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电网质量对数据中心的影响

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2014-11-03

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    数据中心离不开电,没有电能数据中心的任何设备都无法运转,而且数据中心对电能的需求是巨大的,一个中型数据中心运行一天就要消耗掉十几万度的电。很多人 只关注数据中心的高能耗问题,想方设法减少数据中心电的使用量,但是都忽略了一个问题,就是电的质量。我国还是一个发展中国家,经济的大发展需要大量的电 力供应,工业负荷也不断大量增加,如:大型电力电子应用装置、变频设备、电气化铁道、炼钢电弧炉、冶金化工设备、高速铁路、电梯、起重机等,这些工业负荷 对整个城市的电网质量都带来大量的谐波干扰,随着这些非线性、冲击性负荷的大量使用,使得电能质量变得更加突出。这些年在城市里很少遇到大面积的停电,但 是电压的波动就时有发生了,比如家里的灯泡突然变得忽明忽暗,尤其是到了夏天用电高峰期,总感觉家里的灯泡不是那么亮,实际上这时电网的电压运行在较低的 水平,在输出电流不变的情况下,灯泡的功率就低了,看起来也就不会那么亮了。数据中心里有不少的精密仪器,对电网运行质量较敏感,设备长期在这种供电环境 下运行,会大大缩短设备的使用寿命,增加数据中心设备故障率,有时供电的波动也会造成设备无法正常运行,造成业务中断。

    美国曾经做过这样的实验,得出一般低压配电线在14个月内在线发生超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数可达到800次,这样每个月差不多57次, 其中超过1000V的浪涌就有300多次,在我国由于电网质量本身就差,出现高浪涌的频率就更高了。除了电网本身质量对数据中心供电造成了波动,数据中心 供电波动也有相当一部分原因来自于雷电,我国也是一个雷电高发地区,数据中心设备的电力线路上很容易遭受到直击雷和感应雷的冲击,这样加剧了电网的波动。当雷击中高压电力线路后,经过变压器耦合到低压测,进而入侵到数据中心的供电设备上。按照标准要求,一切数据中心里运行的设备必须接地,并具有防雷装置, 避免雷击。

    电网除了电压上的变化,还有不少其它的影响,这些都对数据中心设备电源的运行造成了干扰。归结起来主要有以下7种情况:

    1.跌落。一般是由重载接通、电网电压低下造成的,这时供电电压出现了突然的降低。数据中心对设备要求有承受跌落的能力。衡量的标准是电压跌落的幅 度和时间,一般要求电压跌落至20%额定电压时,设备能保持正常运行0.625S.这个数据参考了UPS的切换时间,UPS的供电切换时间可以达到几百毫 秒以内,当发生跌落时,可以在UPS将供电从一路切换到另一路的时间内,设备保持正常运行。

    2.失电。一般是由气候恶劣、变压器故障造成的。失电是指由于线路故障而引起的失电开关跳闸,又在很短的时间内迅速消除,这个过程往往在几个毫米内 就完成。失电比跌落要严酷,相当于在短时间内设备完成没有供电,只是持续的时间要比跌落短。设备要做到不受失电的影响,就需要设计有一个大电容。在失电发 生时,电容接管供电进行短时的放电,维持设备运行,当然具有这样功能的基本都是承载核心业务、关键业务的高端设备。

    3. 频率偏移。一般是由发电机不稳定,区域性电网故障导致。造成频率偏移主要是由于过负荷和发生谐振。频率质量是电能质量的一个重要指标,国家电力工业技术管 理法规规定,大容量电力系统的频率偏差不得超过正负0.2Hz,而国外都要求不得超过正负0.1Hz.当频率降低时,无功功率负荷将增大,这将促使电压水 平的下降。频率过低失,会造成大面积停电。当频率发生大幅度偏移时,将会影响数据中心设备的正常工作。

    4.电气噪声。一般是由雷达、无线电信号、工业设备生产的弧光、转换器和逆变器造成的。数据中心里都是清一色的用电设备,在运行时必然会产生一些非 本意用途的无规则的微弱电流、电压或电磁场等。为了消除这些噪声对周围设备的影响,都会要求设备运行时漏电流、电压不能过大,对设备的漏电流大小也有明确 要求。当我们用手触碰一些设备时,有时会被电到,要么是设备没有很好的接地,要么是设备的漏电流过大,不符合标准要求。

    5.浪涌。一般来自雷电、用电负载突然增加或减少、变压器抽头不恰当等。浪涌一般是指电压向上波动,突然升高。就我国目前的电网质量,这种情况几乎无法避免,浪涌随时都可能发生,所以只能从设备上想办法来应对浪涌,提升设备对浪涌的冲击能力。

    6.谐波失真。一般来自整流、开关负载、开关型电源、调速驱动等。谐波失真是指正常电流波形的一种失真,一般设备可以容忍一定程度的谐波电流,但是当谐波在总负载中所占比例较为明显时就会出现问题。随着谐波失真的发生,往往会造成数据中心设备通信错误、过热和硬件受损。

    7.瞬变。一般来自雷击、电源线负载设备的切换、功率因数补偿电容的切换、空载电动机的断开等。电网瞬变的特点是脉冲成群出现、脉冲的重复率高、脉冲波形的上升时间短暂、单个脉冲的能量较低。这种瞬变造成数据中心设备故障的几率较小,但使设备产生误动作的情况却很常见。

    以上介绍的这些电网质量问题都会对数据中心设备运行造成不良影响,有些是致命的,会给数据中心带来灾难性的后果。既然数据中心无法改变电网的质量, 那就要从自身入手,减少电网质量对设备的伤害。首先,数据中心的设备一定要接地,使设备上滤波电路能有效的滤除电网干扰。其次,数据中心设备要远离载有大 电流的导体,产生强电磁场的设备,和一些大功率的非线性负载设备隔开。再次,数据中心设备要增加前级配电保护装置,增加电能净化设备,比如调压器、滤波 器、电涌抑制器、UPS不间断电源。通过这些电能净化设备消除电网质量对数据中心设备的损害。电网质量对设备的影响往往是潜移默化的,平时很难观察到,往 往都是在设备已经发生了故障后才注意到,所以一定要增加防护措施,让数据中心设备用上安全的电。

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