数据中心物理基础设施的测试与验收(2).pdf

9 技术应用 数据中心建设与管理 数据中心物理基础设施的测试与验收 1 王其英 中国电源学会交流电源专业委员会 北京 100029 摘 要 本文介绍了数据中心建设中的一些误区以及必要的接地 防雷 也介绍了验收中应注意和发现的 问题 并提出了解决的办法 关键词 物理基础设施 漏电保护开关 变压器 防雷 接地 供电系统 带载验收 Testing and Acceptance of the Physical Infrastructure in Data Centers 1 WANG Qiying CPSS AC Power Society Beijing 00029 China Abstract This paper introduces the common mistakes and the necessary lightning protection and grounding measures in the construction of data centers Also it describes the problems during the acceptance procedure of data centers and then gives corresponding solutions Keywords Physical Infrastructure Leakage Protection Switch Transformer Lightning Protection Grounding Power Supply System Testing and Acceptance with Loads 收稿日期 2009 06 17 中图分类号 TP30 文献标识码 B 文章编号 02 9 27 3 20 0 05 00 9 06 1 漏电保护开关误区的代价 漏电保护开关是为了保证人身安全而采取的 措施 但如果使用不当就会带来很多麻烦 甚至 造成损失 这在数据中心建设中不止一个例子 这个问题不解决 以后还会出现类似事件 1 为什么UPS前面不能加漏电保护开关 有不少用户为了人身的安全要求市电供电系 统输入加漏电保护开关 但当具有此功能的开关 加上后 UPS一开机 开关就跳 不少人认为是 UPS漏电 是不是漏电呢 由于UPS的前置低通滤波器中已接入抑制共 模干扰的电容器 如图1中的CLE和CNE 尤其是 CLE 在加电瞬间会有很大的电流流入地线 一般 这个电容器的容量都在1 F以上 从图中可以看 出 漏电保护器传感变压器输入是火线电流IL 输 出是零线电流IN 输入输出绕组的方向是按照磁通 抵消的原则绕制的 铁心上还有一个次级绕组e 漏电保护器不跳闸的理想条件是 IL IN 这时由 于变压器内磁通等于零 即 0 所以感应电 势e 0 但在加电瞬间由于CLE的瞬时短路 就有 一个很大的电流ILE直接入地 E 使得IL IN 0 e 0 使空气断路器的执行机构跳闸断电 这就是跳闸的原因 总之 在UPS前面安装带漏电保护器的空气 断路器是不恰当的 如果用户坚持要装 为了可 以起动UPS 将所有的抑制共模干扰的电容器全 部取消 但这样做都会带来不良结果 2 某大型机房措施的误区与代价 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 第1 3 卷第5 期 2 0 1 0 年5 月 V o l 1 3 N o 5 Ma y 2 0 1 0 50 在我国有几个大型机房是由外方设计的 由 于加了漏电保护开关使UPS无法起动 几经商榷 而达不到共识 在无奈的情况下 经专家认可后 就在UPS前面加装了隔离变压器B 如图2所示 这样一来UPS加电跳闸的问题就解决了 为什么在UPS前面加装了隔离变压器B后就 不跳闸了呢 由前面的分析可知 在UPS起动时 所以使带漏电保护器的断路器跳闸是由于抑制共 模干扰的电容所致 在UPS开机时除了正常的机 器用电流 这个电流的输入值IL等于零线上的返回 值IN 外 还有一个经过CLE返回地的电流ILE 而这 个电流只从火线进入而不经零线流回 所以才造 成入出电流不一样的差值 加入如图2所示的隔离 变压器B后 如果其次级绕组不接地 输出电压就 是悬空的 因此抑制共模干扰电容CLE的两端就没 有电压 因此也就没有电流ILE产生 如果次级绕 组接地 就相当于CLE和CN2并联 形成了抑制常 模干扰的较大容量的电容 接地点只是一个参考 点 不会有电流流过 对于变压器B的初级 绕组而言 因为只有一个 回路 所以IL IN是必然 的 因此UPS开机跳闸的 问题解决了 但变压器B的加入隔 断了输出与开关S的联系 而且在实际应用中都把零 线接地 如图中虚线所 示 在这种情况下 就相 当于输入市电 仍能形成人 员触电回路 如果变压器次 级零线不接地 又是很多用 电设备绝对不允许的 至于 将抑制共模干扰的电容去掉 的危害是明显的 因为取消 