淮亚利
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：随着电力调度业务和信息化业务发展，电力机房对供电系统的可靠性和管理性要求越来 越高。电力生产和信息化业务对电力机房的供电系统有更可靠和更灵活的配置、更精细化的管理和更准确的成本控制等。电力数据中心对供电有高可靠性要求，机柜端配电设计不但要满足传统的机房端配电功能，还需利于远期设备扩容，尽可能减少未来设备扩容时对已投运设备造成的影响。本文重点分析电力机房的母线槽技术、组成原理和与传统电缆设计方案对比，为电力数据中心的可靠性供电提供技术分析和解决方案参考。
关键词：机柜端供电；精密配电柜；小母线槽；可靠性
随着电力业务的发展和智能电网的升级，电力 数据中心对供电系统的可靠性和智能维护要求越 来越高。数据中心机柜端配电设计要满足传统机房的配电功能，还应满足远期设备扩容；同时，尽可能减少设备扩容对已投运设备的影响。供电系统除满足高可靠性外，还应该具备强大的监控功能，机房运维人员随时可以了解机柜负载情况、各配电分支回路的电气状态和不同负载机群的电量消耗等
当前，机房的配电容量一般保持在一定的范围内，通常按照服务器机柜、刀片机柜、网络机柜、工作机柜、小型机机柜等，常规数据中心单机柜负荷一般在3〜8kW之间。根据各类设备功率不同， 电气连接器接口标准也有所区别，这为供电基础配套实施带来了的挑战。传统落地式配电单元 (列头柜)已不能满足越来越多的供电需求。
近年来，随着数据中心灵活性和多元化发展， 一种更加灵活的机柜端设计方案逐步在电力机房中得到应用，即母线槽配电系统。目前已有大量 大型数据中心采购母线槽设计方案，如Google、 Facebook,阿里巴巴和腾讯等数据中心。母线槽在电力行业作为一种导线应用已经有几十年的历史，但是对于电力数据中心应用而言,则比较新颖，应用案例不多。与传统电缆方式对比，母线槽具备 更加可靠的安全性、接口电阻和温升控制也更加优越
1母线槽结构原理
母线槽是由铜、铝母线柱构成一个封闭金属装置,用来为分散系统各个元件分配较大功率。母线槽以铜或铝作为导体、用非烯性绝缘支撑,然后封装到金属槽中形成的新型导体。机房母线槽的额定电压380V,适用于交流50Hz,额定电流250 ~ 6300A的三相四线制或三相五线制供配电工程中，它具有容量大、装拆容易、施工周期短等特点。
(1)分类及发展
按用途分,母线槽一般分始端母线槽、直通母线槽、L型垂直弯通母线、Z型垂直偏置母线、T型垂直三通母线、X型垂直四通母线等，以及有关附件及紧固装置。按绝缘方式,分为空气式、密集式和高强度三种插接母线槽。按其结构及用途，可分为密集绝缘、空气附加绝缘、空气绝缘、耐火绝缘等;按其外壳材料分为钢外壳、铝合金外壳和钢铝混合外壳母线槽。
母线槽的发展已经经历三代，第一代为空气型母线槽、第二代为密集型母线槽、第三代为复合绝缘性母线槽，母线槽的发展技术日臻完善和成熟。
(2)优点分析
母线槽以铜排或铝为导体，电流容量很大且电气性能和机械性能好。母线槽的外壳为金属，具有不燃烧、安全可靠且使用寿命长等特点。与传统电缆比较，管道或桥架所占位置较少，对于大型建筑物的施工和线缆排布非常有利。
母线槽的主要特点如下：
① 容量大、压降很小、短路负载能力强；
② 可靠性高；
③ 外形小且美观、重量轻；
④ 施工连接方便，检查简单。
2机房母线槽组成
电力机房专用母线槽系统由六部分构成:线槽主体、端部馈电模块、线槽连接模块、接线盒、监控模块和通讯模块。
(1)母线槽主体
外壳提供线槽保护,提高热稳定性，满足各种安装方式，如竖直吊装或者水平安装，侧边可贴标识。导电铜排是根据载流量需求选择不同截面、表面镀锡、增强抗腐蚀性并减小接触电阻的电解铜。 表面的绝缘材料具备良好的可短路电流能力。
(2)端部馈电模块
端部馈电模块用于将电力接入母线槽系统。端部馈电模块内置断路器、监控模块以及通讯模块等,断路器规格按每列负载需求配置。
(3) 线槽连接模块
线槽连接模块用于端部馈电模块与母线槽主体、线槽主体与主体之间、线槽主体与弯头之间的连接。
⑷连接盒
