數(shù)據(jù)中心UPS電池直流電纜的選擇

引言

在項目工程供配電系統(tǒng)中,電纜的選擇非常重要,其關(guān)系到項目運行的可靠性和經(jīng)濟性。電纜需要根據(jù)負荷特點和性質(zhì)進行選擇,在實際項目中大部分負荷都是持續(xù)運行的,該類負荷電纜按照持續(xù)載流量選擇,但有一些負荷在大部分時間內(nèi)都處于停運或低載狀態(tài),即使需要運行或處于滿載狀態(tài),運行時間也很短,此類負荷電纜如仍舊按照持續(xù)載流量選擇,會造成極大浪費。

隨著5G、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)時代的到來,數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)量逐年增加、規(guī)模逐年擴大,數(shù)據(jù)中心的UPS是保證IT負荷持續(xù)運行的重要設(shè)備,UPS在數(shù)據(jù)中心的使用量也逐年增加,其中UPS電池電纜的使用量也不容小覷,特別是大型數(shù)據(jù)中心及電池距離UPS較遠的數(shù)據(jù)中心,電池電纜使用量相當(dāng)可觀。國內(nèi)外主要的UPS廠家,其產(chǎn)品使用手冊上均有電池電纜的選擇參考,但由于其只考慮自家設(shè)備特性或通用使用情況,電纜截面差異很大,大部分UPS廠家推薦的截面都采用持續(xù)載流量作為參考依據(jù)。根據(jù)國內(nèi)外數(shù)據(jù)中心行業(yè)規(guī)范及行業(yè)應(yīng)用要求,規(guī)模數(shù)據(jù)中心UPS電池應(yīng)急供電時間下限主要為7min、15min或30min,其中15min的應(yīng)急時間下限最為常見。由于正常情況下UPS電池直流電纜電流極小,所以電池應(yīng)急供電可按短時負荷考慮,如果UPS電池直流電纜按照持續(xù)載流量進行選擇,將造成資源和資金浪費。當(dāng)負載為短時負載時,電纜在短時負載的載流量應(yīng)不小于負載短時工作電流或額定負載持續(xù)率下的額定電流。

1理論分析

1.1電纜的暫態(tài)發(fā)熱簡化方程

空氣中敷設(shè)的電纜暫態(tài)溫升可近似采用架空線的暫態(tài)發(fā)熱方程表示。如果電纜導(dǎo)體的初始溫度不等于周圍媒質(zhì)溫度,則發(fā)熱方程可表示為:

式中,θ為電纜溫度:θa為周圍空氣溫度:θm為電纜長期運行允許的最高溫度:θ0為電纜初始溫度:l為加載時間:r為發(fā)熱時間常數(shù)。

如果電纜的導(dǎo)體初始溫度等于周圍媒質(zhì)溫度,則發(fā)熱方程可表示為:

1.2電纜短時運行載流量計算

對于電池直流電纜,介質(zhì)損耗可忽略不計。若初始電纜溫度大于周圍媒質(zhì)溫度,相當(dāng)于通過電流Io,不考慮導(dǎo)體電阻隨溫度變化,電纜溫升與負載的電流平方呈正比,利用式(1）可得各電流關(guān)系式:

式中,IN為電纜長期允許負載的電流:IP為電流短時負載電流:Io為電纜初始負載電流。

電纜時間l內(nèi)允許通過的最大電流:

式中

x為電纜預(yù)加系數(shù)。

若電纜初始溫度等于周圍媒質(zhì)溫度,利用式(4）可得:

1.3電纜發(fā)熱時間常數(shù)計算

對于敷設(shè)在空氣中的電纜,因為絕緣層和護套層的溫度與導(dǎo)體溫度不一致,所以應(yīng)考慮部分絕緣層和護套層的熱容。電纜等效熱容KT為電纜總熱容,電纜等效熱阻7T為電纜各部分熱阻與電纜周圍媒質(zhì)熱阻之和,這兩個參數(shù)表示如下:

式中,KC為電纜導(dǎo)體熱容:KI為電纜絕緣層熱容:KS為電纜護套層熱容:71為絕緣層熱阻:73為護套層熱阻:74為電纜與周圍媒質(zhì)熱阻。

電纜發(fā)熱時間常數(shù)可表示為:

2實例應(yīng)用

某數(shù)據(jù)中心設(shè)置一臺380V、600kVA的UPS,逆變效率取0.95,UPS輸出功率因數(shù)取0.9,電池后備時間15min,選用3組12V鉛酸電池,每組40節(jié)電池,放電單元截止電壓為1.75V,現(xiàn)需要選擇電池直流箱至UPS的直流電纜。

UPS電池放電為15min,電池按照0.1C充電,充電時間一般不少于10h,放電后電池充電電流很小,正常浮充電流更小,忽略充電電流,數(shù)據(jù)中心內(nèi)電池間和UPS配電室均設(shè)有空調(diào)系統(tǒng),環(huán)境溫度不超過30℃,所以θ0和θa按30℃考慮,采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜,θm按90℃考慮,電纜采用金屬梯式橋架敷設(shè)。

計算得電池放電最大電流為1353A,按照持續(xù)載流量選擇電纜時,每極選用3根150mm2的單芯電纜并聯(lián),每根電纜負載載流量451A,如按照15min短時運行載流量選擇,每極選用兩根120mm2的單芯電纜并聯(lián)即可。交聯(lián)聚乙烯絕緣120mm2的單芯電纜發(fā)熱時間常數(shù)T取35min,1N=437A,代入公式(5）中得1P=740.7A,兩根120mm2的單芯電纜并聯(lián)可滿足UPS直流電纜選擇要求。根據(jù)上面計算結(jié)果可以計算出電纜截面減少約47%,因此針對短時負荷按照短時運行載流量選擇電纜可以減小電纜使用截面。

在上述實例應(yīng)用中還需注意以下幾點:以上計算暫未考慮電壓降的影響,電壓降還需根據(jù)工程實際電纜長度校驗:由于實際工程中UPS電池后備時間會超過規(guī)范或者業(yè)主要求的時間,所以需在電池方案選定后,按電池實際后備時間選取或校驗電纜。

3結(jié)語

如果分別計算多個電纜截面在7min、15min、30min及更長應(yīng)急時間的短時載流量,對比其數(shù)據(jù),在UPS電池直流電纜的選擇中,UPS電池后備時間在30min以內(nèi)且電池應(yīng)急放電電流較大時,與按照持續(xù)載流量選擇電纜的方法比較,其更能突出節(jié)約電纜的優(yōu)勢,可在保證設(shè)備運行可靠的前提下節(jié)約電纜和施工成本,提高投資經(jīng)濟效益,避免資源浪費。