了共模干扰抑制的功能 其结果是加了变压器B 后 漏电保护开关就不起任 何作用了 该出现的人身触 电事故照样出现 还不仅如此 由于供电主干路 上多了两个串联环节 不但多占用了资金 多占 用了机房面积 多了一份功耗 还多了两个故障 点 使系统供电可靠性大打折扣 这就是误区的 代价 3 对普通电源变压器的误解 在建设数据中心机房中有不少地方要求必须 加隔离变压器 甚至UPS的输出也必须有隔离变 压器 其理由是电源变压器可以抗干扰 可以缓 冲电流的突然变化 可以抵抗电网电压的大范围 变化和冲击 等等 但实际情况并非如此 电源 变压器的真正功能有两个 变压和产生隔离接地 点 在三角形变星形结构中虽然可以消除3次谐 波 那只是在线电压上 220V的相电压享受不到 这个好处 在此仅对前两个说法简单说明一下 1 电源变压器可以抗干扰之说 最简单的知识 抗干扰的功能必须由非线 性器件来实现 而变压器在正常工作时是呈线性 的 目的是保证初级和次级电压波形不失真 而 图1 漏电保护器对UPS开机的影响原理图 图2 加隔离变压器后漏电保护器对UPS开机的影响原理图 5 线性器件是不抗干扰的 另一方面 若变压器抗 干扰 它必须有分辨干扰的能力 但它根本就不 具备这个功能 也就不抗干扰 不要把变压器看 成是低通滤波器 2 可以缓冲负载电流的突然变化之说 众所周知 IT设备是在工作电流变化中工作 的 也许一直是用100A电流在工作 有时就会突 变到200A 如果此时变压器给缓冲一下 不提供 200A 仍然送出100A 缓冲 一段时间后再给 出200A 如果真是这样 这些正在正常运行的IT 设备非出错不可 甚至停机 像这样的变压器还 会有人要么 所以数据中心不一定非要变压器不可 变压 器的重量大和体积大并不代表功能多 一般多用 变压器产生隔离地 以减小原来的零地电压 2 数据中心的防雷与接地 验收机房的第一个目标就是接地环境 如 果接地不理想就会给中心的正常运行带来好多麻 烦 现代机房和建筑物共地者多 所以一般要求 接地电阻要小于1 良好的接地对防雷很重要 可使强大的雷电 流顺利泄漏入地 1 机房接地的必要性 计算机系统运行的稳定性在很大程度上取决 于供电系统的稳定性 有些干扰问题也一直在影 响着用户的情绪 如电网电压不稳定 零电位漂 移数十伏 直流地极阻值大于1 地极引线绝 缘损坏以及地线截面积小于50mm2 等等 我国 区 县级电力系统运行条件比较差 使得UPS输 出零电位对直流地之间电位差大于1伏乃至数十 伏 这将导致一些计算机系统无法投入运行 那 么在UPS未选配隔离变压器的情况下 能不能使 UPS的输出 零 地 电位差达到用户希望的小 于1伏呢 回答是肯定的 UPS系统是独立的工作 系统 系统负载工作稳定 而且还可以均匀地分 配在三相回路里 当UPS输出末端插座零 地之 间电位差大于1伏而小于4伏时 可使UPS工作零 线二次重复接地 当UPS输出回路零 地电位差 大于4伏时 首先应检查零线高电位是电力系统引 起的还是UPS自身产生的 当零线电位漂移大于4 伏时 一般都是电力系统产生的 由于电力系统 电压波动大 三相负载平衡度差 从而造成零点 电压漂移大于4伏 在这种情况下 仅靠二次重复 接地是解决不了问题的 如前所述 由于UPS是 一个独立负载系统 三相和单相负载当然是自成 负载回路 那么UPS工作零线可以与电网工作零 线断开而独立接大地 UPS工作零线独立接大地 有两种接法 一种是可以接独立地极 该地极阻 值小于3 5欧姆即可 另一种是接到直流地极上 从直流地极上接出两根截面积大于50mm2的导 线 将这两根导线同时引入机房分电柜中 并分 别接到直流地极母带和UPS工作零母线上即可 由于计算机各厂家对计算机零 地接法的要求不 同 像CYBER系列计算机在机房进线入口处把直 流地 安全地 交流工作地等要求接成一点 而 IBM就不允许诸地接成一点 而且UPS专用插座 上零 地之间电位差必须小于1伏 否则就认为场 地供电系统不合格 2 计算机房对干扰的接地防护 计算机系统运行不稳定的另一个原因是机房 静电及空间强电磁场的干扰 现代机房如何抑制 这些干扰是高可用性机房中必须重视的问题 机 房产生静电干扰 主要是机房的湿度偏低所致 因为静电地板里的氯分子具有很强的吸湿能力 可改变静电地板的电阻值 当机房湿度 30 时 抗静电地板呈现高阻抗 1010欧 人在机房中行 走时会产生 1 000V的静电电压 这个电压不易 对大地释放 这时如果人体接触MOS电路 就很 容易击穿组件模块 所以 计算机机房在干燥季 节应通过加湿系统将机房湿度调节到 35 才能 减小静电对计算机的影响 机房空间电磁场的干 扰主要来自机房内部动力源电磁场和外部空间电 磁场 故内部动力线应敷设在远离弱电系统的金 属线槽内 至于外部空间电磁场 因现代机房已 走向金属化维护结构 机房六面体 彩板墙体 金 属吊顶和金属地板 的金属骨架采用的是网状组合 并接大地 这样不仅可满足机房安全接大地的要 求 