数据中心低压开关技术白皮书

数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 1 [编号ODCC-2023-02003] 数据中心低压开关技术白皮书 开放数据中心委员会2023-09发布 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 版权声明 ODCC（开放数据中心委员会）发布的各项成果，受《著作权法》保护，编制单位共同享有著作权。 转载、摘编或利用其它方式使用ODCC成果中的文字或者观点的，应注明来源：“开放数据中心委员会ODCC”。 对于未经著作权人书面同意而实施的剽窃、复制、修改、销售、改编、汇编和翻译出版等侵权行为，ODCC及有关单位将追究其法律责任，感谢各单位的配合与支持。 I 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 编写组 项目经理： 刘衍彬百度时代网络技术（北京）有限公司工作组长： 李代程百度在线网络技术（北京）有限公司贡献专家： 马莉莎施耐德电气（中国）有限公司 程曦施耐德电气（中国）有限公司刘涛浙江正泰电器股份有限公司 敖登贵上海正泰智能科技有限公司纪朝阳ABB(中国)有限公司 付真海上海良信电器股份有限公司阮迪中国信息通信研究院 II 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 前言 近年来，AIGC、云计算、大数据产业蓬勃发展，国家“东数西算”战略稳步实施，数据中心行业迸发强劲的发展势能，已成为我国经济建设中最重要的基础设施之一。 数据中心低压配电系统是数据中心供配电系统的重要组成，有着高可靠性（7*24不间断供电）、复杂性（设备种类与运行工况多样）等特点。低压开关在数据中心低压配电系统运行控制与安全保护方面扮演者重要角色。当前数据中心配电系统呈现高密化、预制化等特征；为响应“双碳”战略，光伏、储能等新能源直流配电场景在数据中心配电系统涌现，促使行业对低压开关性能和稳定性的要求日益提高。 为了更好地帮助数据中心同行合理的选择低压开关，百度在ODCC的支持下，联合低压电器顶尖供应商施耐德、正泰、ABB、良信一同编纂《数据中心低压开关技术白皮书》，全面解析低压开关技术在数据中心的应用、维护及未来发展趋势。白皮书将涵盖低压开关分断技术、器件分类、特性参数、选用维护与技术展望等内容。基于数据中心应用场景的特殊需求，从实际案例出发，深入剖析不同配电设备低压开关的选用与配合，辅助读者更好应用与维护低压开关。绿色低碳，智能高效，低压开关与数据中心配电正走在协同创新的发展道路上，我们期待与广大读者共同探讨数据中心低压开关技术的未来发展。 III 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 由于时间仓促，水平所限，错误和不足之处在所难免，欢迎各位读者批评指正。如有意见或建议请联系编写组819328005@qq.com。 IV 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 目录 版权声明I 编制说明II 前言III 一、概述1 二、数据中心低压配电系统3 （一）低压配电系统特点3 1.概述3 2.数据中心低压配电系统3 （二）低压配电系统接地方式5 （三）数据中心低压配电系统组成设备11 1.变压器11 2.低压成套柜12 3.UPS13 4.高压直流电源14 5.精密列头柜15 6.配电箱（柜）16 （四）低压配电系统保护17 1.低压配电系统保护要求17 2.低压配电系统保护类型19 三、数据中心常用低压开关器件分类26 （一）断路器26 1.空气断路器（ACB）26 V 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 2.塑壳式断路器（MCCB）27 3.微型断路器（MCB）29 （二）隔离开关31 （三）转换开关电器32 （四）接触器与继电器34 1.接触器的结构和原理35 2.接触器的主要特征35 3.接触器的分类36 （五）熔断器37 1.