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1、240V直流供電系統設計方案探討摘要 高壓直流供電自身作為一種簡潔、節能、可靠的供電方式日益引起人們的關注，國內三大電信運營商先后都進行了高壓直流供電的試驗，取得了一定的經驗。本文重點從系統設計的角度，對比與-48V直流供電系統，對高壓直流供電系統的接地方式、配電系統的擴容、斷路器的選取等方面進行了說明關鍵詞 高壓直流 -48V直流 系統設計 接地方式 斷路器選取0 前言隨著計算機互聯網的高速發展，互聯網數據中心（IDC）的規模越來越龐大，傳統的服務器電源是按交流供電設計的，采用UPS不間斷電源（Uninterruptible Power Systems-UPS）設備供電。從電源系統本身而言，2、相對于UPS電源系統，高壓直流（HVDC）具有系統結構簡單、維護方便；電源模塊化設計、方便擴容；減少了逆變環節、系統效率高；后備蓄電池直接并接直流母排上，供電可靠性高等優點。正是由于高壓直流系統本身的這些優點，促使人們探索傳統按交流設計的服務器是否可以采用高壓直流供電？國內三大電信運營商先后都進行了高壓直流供電的試驗，取得了一定的經驗和數據。高壓直流供電系統設計，與傳統的-48V直流供電系統相比，有共同之處，都是交流電經整流后直接供電給用電設備。但是，絕不是簡單地提高了輸出電壓。高壓直流電源系統設計需要注意諸多的問題，比如，電源系統的接地方式、絕緣檢測、斷路器或熔斷器的選取以及傳統的服務器撥動3、開關無法直接開斷額定的直流電等等，本文重點從供電系統角度出發，結合工程實際提出了建議，僅供大家參考。1 高壓直流供電系統簡介1.1 高壓直流供電系統簡介目前業界比較一致的觀點為采用標稱電壓240V的直流電源，每組電池采用120只2V電池、或40只6V電池、或20只12V電池。本文的高壓直流電源系統指的是240V直流電源系統。圖1 高壓直流供電系統框圖正常情況下，系統運行在并聯浮充狀態，系統電壓約為270V，整流模塊、負載、蓄電池并聯工作。整流模塊除了給通信設備供電外，還為蓄電池提供浮充電流（浮充狀態下，充電電流值很小）。當交流電斷電時，整流模塊停止工作，由蓄電池放電供通信設備用電。交流電恢復后4、，整流模塊一方面為通信設備供電，同時為蓄電池均衡充電，系統電壓約為280V。1.2 整流模塊、后備蓄電池容量的選取類似于-48V直流電源系統，整流模塊按N+1冗余配置，除滿足負載電流與蓄電池的充電電流外，另考慮備用模塊，蓄電池充電電流按0.1C10考慮。后備蓄電池的容量，根據市電引入類別，按照通信行業標準YD/T 5040-2005通信電源設備安裝工程設計規范提供的公式計算，需要注意的是，公式中的電流“I”，一般應考慮在標稱電壓240V時設備的工作電流。2 高壓直流供電系統的特點2.1 高壓直流系統的接地方式首先說明一點，現行的通信行業規范沒有規定高壓直流供電系統的接地方式。YDB 037-25、009通信用240V直流供電系統技術要求屬于技術報告的形式。從上面的高壓直流供電系統框圖可以看出，不同于-48V直流供電系統，高壓直流電源系統一般采用懸浮方式供電，正負母排均不接地。系統設置絕緣檢測單元，對直流母排、輸出分路進行絕緣檢測和接地故障告警。個人理解采用懸浮方式供電的原因主要有以下幾點：（1） 若采用高壓直流的某一極（正極或負極）接地的方式，倘若另一極（負極或正極）不慎也接地，將發生短路，產生災難性的后果。（2）整流模塊將交流電整流為直流240伏輸出，系統交流輸入與直流輸出電氣隔離。采用懸浮方式供電，正負母排均不接地，假如人不慎接觸到其中的一極，由于不形成供電回路，通過人身的電流很小6、，不至于危及人的安全。同時，供電系統會正常供電，供電連續性較好。（3）高壓直流電源系統懸浮方式供電借鑒了電力操作電源的接地方式。變電站繼電保護設備的操作電源，一般選取DC 220V或DC 110V，用于控制裝置、工業計算機、斷路器等設備，采用的為懸浮方式供電。高壓直流設備的輸出母排、電纜連接點等帶電部分都采取了加裝熱塑套管等防護措施，一般情況下維護人員不易碰到帶電部分，是比較安全的。盡管高壓直流電源系統的正、負極均不接地，但是設備外殼的接地和-48V系統、交流供電系統一樣，是需要可靠接地的，在通信機房直流列頭柜中輸出的是正、負、地三根線。2.2 高壓直流系統的電池保護高壓直流供電系統一般配置27、4組蓄電池，電池保護斷路器（或熔斷器）的容量按滿足遠期負載電流配置。當配置兩組電池時，電池保護斷路器（或熔斷器）的容量，至少應大于負載的遠期負荷電流，也就是說需要考慮一組電池故障或檢修時，另一組電池可滿足負載放電的需求。