而且对雷电等干扰也具有一定的屏蔽效果 技术应用 数据中心建设与管理 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 第1 3 卷第5 期 2 0 1 0 年5 月 V o l 1 3 N o 5 Ma y 2 0 1 0 52 图3示出了建筑物结构金属网与各地共点接 大地的情况 该建筑物的防雷系统是双层保护系 统 外部空间是避雷针引下线保护 建筑物维护 结构是金属骨架共点综合接地 也叫一点接地 等电位接地 等电位接地是当今机房接地认可的 一种保护方式 机房里等电位接地不是把各种地 如保护地 交流地 直流地等 直接接成一点 而 是通过等电位体接到一点 正常情况下各种地是 独立接大地的 只有雷击或浪涌电压冲击时等电 位体才被击穿 从而各地才对大地形成一点接大 地的等电位 这时 外部的交流 通信 网络和 天线等传输线路引入的浪涌冲击均会被大楼结构 地吸收 所谓结构地就是机房外围结构金属骨架 的网点化接地 而金属顶板 彩钢墙体和活动地 板等金属体 均被安装在这些骨架上 因此这种 等电位接地的方式不仅可避免浪涌电压的袭击 而且也隔离了空间电磁波及其相互之间的干扰 需要注意的是 直流地极应尽可能远离防雷地极 15m以上 3 供电系统的保护 电能在架空线远距离传输过程中会受到外 界因素的污染 尤其是雷电的污染更为严重 所 以 在电网电压接入机房时 需要在入口处安装 防雷器或称浪涌吸收器 供电系统的三级保护方 案如图4所示 需要注意的是 两个防雷器或浪 涌吸收器的距离应大于15m 从图5中可以明显 地看出 经过三级防雷器抑制后的浪涌电压幅度 已衰减到很小了 第一级将6 000V以上的浪涌电 压幅度抑制在3 000V以下 第二级又将其压低到 2 000V以下 第三级将上述幅度控制在1 500V以 下 达到了机器可接受的输入程度 以上三级防 浪涌器件的反应时间都必须 25ns 而且这三级防 雷器应安装在配电柜内 在加防雷电浪涌措施时 市电总开关柜首 当其冲 一般都要安装一级或二级防雷器 对于 UPS输入柜和UPS输出柜则是二次 三次保护 所以 在远离大楼电源输入端的小型机房 小于 150m2 里一般可不安装防雷器 因为若安装级数 过多 反而有时会引起UPS输出系统宕机 计算机场地建筑有的位于外部直接雷击区 雷击冲击波干扰区 电线电缆感应区及浪涌电压 引入区等 为此应根据不同的情况采取不同的措 施 对于直接雷击区不仅要有良好的防雷天线 而且要有良好的天线引下线 比如在大楼柱子中 焊接良好的钢筋是理想的引下线 接至防雷地极网 电阻 10 对于雷击冲击波的防范 一般可 采用等电位体连接方式 如图6所示 在这个例子 中 将机房中的电源线 220 380VAC 外皮 C I 或EDP电缆外皮和通信电缆外皮 以及水管 燃 气管和阴极保护的输油管等 通过等 电位连接体同时接到基本接地极上 而电源线和信号线又通过各自的保护 器连到等电位接地体 图7是同电位接地网的形式与接 公用网的情况 上面两个图是基本的 等电位连接网形状 下面两个图是将 各等电位连接网接到公用接地系统等 电位网的情况 对强磁场感应区要采 用屏蔽接地 机房结构金属体及线缆 桥架良好地接地 屏蔽地极网电阻 1 桥架地极网电阻 3 5 对 线缆浪涌电压要采用浪涌保护装置 接 地极网电阻 3 5 等 图3 建筑物防雷接地系统示意图 53 3 数据中心机房物理基础设施的验收 1 物理环境的验收 查看了接地与防雷后 要查看机房的布局和 隔断是否符合消防要求 机房的保温措施 空调 机的排水系统 不少空调排水系统的排水槽不规 范 主要是槽的坡度不是向出水口倾斜 而是相 反 造成积水现象 还要查看新风室是否合乎要 求 测量机房的气压是否为正压 地板下是否有 灰尘 地板下的布线是否阻挡了风道 地板的风 口是否能防止老鼠之类的进入 机柜的排列是否 冷热风道分开 IT柜内是否将可使气流短路的空 位用盲板隔开 IT柜 内的设备功率是否符 合这种制冷方式的散 热 2 机房供电系统 的验收 1 常规指标的测 量 在不带正式IT负 载的情况下先测静态 指标 先从输入开始 测市电电压的变化范围 测ATS的切换时间 测UPS输入输出电压的精度和稳定度 测旁 路开关的切换时间 测UPS的电网调整率与负载调整率 像这些常规和非常规指标的测量有专门的机 构承担 并且有详细的表格 这是一些规范化的 程序 2 电池后备时间验收 对电池后备时间的测量是带负载的 通过这 种测量就可以发现电池容量是否符合设计要求 在此项测量中会发现了一些异常现象 本来设计 的电池容量足够 而且也是严格按照设计容量配 技术应用 数据中心建设与管理 图5 接入防雷器后的浪涌逐级减小的情况 图4 供电电路三级防雷电接地原理图 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS 第1 3 卷第5 期 2 0 1 0 年5 月 V o l 1 3 N o 5 Ma y 2