接线盒可以在母线槽主体上安装，接线盒内置控制空开及给机柜供电的插座。目前行业上，接线盒在母线槽主体上安装，大多数均支持热插拔方式，灵活卡位固定，方便随时为扩容负载提供电气连接。接线盒在母线槽主体上具体安装位置，行业上基本有两种设计情况：固定安装和灵活安装。 Schneider等供应商采用固定式位置安装，即母线槽主体上每隔600mm预留一个安装孔位提供接线盒安装 PDI、Startline等供应商可在主体上任何位置安装。对不同尺寸规格机柜摆放而言，无疑后者更加适合机房的设计
(5)监控模块
监控模块分为末端及主控单元两部分。末端单元为机房母线槽通过在端部馈电模块、接线盒等部件配置智能化电量仪等电气采集模块，可即时采集功率、电流、电压等电气数据;主控单元包括硬件主控单元和软件管理平台
(6)通讯模块
通讯模块在方式上基本支持行业中主流通讯方式,部分厂家还同时支持铜缆和无线介质SNMP管理,增加的母线的智能化管理
3机房母线槽设计
本文以某约300m2的电力机房为例，进行母线槽方案和传统列头柜方案设计比较。该区域可布置9列机柜，每个列头柜对就近两列机柜供电，每个机柜尺寸为800mm x 1100mm,如图1所示。
方案1 ：每列机柜上方悬吊双母线槽供电，每条母线槽上的接线盒安装两个空开和两个工业插座，分别为该列的两面机柜供电,支持即插拔方式，简易方便业务扩容和功能延伸。
方案2：如果采用传统的精密列头柜配电方案，则需为两列机柜配置1个精密列头柜，并向每面机柜提供双电源供电，如图2所示
⑴母线槽主体配置
每个机柜平均功率按终期需求6kW进行计算，按平面布置，机房中每列为8面机柜，每一列机柜功率为P=8 x 6kW=48kW,长期工作电流/=48/(0.8 x 3 x 0.22)=90(A)o
母线截面一般应按长期工作电流选取，在年均负荷较大且母线槽距离较长时，一般比按长期工作电流选择的母线槽截面要大些。本案例为年均负荷大、且距离较长的情况，末端母线槽规格按160A配置，即每一列机柜配置2条160A母线槽,分别从主备供UPS接入，如图3所示
⑵端部配电模块配置
端部馈电模块由每一列机柜对应的主备供母线槽各配置1个接入配电盒，与主干母线槽的插接箱间采用电缆连接。
(3)机柜端馈电盒配置
主备供末端母线槽上安装机柜端馈电盒,对于服务器机柜和存储机柜配置32A开关，对工作站机柜和网络机柜配置16A开关,通过工业连接器与机柜上的PDU插排进行连接。
(4)智能监控和通信功能配置
监控系统采集功能包括开关状态、电量、功率、功率因数、电压等。通信功能为通过末端母线槽供电监控平台向机房动力环境监控系统开放接口并提供监测数据。
⑸母线槽接地
传统的保护地线PE线放置在母线槽内一侧，而新型母线槽采用外壳做PE整体接地。在母线槽强制性标准GB7251.1的7.4条电击防护的7.4.3.1.5条中规定，如果采用的措施能够保证电路有持久良好的导电能力，而且载流容量足以承受成套设备中流过的接地故障电流，那么组装成套设备的各种金属部件则被认为能够有效地保证保护电路的连续性。
4方案对比
针对方案1的母线槽技术和方案2的传统精密列头柜方案，其差异和优缺点对比分析如下：
⑴技术对比
① 散热性
机房母线槽不同于国内传统的密集型母线槽，选用开放式设计,载流铜排直接与空气接触,利用空气传导散热，并通过紧密接触的钢制外壳，把热量散发出去。另外，母线槽外部铝壳除起到保护作用外,表面还经过阳极化处理，可增强散热能力；铜排表面镀鎳,降低接触电阻，降低电压降，减少损耗。传统的列头柜加电缆方式，电缆的绝缘材料既是绝缘材料，又是隔热材料,在机柜数量众多的情况下,电缆会聚集较多，较难散热，因此电力电缆在桥架内敷设时，为保证良好散热，一般允许敷设2层。因此母线槽的散热性能和电缆相比更加优越。
② 可维护性
传统的电缆方式，因其材料易磨损和易老化，且寿命较短等因素，需要定期进行检查和维护，到使用年限后还需更换。而母线槽为金属架构，维护容易，日常维护通常仅需测量外壳和穿芯螺栓的温升、进线箱的接头温升等而已。
③过载能力
电缆所用的绝缘材料常期工作温度一般为95- 105-C,母线槽的过载能力大高于电缆。另外，电缆的载流范围为1000mm截面积，额定电流1600A,而母线槽额定电流能做到6300A
④ 空间布置
母线槽可节省配电柜或列头柜占用的空间，可避免使用电缆，从而减少布线的困难，以图1为例，可节约6个列头柜空间。
⑤ 设计和安装
设计简单，布局容易,安装步骤简单,无需专业工具。
