刘艺伟

（维谛技术有限公司北京分公司，北京 100026）

0 引言

目前数据中心主流的供配电架构有2N架构、DR架构、RR架构，根据GB 50174—2017《数据中心设计规范》，目前A级数据中心采用的电气架构基本是2N架构。同时规范规定，数据中心低压配电系统的接地形式宜采用TN系统，采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S系统[1]。在目前的设计中由于规范的不同要求以及成本的限制，2N架构下的接地形式有多种，本文仅对2N架构下的接地形式进行初步探讨。

1 数据中心2N架构介绍

数据中心典型的2N架构如图1所示，必要时变压器低压侧和UPS输出侧都有接地需求，故分别对变压器低压侧和UPS输出侧的接地形式进行讨论。

图1 典型2N供配电系统架构

根据A级数据中心设计要求，2N系统中的变压器、UPS及低压配电柜需要进行物理隔离，分别放置于不同的房间内。

数据中心2N架构的接地方式在规范中有着相对明确的规定，但在实际设计和建设过程中还是有很多不同的接地形式，对于比较特殊的数据中心2N架构的供电方式，需根据实际情况的不同对接地形式进行更多详细的分析。

2 变压器低压侧及低压柜接地方式分析

2.1 一点接地

根据GB/T 50065—2011《交流电气装置的接地设计规范》的要求，多电源变压器的中性点不直接接地，而是采用在低压柜内将PEN连接至接地点，然后接地点再与PE排进行连接形成的一点接地系统[2]（图2）。

图2 多电源一点接地系统

在2N架构体系下，低压侧两个进线断路器及母联断路器均需采用3极。

14D504《接地装置安装》也根据上述要求给出了相关做法。

主进线断路器及母联断路器采用3P，不存在断零的风险，在正常运行模式和一路失电情况下均没有杂散电流（图3、图4）。

图3 一点接地正常工作时电流流向示意图（QF1/QF2闭合，QF3断开）

图4 一点接地一路失电工作时电流流向示意图（QF1断开，QF2/QF3闭合）

但对于A级数据中心，2N系统分别位于不同的变配电室内时，一点接地一般在低压主断路器柜或母线联络柜内，必然在一个变配电室内，而另外一个变配电室则没有接地，如果在有中性点接地的变配电室内发生火灾或其他事故，导致主中性点接地发生断线，则将导致事故扩大化，有悖于2N架构保障数据中心供电高可靠性的初衷。在实际项目设计过程中，也需要注意这方面的影响。

2.2 独立接地

对于数据中心标准2N电气架构的TN-S系统，架构采用单母线分段运行方式时，这种运行方式并非并列运行的两套电压系统，大部分情况下两套系统是完全独立工作的，目前很多设计都是两套系统各自的变压器中性点直接接地。

GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》7.5.3-1要求电源转换功能开关应作用于所有带电导体，且不得使所连接电源并联[3]，TN-S系统属于三相四线制系统，母联断路器具有电源转换功能，按照规范要求应采用4极断路器。

15D202-3《UPS与EPS电源装置的设计与安装》也建议母联断路器采用4极。

此时，低压侧两个主进线断路器及母联断路器均需采用4极，这样在正常运行和一路市电失去的情况下每个变压器都是一点接地，不存在杂散电流（图5、图6），在接地安全性和规范性上不存在问题。

图5 各自变压器单独接地正常工作时电流流向示意图（QF1/QF2闭合，QF3断开）

图6 各自变压器单独接地一路市电失电时电流流向示意图（QF1断开，QF2/QF3闭合）

但在有一路市电失电后，主断路器断开，母联断路器合闸的切换过程中，存在短暂的断零时间，中性线电压会变化，可能会对末端IT设备造成影响，断零一般持续2～4 s时间，相线和中性线之间的电压不会发生变化，IT设备外壳本身做了接地，内部都是直流供电，是否会造成很大影响值得配电侧和IT服务器侧进行统一探讨。