熔断器的结构和原理37 2.熔断器的特点37 3.熔断器的分类38 （六）电涌保护器及其保护开关38 四、低压开关分断技术40 （一）断路器结构组成与分断原理41 1.一般断路器的结构组成41 2.一般断路器的动作原理45 （二）低压交流开关灭弧原理46 （三）低压直流断路器分断原理48 1.直流电弧的稳定燃烧点48 2.直流电弧的熄弧条件50 3.直流电弧的灭弧方法50 （四）低压开关分断技术手段54 1.机械开关54 VI 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 2.固态开关60 3.复合开关61 五、低压开关特性与参数63 （一）额定电压63 1.额定工作电压63 2.额定绝缘电压63 3.额定冲击耐受电压63 （二）额定电流64 1.约定自由空气发热电流64 2.额定工作电流Ie65 3.额定不间断电流65 （三）额定分断能力66 1.额定极限短路分断能力66 2.额定运行短路分断能力67 （四）短路特性68 1.额定短路耐受电流（热稳定电流）Icw68 2.额定短路接通电流Icm69 （五）脱扣器与脱扣曲线69 1.热脱扣器69 2.磁脱扣器70 3.欠压脱扣器70 4.分励脱扣器71 5.脱扣器保护类型72 6.脱扣曲线75 VII 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 （六）安装与应用82 1.安装环境特性82 2.防护等级84 3.安装数量84 （七）使用类别85 六、低压开关应用87 （一）低压开关的选择性及后备保护87 1.低压断路器的选择性87 2.后备保护与选择性增强94 （二）低压开关选型方法97 1.进线及母联断路器的选型97 2.UPS输入输出断路器的选型102 3.末端塑壳断路器的选型108 4.HVDC系统的断路器选型113 （三）低压开关选用常见问题115 1.剩余电流型接地故障保护与中性线互感器的选用115 2.短路短延时时间的设定级差117 3.反时限与定时限的选用121 4.热磁脱扣器过载特性的修正与降容123 （四）低压开关的维护127 1.开关设备维护的意义127 2.开关设备维护分类129 3.开关设备维护频率134 4.低压开关的维护建议和措施135 VIII 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 七、低压开关技术展望147 （一）数据中心低压配电系统演进方向147 1.模块化（预制化）147 2.架构简洁化148 3.绿色低碳能源149 4.配电管理智慧化150 （二）低压开关技术路径151 1.集成化151 2.模块化155 3.智能化156 （三）面向IDC的低压开关技术157 （四）智能化技术的发展159 （五）绿色低碳161 IX 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 数据中心低压开关技术白皮书 一、概述 近年来随着5G、物联网、云计算、AI等数字化技术的发展，数据计算量呈现井喷式增长，配套的数据中心与通信基站投资及建设力度也不断加大。国家高度重视数据中心产业的发展，“十四五”规划和2035远景目标纲要中明确提出“加快构建全国一体化数据中心体系，强化算力统筹智能调度，建设若干国家枢纽节点和大数据中心集群，建设E级和10E级超级计算中心”。国家发展和改革委员会等部委印发关于《全国一体化大数据中心协同创新体系算力枢纽实施方案》等一系列落地实施政策。 在国家新基建政策的引导下，数据中心逐步向绿色、低碳和高能效方向发展。随着数据中心规模不断增大，导致耗电量剧增。据国家能源局数据显示，2022年我国数据中心耗电量达2700亿千瓦时，能耗约占全国总用电量的3.1%，足以满足上海、深圳两座超大型城市的全年用电需求。IDC预计，到2024年数据中心耗电量将占到全社会耗电量的5%以上。面对严峻的用能形势，新型数据中心逐步开始采用先进的供配电与空调制冷解决方案来降低能耗，这也对数据中心设计、及设备供应商提出了更高要求，也要求工程总包具备多产业集成能力。