⑥ 扩容和总拥有成本(TCO)
母线槽安装后可根据需要重新配置,可在设计时预留容量,未来扩容方便，总拥有成本较低。
⑦ 环保特性
(2)投资对比
针对方案1和方案2不同机柜末端配电方案，两者的投资造价对比如表1所示。对比列头柜，电缆，电缆桥架等总体费用，母线槽设计方案的总体投资和传统的列头柜加电缆方式基本相当，但是后期维护费用比电缆要低，总体而言总拥有成本TCO较低。
5安科瑞列头柜及监测产品介绍
随着数据中心的迅猛发展，数据中心能耗问题也越来越突出，高效可靠的数据中心配电系统方案，是提高数据中心电能使用效率，降低设备能耗的有效方式。
AMC系列数据中心精密配电系统是针对数据机房末端设计的，能够综合采集所有能源数据的智能系统，为交直流电源配电柜提供精确的电参量信息，并可通过通讯将数据上传到动环监控系统，实现对整个数据机房的实时监控和有效管理，为实现绿色IDC提供可靠保证。5.1精密配电管理解决方案
5.1.1交流系统
1）功能要求：
遥测：输入分路的三相电压、三相电流、有功功率、有功电度；输出分路的单相电压、单相电流、有功功率、有功电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，缺相,过流，输入分路和输出分路的开关状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限报警功能。
2）配置方案-示意图
5.1.2直流系统
1) 功能要求
遥测：输入分路的电压、电流、功率、电度；
遥信：输入分路的过压/欠压，输入分路的熔丝状态,具备电流、功率需用量分析和统计，实现电压、电流、功率等参数的越限功能。
2)配置方案-示意图
5.2产品规格
说明：■为标配功能。
6安科瑞母线槽监测产品介绍
6.1概述
数据中心小母线系统是数据中心末端母线供配电系统的俗称。近年来，随着数据中心建设的快速发展和更高需求，智能小母线系统逐渐被应用于机房的末端配电中，具有电流小、插接方便、智能化程度高等特点，即插式插接箱给各个机柜内的PDU分配电。始端箱和插接箱内可设置监测模块，将数据上传至动环监控中心。
6.2 AMB智能小母线管理系统
1）交流系统功能：
遥测：三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、有功电能、无功电能、电缆温度，系统频率、零序电流、零地电压、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电压/电流谐波含量、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、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，开关状态、开关跳闸；
2）直流系统功能：
遥测：电压、电流、功率、电能、电缆温度、漏电流、机柜温度、机柜湿度、开关状态、电流/功率；
遥信：过电流2段阀值越限、过/欠压、过功率告警、缺相、温/湿度告警，开关状态、开关跳闸；
6.3产品介绍
说明：■为标配功能。
7结束语
母线槽具备灵活性和扩展性，同一母排上可根据不同机柜负载大小不同而灵活分配，(即类似网络带宽共享方式一样,功率负荷共享);如需扩容、调整相(三相不平衡时)，只需相应调整对应的插接箱。机房母线槽方案是一种能有效减少电缆的使用量的选择方式，对于集中供电模式电力机房具有实际应用意义。随着智能电网和大数据业务发展,电力数据中心建设中，其应用开始逐年增加，也是一种发展趋势所需。母线槽具有稳定可靠、配电效能高、散热好、电压低、耐机械冲击和安装 简便等特点，是一种电力数据中心良好的末端供电方式
参考文献：
【1】赵德宁、吴劲松、李光泰、李舒涛、陈肖龙.电力机房母线槽技术分析.
【2】安科瑞数据中心IDC配电监控解决方案.2020.03版.
【3】安科瑞企业微电网设计应用手册.2019.11版
作者简介：
淮亚利，女，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事数据中心智能小母线监控的研发及应用。手机:18702111853（微信同号）；QQ：2880157869；邮箱:2880157869@qq.com