPC

UPS接地的幾個典型方案：

單機無輸入零線系統(tǒng)UPS接地的幾個典型方案：并機系統(tǒng)

注意：在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件下，不得隨意改變配電系統(tǒng)原有的接地類型（采用隔離、分立系統(tǒng)等措施除外）。接地技術(shù)-接地的方式單點接地接地技術(shù)-接地的方式多點接地接地技術(shù)-接地的方式混合接地接地技術(shù)搭接方法:1、永久搭接：熱熔焊接

2、直接壓接：壓力在8300~10300kpa;截面積大于

650mm2的搭接電阻小于0.5毫歐。

3、金屬表面涂導(dǎo)電涂料后壓接，一般在幾毫歐，但大于1MHz時動態(tài)電阻超過1歐姆。搭接：電阻為0.5毫歐。（50Hz）電感：25uH,

頻率直20MHz,搭接電阻為80毫歐搭接條應(yīng)短而寬，長寬比一般為3倍。搭接施工應(yīng)做防腐處理。搭接應(yīng)采用同種金屬，不同金屬搭接應(yīng)使用不同金屬的過度帶再搭接。接地系統(tǒng)設(shè)計電子設(shè)備的地線處理應(yīng)注意的問題：一、正確選擇一點接地和多點接地，頻率低于1MHz時應(yīng)采用一點接地，頻率在1MHz~10MHz時，如果采用一點接地，地線長度不應(yīng)超過波長的1/20。否則采用多點接地，也可采用并聯(lián)單點接地，頻率高于10MHZ時，宜采用多點接地，原則是就近接地。二、屏蔽導(dǎo)線或屏蔽地線應(yīng)在輸入端一端接地，或接地點是放大器公共端或信號源公共端。三、負載的地線和交流地線上流過的電流很大時，對這些大電流的地線必須與信號地線分開設(shè)置，同時對大電流的地線一定要考慮阻抗。一般垂直主干宜采用阻燃銅芯屏蔽電纜，屏蔽層360°始端接“地理地”，水平采用匯流排或銅芯電纜，截面積不應(yīng)小于35平方毫米，與電子設(shè)備相連接的絕緣銅芯導(dǎo)線，按頻率的高低設(shè)計多芯或單芯導(dǎo)線，長度小于1米。四、對于不同頻率考慮“地理地”時，應(yīng)達到更優(yōu)的效果。依據(jù)電磁屏蔽機理，在同一接地網(wǎng)中的“地理地”中加入銅網(wǎng)和鋼網(wǎng)，混合成為統(tǒng)一接地網(wǎng)，也就是我們所說的地理網(wǎng)。應(yīng)在統(tǒng)一接地網(wǎng)中留放電間隙，用銅棒、銅纜以及匾銅帶引至等電位排上。五、在低頻和高頻共存的電子設(shè)備時，應(yīng)按不同的頻率分別連接后，再連接到公共參考點上。六、要獲得一個無干擾的等電位參考面，交流電路中的返回通路（中性線）只能在一點與安全接地系統(tǒng)相連接。必須做到交流電源線路的返回電流絕對不得流入信號參考地系統(tǒng)中。七、為減少電感效應(yīng)，將電子設(shè)備盡可能通過多點與信號參考地連接。這樣可為高頻干擾提供多個并聯(lián)對地通路。歐姆定律提示我們并聯(lián)通路越多，對地阻抗越小。4.接地與地線的連接

——一點接地原則配電柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1

接地與地線的連接

——同位體式接地配電柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1同位體

接地與地線的連接

——多點重復(fù)接地配電柜UPS柜IT柜nIT柜2IT柜1地線案例介紹三、防雷器的配置

防雷器的配置?防雷器的作用?防雷器的分類?防雷器的安裝?B+C的誤解防雷器的作用O輸入浪涌幅度第一級抑制後第二級抑制後第三級抑制後浪涌電壓幅度4000V2500V2500V1500V1500V以下IEC規(guī)定了三級殘壓：4000V，2500V，1500V，間隔10m五、UPS常見故障及解決辦法?

環(huán)境因素人為因素?

電池起火?

中線斷開燒設(shè)備?

UPS在市電停電時也停電廣州齊魯?

更換負載時導(dǎo)致的UPS故障負載性質(zhì)變了?修理機器時導(dǎo)致的二次故障?“經(jīng)驗”故障廣州開機湖南電信導(dǎo)線?延誤故障江西電子所?

依賴故障保險絲?

制度故障黃田機場、東莞電信。。。。

人為因素1.懷疑性“故障”-制造緊張空氣

所謂懷疑性故障，顧名思義就是說實際上不是故障，而是由于值機人員缺乏基本知識和沒有很好地閱讀說明書而引起的誤會，雖然不是故障，但已按故障程序來走了?

深圳觀瀾空管信標(biāo)站試飛事，?桂林雙機并聯(lián)指示燈事?

放電提前關(guān)機（武漢石化，電池線從地下室到五樓，線細）2.知識性“故障”

此種情況的出現(xiàn)主要是由于缺乏基本理論知識和實踐經(jīng)驗所致。

?

湖南懷化二炮，6k有載時帶2P空調(diào)，老過載報警?廣鐵電子所燒電源事?中川機場容量事?羊城鐵路總公司容量事?陳紅星公司線性負載過載事?總裝部出半壓事?內(nèi)蒙化肥廠斷中線旁路時燒一相