高原地区数据中心海拔因素对供电系统设计的影响
发布时间：2021-11-23
摘 要 本文分析了高原海拔和空气等环境因素对数据中心高低压变配电系统、通信电源系统、后备柴油发电机组等电源设备的影响，对高原数据中心的供电设计进行了探讨，提出高原地区数据中心电源设计中应对高原特殊环境采用的应对技术措施。
关键词 数据中心;供电系统;海拔因素;降容系数
我国大陆幅员辽阔，拥有众多高原地区，海拔 1 km 及以上地区的面积对于国土总面积的占比高达 65%。近年来数据中心蓬勃发展，新建数据中心已经由发达城市逐渐向其它省份辐射，未来这种发展趋势将会更加明显，将会有大量数据中心在高原地区规划建设。
电源系统对应的高海拔地区定义为海拔在 1 km 以上设有高压配电系统或在海拔高度 2 km 以上设有低压配电系统的地区。在高原地区数据中心的机电规划设计中，必须考虑其特殊的地理环境对电源设备工作的影响。数据中心建设的电源设备包含高低压变配电、UPS 及开关电源等通信电源和柴油发电机组等。为确保各种配电设备的电气性能满足 IT 机房供电的技术指标要求，设计人员务必要分析高海拔环境对每种设备的影响，并采取相应的技术应对措施。
1 高海拔对高低压配电系统的影响
在高原地区影响高低压配电设备的环境因素主要有大气压力、绝对湿度和温度。随着海拔的增高，这 3 个参数皆随之降低。但在数据中心应用场景，高低压配电柜的安装环境温湿度都受到严格控制，所以主要考虑随海拔高度变化的大气压力的影响。
海拔高度变化最典型的物理效应是空气密度随海拔高度升高而降低，而空气密度降低又会影响空气的击穿强度与绝缘耐压强度这两项指标。
1.1 高压配电设备
随着海拔高度的升高，空气介质绝缘强度不断降低。而高海拔地区存在空气稀薄或真空度较低的现象，在这种条件下，其又随真空度的增加而增加。海拔高度每增加 1 km，外绝缘强度将减小 8% ～ 13%。因此，在海拔高度 1 km 标准条件下设计生产的产品，其电气距离和爬电距离均无法满足高原使用的要求。
为了适应高海拔应用场景，大型制造商不断开发高原型产品，通过采取加强绝缘、增大爬电距离等措施满足场景要求。对于数据中心的机电规划设计，选择满足现场要求的高原型产品作为高压元件。同时，在高海拔场景下，必须考虑机柜铜排，并增大柜内各相导线间及其对地电气间隙和爬电距离，以确保整柜在使用时的耐抗击穿能力满足场景条件。
当海拔高度超过 2 km 时，采用常规空气绝缘的柜体需增大中压开关柜的外形来满足空气间隙的要求。通常情况下，柜内铜排的相间距根据断路器和隔离开关的相间距来确定，故对断路器和隔离开关相间距的选择必须考虑当地的海拔高度，根据表 1 的净距要求进行选择。
当海拔高度超过 2 km 时，应根据表 2 中增加空气绝缘的距离，必要时考虑增大高压开关柜的外形尺寸。比如选用 KYN28-12 柜型，当铜排宽度采用 100 mm 时，如果海拔高度从 1 km 上升至 3 km 以上，则断路器的相间距由 230 mm 增加为 275 mm，柜宽应从 800 mm 增加至 1 000 mm。
在部分工程项目中，往往由于机房空间的限制导致不能增大柜体外形尺寸，此时可采用复合绝缘。海拔高度和复合绝缘的空气距离间距关系见表 3。
1.2 变压器
目前数据中心普遍采用干式变压器，而海拔高度对干式变压器的电气距离和爬电距离的影响明显。当数据中心处于 1 km 以上海拔高度时，每上升 500 m 应加大额定短时工频耐受电压值 6.25%。同时加大爬电距离与对地放电距离，加大套管之间和套管对地的间隙，以应对高海拔因素对外绝缘所造成的影响。
在设计变压器温升计算时要考虑海拔高度对变压器散热的影响，对温升限值而言，对 1 km 以上的每升高 500 m 增加散热能力 5%，具体可通过增加散热设备的功率和通风面积去实现。