通信設備都是恒功率工作的，電壓降低，電流值會增大，設備工作電流按系統電壓為216V時考慮，對應單體電壓為1.8V。高壓直流電源系統采用懸浮方式供電，電池保護若采用熔斷器，正、負極均需要裝熔斷器，熔斷器的個數比-48V直流電源系統多一倍。相對于-48V電源系統，高壓直流電源系統電壓等級高，更換器件危險性相對較高，電池保護推薦采用耐壓值合適的直流斷路器。2.3 高壓直流系統的配電分8、路-48V電源系統的直流配電屏，配電分路多采用熔斷器，設備成本較低，優點是不易因人為刮碰意外分斷。類似高壓直流電源系統電池保護推薦采用直流斷路器的原因，高壓直流的配電分路，建議盡量采用直流斷路器，少采用熔斷器。采用直流斷路器的優點是操作、維護方便、故障恢復快。采用直流斷路器，要注意斷路器本身的耐壓值一定要滿足系統電壓的需求，工程實際中，一般采用3P直流塑殼斷路器與2P直流小型斷路器。3P直流塑殼斷路器使用較為普遍，實際使用時一般某兩級串聯，作為2P開關使用，這樣做，也提高了開關的耐壓值。高壓直流供電系統的配電分路，要選用特殊設計的直流斷路器，切勿簡單地將交流保護斷路器用于直流系統，由于直流系統9、的特殊性，這樣使用是存在潛在的風險和明顯的誤差的。2.4 其他2.4.1 關于服務器的撥動開關與普通電源插座現在數據專業的標準機柜內服務器電源不少都采用電源插接板插接，一個機柜內有多臺服務器在用，服務器機柜上設有撥動開關。刀片服務器的額定功耗比較大，多臺服務器共用一個電源插線板的方式，本身就不太安全。服務器上的撥動開關無法直接開斷額定的直流電流，普通的電源插座也不能直接插拔240V直流。采用高壓直流電源系統供電，建議在服務器機柜內，為每個服務器配置與之額定功耗相匹配的直流小型斷路器作為保護，盡量少撥動服務器上的撥動開關，甚至可以考慮把原有的開關短接。現在2P直流小型斷路器，耐壓值完全可以滿足210、40伏直流電源系統需求，開關容量從1A、2A、3A至63A不等，規格型號也可以滿足不同服務器的需求。工程中建議盡量少采用普通的電源插座，少數場合需要使用電源插座時，可采用特殊設計的電源插座。插座進線采用直流小型斷路器保護，直流小型斷路器與電源插孔互鎖，小型斷路器閉合時，插孔中的電源線無法拔出；只有當小型斷路器斷開時，插孔中的電源線才可拔出。2.4.2 高壓直流系統的擴容、維護高壓直流電源系統容量的擴容，類似于-48V電源系統的擴容，可采用在線增加整流模塊的方式，操作方便；但高壓直流電源系統配電屏的擴容，較為麻煩。-48V直流電源系統，直流配電屏擴容，可采用正、負母排分別連接，帶電操作。高壓直流11、電源系統由于電壓等級高，切不可如此，若日后需要進行帶電擴容，在建設初期，需要預留擴容使用的開關，以便完成系統的擴容。維護高壓直流設備，要注意采取絕緣措施，需要帶絕緣手套和穿絕緣鞋。2.4.3 高壓直流正負極與220V設備L、N的對應關系按照YDB 037-2009通信用240V直流供電系統技術要求，目前普遍采用的全波整流的服務器設備，從理論上說，直流系統的正、負極和設備輸入的L、N無需嚴格按照某種對應關系。但是從管理的規范、運行的安全及維護的方便考慮，應盡量采用統一的對應關系。直流輸出“正”極對應與設備輸入電源線的“N”端，直流輸出“負”極對應與設備輸入電源線的“L”端，設備輸入電源線的“地”12、端與系統保護地可靠連接。對于采用半波整流方式的服務器，若按照上述對應關系，設備無法工作，可將直流輸出“正”極對應與設備輸入電源線的“L”端，直流輸出“負”極對應與設備輸入電源線的“N”端，服務器設備可正常工作。2.4.4 雙電源服務器的電源輸入對于雙電源輸入的服務器設備，可從一套高壓直流電源設備引電，若設備的安全等級要求高，兩路電源也可從兩套高壓直流設備引電。3 結束語現有、在網運行的服務器是按交流電設計的，內部有整流、濾波、功率因數校正等電路，這些電路在直流環境下是不需要的。現在所進行的高壓直流的試驗，也就是想辦法使按交流設計的服務器，可以采用直流240伏等電壓等級安全地供電，作為試驗可以，13、長久使用不甚合理。通信網絡的安全為頭等重要大事，節能、節省投資不能以犧牲安全為代價。按交流電設計的服務器長期運行在直流環境，一旦出現故障，會與服務器場廠家產生糾紛，分不清責任。因此，服務器生產廠家推出按直流環境設計的服務器，并經運行時間檢驗安全可靠，才能為大規模地推廣應用高壓直流供電創造必要的條件。IT服務器除在通信運營企業使用外，金融系統、網站等也在大量使用服務器，由于隸屬于不同的行業管理，供電標準較難統一。但是服務器大規模采用直流供電是發展方向，是大勢所趨，盡管過程將比較漫長。眾多電源同仁的努力推動，將會大大縮短這一進程。參考文獻：YDB 037-2009通信用240V直流供電系統技術要求