同时，算力需求的激增助推数据中心建设速度迎来高峰，国家及各地相继出台政策规范数据中心的能源使用效率 1 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 （PowerUsageEffectiveness，以下简称PUE）。2022年1月，国家发改委、工信部、国管局和国家能源局发布《贯彻落实碳达峰碳中和目标要求推动数据中心和5G等新型基础设施绿色高质量发展实施方案》中提出，到2025年，数据中心运行电能利用效率和可再生能源利用率明显提升，全国新建大型、超大型数据中心平均电能利用效率降到1.3以下，国家枢纽节点进一步降到1.25以下，绿色低碳等级达到4A级以上；北京、上海、深圳等各地方政府纷纷响应，制订了若干更加严格的数据中心PUE建设指导意见；在国家东数西算与“双碳”战略背景下，国家政策与法规的不断出台，既对数据中心行业发展起到规范与引导作用，也对数据中心供配电系统提出了更高的要求。 数据中心低压配电系统主要由低压开关、UPS、供电电缆等设备或环节组成，设计合理的配电系统是数据中心安全可靠、绿色低碳运行的关键。低压开关是低压配电系统的重要组成设备，在数据中心配电设备的数量占比非常可观，也承担着系统保护与运行控制的关键作用。根据格物致胜《中国低压电器白皮书》测算，2022年，数据中心低压配电市场规模达到32亿，复合增速高达14.5%。本白皮书将主要聚焦讨论数据中心内低压开关技术，包括低压开关分断技术、器件分类、特性参数、选用维护与技术展望等，以期为数据中心低压配电系统的方案设计与落地提供参考与帮助。 2 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 二、数据中心低压配电系统 （一）低压配电系统特点 1.概述 数据中心供配电系统为数据中心用电设备提供安全可靠的电能供应。数据中心供配电系统通常至少包括低压配电环节；大型数据中心园区通常包括中压10kV供电环节；部分特大园区甚至包括110kV或220kV自建变电站，将高压交流电转换为中压交流电向园区用电设备馈能。对于数据中心供配电系统的核心要求是能够保障数据中心中ICT设备在可靠稳定的动力环境下7*24小时不间断工作，既包括直接向ICT设备提供电能，还包括为ICT设备正常工作提供稳定环境的其他辅助用电负荷提供电能，如空调、监控等用电负荷。 2.数据中心低压配电系统 数据中心低压配电系统一般指交流380V系统，部分数据中心配备有直流电源设备，但通常也是通过低压交流作为输入转换而来，配套的后端直流配电设备（通常为DC48V、DC240V或DC336V）与AC380V系统设备共同组成数据中心低压配电系统。从能量流动链路的方向来看，典型的数据中心低压配电系统通常从10kV干式变压器低压绕组输出端子开始，通过低压配电柜、交直流不间断电源、精密列头柜以及PDU等配电设备，将能量层层传递至服务器PSU电 3 数据中心低压开关技术白皮书ODCC-2023-02003 源，最终转换成不同低压直流环节输出，为服务器CPU、存储等设备提供不间断的电能。 变压器低压绕组出线与低压柜连接之后，通过低压柜以点状配电方案或线状配电方案将电能馈出。根据变压器容量以及后端负载特性，可规划合适数量的设备以及合适的设备层级，合理的设备连接方式。低压柜可通过密集母线或者电缆的形式将电能分配至后端配电或者不间断电源设备。数据中心为保证给ICT设备提供高质量且不间断的电能，增加不间断电源系统。通过电力电子变流技术，将交流输入通过整流加上逆变的环节，将市电电网中馈入的电能提升为输出更加稳定的电压源，同时直流环节的母线是挂载电化学电池（铅酸蓄电池、锂电池等）的必须。通过单体电池的串并联连接，成组的备电电池直挂在不间断电源的直流母线上，在市电故障无法保持持续供应时，输出电能供应后端ICT设备，维持IT业务不中断。通常不间断电源馈出回路数≥1，每条回路与后端精密列头柜设备连接，通过精密列头柜输出母线分流为更多的支路，每条支路通常与一台ICT设备机柜直接连接。也有相当部分金融数据中心会选择小母线的形式承载不间断电源系统馈出支路的输入，电能通过不同节点的电缆将电能馈出到机柜。当然这