综上所述，由于高海拔地区使用地点的特殊性，为了使变压器能够达到平原地区所对应的额定容量，需要在产品设计制造阶段即对设备的内外绝缘和温升散热条件等进行修正，使其满足高原使用要求。
1.3 低压配电设备
1.3.1 低压电器
在海拔高度 2 km 以上地区建设的数据中心使用低压电器应考虑到下列环境因素的影响。
(1)空气密度过低会导致低压断路器等元件散热能力变差，因此要对低压元件采取降容措施。当海拔高度增加，环境温度会降低，而环境温度的降低对改善散热有促进作用。但数据中心配电的使用主要在室内环境，对环境温度有严格的控制，故低压元件的散热性能没有得到改善。
(2)随着空气密度的降低，击穿强度与耐压强度也随之减少，在电气间隙和爬电距离不变的情况下，低压元件的绝缘电压和最大额定工作电压也会降低。
(3)对低压电器的操作控制部分，需要考虑高海拔地区空气密度和散热条件的影响。
根据《特殊环境条件高原电工电子产品第 1 部分 ：通用技术要求》(GB/T 20626.1-2017)，对于海拔超过 2 km 地区的低压开关电器，其工作电流的降容系数可采用如下公式。
Ki=H-0.025ΔH (1)
其中，H 表示海拔高度 ; ΔH 表示与海拔 2 km 的海拔高度差。
额定电流容量与海拨高度的曲线关系如图 1 所示。
1.3.2 无功补偿装置
电容器在电压恒定的条件下其发热量也保持恒定。在高海拔地区，设备散热能力降低，电容器内部温度会升高，从而导致电容器运行时存在安全隐患，影响其使用寿命。在工程应用中，为了防止电容器过热，可在工程中提高电容器的电压等级。电容器的发热量与运行电压的平方成正比，采用高电压等级的电容器相当于降低电容器实际运行电压，其输出容量减小，发热量也会低于其额定工作条件下的发热量，从而使电容器的温升维持在正常水平。
电抗器是一种发热量大的元件，工程应用中电容器有时需串入电抗器，会加剧其过热的问题，此时应该考虑对电抗器采取降容措施，确保其温度合适。若制造厂未提供对应海拔的降容系数，则可参照《IEEE Guide for Loading Dry-Type Distribution and Power Transformer》的附表 A.3，该标准中包含了电流降容的系数，见表 4。
在数据中心应用场景，由于高频电源使用较多，无功明确呈现容性，而传统的电容柜已经无法满足容性无功的补偿要求 ( 电容柜只能补偿感性 )。目前普遍采用的补偿方案是 APF+SVG 的组合方式。APF+SVG 组合不仅可以有效地补偿谐波电流，还可以补偿感性、容性双向无功和不平衡分量。由于 APF 和 SVG 设备主要采用的是半导体元件，在高原地区应用时必须对其进行降容处理。降容系数的选取可参照通信电源设备。
2 高海拔对通信电源设备的影响
在数据中心建设的通信电源包含 UPS 设备和直流电源等设备，通信电源设备主要由低压元件和半导体变流器元件组成。所以除了考虑其低压部分元件的高海拔适应条件之外，还应考虑半导体元件的高海拔适应性。根据《通信用交流不间断电源(UPS)》(YD/T 1095- 2018)和《通信用高频开关电源系统》(YD/T 1058- 2015)的要求，UPS 和开关电源在高于 1 000 m 的地区应用时，应考虑降容，输出容量要根据《半导体变流器应用导则》(GB/T 3859.2-2013)附录 B“变流器在高海拔地区使用时电流容量的修正图”确定。
通过图 2 可以看出，当数据中心海拔高于 1 km 时，通信电源设备应开始考虑降容使用，降容系数大致为海拔高度升高 0.1 km，输出电流减小 0.4%。如海拔在 3.65 km 处要求输出为 400 A，具体场景中则要求其在1 km 处的额定输出电流不低于 442 A。