2.3 其他接地方式

变压器低压侧各自变压器中性点直接接地，但两个主进线断路器采用3极、母联断路器均需采用4极，这种设计方式也时常出现，这样在正常运行时是一点接地（图7），在一路市电失去的情况下切换过程中没有断零的风险，但在切换完成后运行变压器存在两个中性点接地，可能会存在杂散电流（图8），杂散电流路径为a→b→c→d→e。

图7 各自变压器单独接地一路市电失电时电流流向示意图（QF1/QF2闭合，QF3断开）

图8 各自变压器单独接地一路市电失电时电流流向示意图（（QF1断开，QF2/QF3闭合）

变压器低压侧各自变压器中性点直接接地，但两个主进线断路器采用3极、母联断路器均需采用3极，这种设计方式也时常出现，这样在正常运行和在一路市电失去的情况下切换完成后运行变压器均存在两个中性点接地，可能会存在杂散电流，应避免此种接地和断路器选择的形式出现。数据中心杂散电流过大，会对数据中心整体的安全运行造成一定的隐患和风险，因此在整体设计时就应考虑这个配电系统的架构，尽量避免和减小杂散电流。

2.4 其他规范要求

根据GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》条文12.4.11-2，对于两台及以上变压器，数据中心的2N架构是典型的2台变压器为同一设备供电的模式。

（1）当变压器0.4 kV侧中性点在各自变压器的中性点处接地时，所有主断路器与母联断路器均应选用4极断路器；当与其他变电所有低压连接时，其他变电所也应在各自变压器的中性点处接地，所有主断路器与母联断路器也应选用4极断路器，每台变压器0.4 kV侧中性线（N）利用绝缘导线引出后不允许再接地[3]。

（2）当变压器0.4 kV侧中性点在低压配电柜处接地时，不允许在中性点处再接地，每台变压器0.4 kV侧中性线（PEN）利用绝缘导线接到各自的低压配电柜电源中性线（N）母排上，所有低压配电柜电源中性线（N）母排连接在一起后，只能与保护接地线一处连接，然后通过保护接地线（PE）再接地，所有主断路器与母联断路器均可选用3极断路器，此种接地方式不能用于与其他变电所有低压连接的变电所[3]。

以上规范并没有要求2台变压器必须采用一点接地，而是接地方式与断路器极数的选择相对应即可，每种接线方式都有各自的优势和缺点，要根据项目的情况和经济性的要求进行综合分析，选择更加恰当的接地方式。

3 UPS输出侧接地方式分析

关于UPS输出侧是否重复接地需要根据目前UPS设备的实际性能进行不同的选择。

目前高频UPS机，电源输入侧的中性线（N）与输出侧的中性线（N）在UPS内部贯通，并没有断开，因此使用高频UPS时不需要对中性线进行重复接地。如果输出开关和维修旁路断路器采用4极，在进行维修旁路切换时有断零的风险，此种风险要重点注意；如输出开关和维修旁路断路器采用3极，在进行维修旁路切换时没有断零的风险，但当负载不平衡时，中性线（N）如有电流流过，可能会有部分电流不经过UPS的中性线（N），而流经维修旁路的中性线，此时不会对设备造成影响，但需要在运维时特别注意。大部分时候中性线（N）电流都较小，流经维修旁路中性线的电流也非常小，整体影响较小。

在使用工频UPS机时，输出侧一般都配有隔离变压器，因此建议输出侧的中性线（N）重复接地，保证中性线的电位处于正常水平。

4 结论

在同一个变配电室内的2N架构，建议采用一点接地，不仅满足规范及使用要求，而且不存在断零的问题，是值得推荐的一种接地方式。

在不同变配电室内的2N架构变配电系统，建议采用单独接地方式，主进线断路器和母联断路器均采用4P，以避免杂散电流，但在切换过程中存在短暂断零，这是相对合理安全可靠的一种接地方式。

数据中心的整体设计与传统工民建设计有所不同，因为其可靠性要求高，数据中心整体的电气架构相对较复杂，因此在设计过程中，接地形式的选择和确定需要根据各个项目进行整体考虑，找到最适合的方法。