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除此之外，通信电源内部的整流和逆变器件需要通过风冷或自然冷却的方式来进行散热。当散热能力不足时，可能会引起该器件工作温度过高，甚至造成器件损毁。在风扇转速恒定或器件物理散热面积不发生改变的条件下，由于高海拔地区空气密度降低，产品的散热能力下降。基于上述因素，各厂家均提供了具体产品的高原降容系数，在数据中心应用中应按具体设备降容设计。
3 海拔因素对柴油发电机组的影响
在数据中心的机电建设中，不同于其它高低压配电设备处于密闭机房环境，后备柴油发电机组设备通过进排风通道与外界直接接触，并且柴油发电机组工作原理需要采用空气混合燃烧和风冷模式，受到环境因素影响更大。高原环境特有的低气压、低气温和沙尘颗粒等恶劣因素对柴油发电机的影响巨大，数据中心的机电规划必须加以考虑，并采用适当的技术措施加以改善。
柴油发动机在正常工作状态下，通过燃料管路将燃油运输至喷油泵进行加压，再通过高压油管运输至喷油器，通过喷油孔喷出雾状燃油进入燃烧室，与空气混合后直接在气缸内燃烧，靠燃气膨胀推动活塞对外做功(大气压力、空气含氧量等)比额定功率标定环境参数更低，燃油分子与氧气分子的接触时间减少，使其无法充分燃烧，进而导致柴油发动机输出功率降低。《 民 用 建 筑 电 气 设 计 规 范 》(JGJ/T 16-2008) 中 6.1.2.4 条规定 ：柴油机额定功率可以被定义为在大气压为 100 kPa(对应海拔高度约为 0 km)、外界温度为 20℃、空气相对湿度在 50% 的条件下，连续运行 12 h 的功率 ( 包含在负荷 110% 状态下运行 1 h)。若持续运行时间大于 12 h，就应依照 90% 额定功率使用。在高原地区数据中心规划设计后备柴油发电机，必须考虑气温、气压、湿度与上述规定不同带来的影响，应对柴油机的额定功率进行修正，按照表 5 中所列之修正系数值进行修正(相对湿度 50%)。
由表 5 可见，高原地区数据中心的高海拔地区环境修正系数对油机容量的影响巨大。因此，为了解决因高原环境引起的柴油发电机组功率减小的问题，需要采取功率恢复型增压中冷等多种高原适应性成套技术措施，可在高海拔数据中心采用涡轮增压内燃机进行校正至标准海拔，较好地恢复柴油机的性能，使其电气性能重新回到原本水平，更好地适应该条件下的外界环境，在数据中心采用较为适宜。
4 结束语
综上所述，在高原地区建设的数据中心需要在机电规划设计中考虑全部设备的性能折损，并采用相应的技术应对措施。
(1) 对于海拔高度高于 1 km 的数据中心，需考虑高压设备的高海拔适应能力，采用高原型元件。同时在柜体工艺设计时需增大电气间距和爬电距离，必要时通过增大柜体外形尺寸来满足要求。
(2) 变压器的温升应按照《电力变压器第 11 部分 ：干式变压器》(GB 1094.11-2007)要求进行修正，变压器设备的选择应符合高原要求。
(3) 海拔高度超过 2 km 的数据中心，其使用的低压断路器额定工作电压、短时工频耐受电压、雷电冲击耐受电压、分断能力等参数需要重新核定，根据工程需要选取合适的折损系数。为提高可靠性，可采用电子脱扣器提高可靠性。
(4) 高压环境数据中心配置的后备柴油发电机尽量选用涡轮增压内燃机，可以部分弥补环境对油机输出功率的影响，否则必须考虑油机的输出功率折损。
(5) 海拔高度在 1 km 以上的数据中心采用的通信 UPS、高频开关电源的输出电流应依照《半导体变流器通用要求和电网换相变流器第 1-2 部分 : 应用导则》(GB/T 3859.2-2013)进行修正。由于工作原理特殊，海拔对配套电池组容量的影响可不作考虑。
(6) 高原地区电力电缆的使用需考虑室外恶劣环境对其的影响，宜采用耐寒电力电缆，并尽量采用沿管沟的敷设方式。——论文作者：叶红建，徐力然
