数据中心接地方式、“断零”和四极开关选用问题的综合思考

> > > >     有关规范规定

根据IEC及GB / T 50065 - 2011《交流电气装置的接地设计规范》的分类，低压系统的接地方式主要分为TN系统、TT系统及IT系统。

TN - S系统因PE导体正常情况不通过工作电流，其电位接近地电位，不会对信息技术设备造成干扰，特别适合于设有对低压电气装置供电的配电变压器的下列工业与民用建筑：

a. 对供电连续性或防电击要求较高的公共建筑、医院、住宅等民用建筑。

b. 单相负荷较大或非线性负荷较多的工业厂房。

c. 有较多信息技术系统以及电磁兼容性（EMC）要求较高的通信局站、计算机站房、微电子厂房及科研、办公、金融楼等场所。

GB 50174 - 2017第8.1.6条规定：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。

> > > >   数据中心低压系统接地方式的选择

数据中心项目采用符合数据中心特点、且最常用的低压配电系统TN - S系统是适合的。

低压配电系统的电源侧接地方式有直接接地及一点接地方式。从供电可靠性出发，大型数据中心根据机房设计等级，常常采用双路电源以上的多电源架构。对于多电源的一点接地系统来讲，从变压器到低压柜之间的局部系统接地方式实际是TN - C系统，PEN线不允许被切断，因此接地系统方式和开关极数选择存在较大关联。

> > > >     案例分析

某国标A级已建数据中心项目案例，IT变配电系统采取2N配电方式，机房层每层设置2台2N配置的IT变压器，未设置母联，变压器中性点采用直接接地方式（如图1所示）。另外，数据中心为A路、B路IT变压器还各设置了1台备用变压器，当A路或B路IT变压器系统或UPS故障时，备用变压器为IT负载提供备用电源。现场运维人员实测部分回路存在N线电流过大的问题，实测PE线存在安培级电流。

选取单侧IT变压器 + 备用变压器系统进行分析，图1中红色路径是正常N线回流路径，蓝色路径是杂散电流分流路径，原配电架构形成了杂散电流环流路径。同理，多台不同楼层IT变压器 + 备用变压器系统架构，同样会形成更为复杂的多条杂散电流流通路径，给系统安全运行构成威胁。

> > > >    杂散电流的危害

杂散电流一般很容易被人们所忽视，但是它的危害却很大：

a. 从电磁兼容性的角度，应避免杂散电流环路对IT设备的电磁干扰，以及杂散环路上设备各处工作电位之间的干扰。杂散电流产生的电磁场可能干扰重要敏感信息技术设备的工作，造成电磁干扰。杂散电流还可能使剩余电流动作保护器误动作，使火灾报警器拒动或误动。部分不明原因的“零地”电压问题与杂散电流有关。

b. 杂散电流可能因不正规通路导电不良而打火，引燃可燃物起火。

c. 杂散电流如以大地为通路返回电源，可能形成电池效应，通过电化学效应腐蚀接地极、地下基础钢筋或金属管道等金属部分。

d. 产生电表计量用电量误差。

e. N线有问题时，可能导致多个系统都出现问题。

> > > >   杂散电流未引起足够重视的原因

a. 杂散电流问题非常隐蔽，具有随机性和不易测量性。

b. 问题的复杂性较高，存在先天的技术缺陷，运维人员很难发现。

c. 机房负载率较低的情况下，杂散电流问题不容易被发现和重视。

d. 在三相平衡情况下，N线杂散电流的情况可能改善，因此不容易发现问题。

> > > >   案例分析

以图1案例为例，图中IT变压器及备用变压器低压受总开关为四极开关，当主IT变压器电源故障失电而受总开关断开时，IT变压器系统的N线是断开的，而下级配电为三极开关，该级N线一直保持连通。假定备用变压器采用冷备用方式，受总开关为断开工况下，主IT变压器电源故障失电而受总开关断开时，两台变压器系统的N线均断开，末端设备有“断零”风险。

> > > >   四极开关本身的“断零”风险

四极开关的N极触头是一个易故障点。当开关切断负载电流时，触头间产生电弧，这一电弧能量不大，并不烧损开关触头，但能烧掉和清除触头表面的电阻膜，从而减少接触电阻。对于四极开关来讲，开关分断、相线断开后，中性线触头通常不会拉出大电弧来清除电阻膜，因此中性线触头的接触电阻常常大于相线触头的接触电阻。当量变积累到一定程度后，就会导致四极开关的故障，这是四极开关易招致“断零”事故的一个重要原因。

另外，中性线接线端子如果接触不良，也会增加“断零”的风险。

> > > >     “断零”问题对数据中心的影响

通常数据中心的IT负载是由UPS供电的。案例数据中心IT关键负载采用2N UPS配电架构及高频UPS。主流高频UPS架构的N线输入和N线输出通常是连接到一起的。

当高频UPS的输入电源端N线断开时，因为UPS的输出端N线与输入端N线连接在一起，UPS输出端N线也会断开。在高频UPS输入侧开关采用四极开关的情况下，当停电及UPS输入侧开关断开时，UPS从整流状态转换为电池逆变状态，持续为末端IT负载提供电源。此时，N线是断开的，从而导致N线电位的飘移和波动。而N线电位或者说“零地”电压的参数，是某些重要IT设备对电源环境的重要技术指标要求，会影响IT设备以及内部系统软件、数据的正常运行，甚至导致设备故障或损坏。

GB 50174 - 2017第8.1.10条规定：当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时，配电系统可装设隔离变压器。

从上述规范条文可知：“零地”电压问题可能影响电子信息设备的正常运行；当“零地”电压问题较大时，装设隔离变压器，重新设置中性点接地，是一种可行的解决方法。

> > > >     数据中心“断零”问题总结

TN - S系统采用变压器直接就地接地方式、受总采用四极开关，在电源故障、开关断开时，末端设备存在“断零”风险，N线电位的飘移导致“零地”电压的变化，极有可能影响电子信息设备的正常运行甚至故障。

从案例项目及其它数据中心项目实践可知，单独讨论或者分析数据中心某一个难点问题，依然不能彻底解决全部问题，甚至不同问题的解决方案或规范依据还存在矛盾之处。

变配电系统接地方式、“断零”问题、四极开关选用问题不是割裂开的几个无关问题，这些难点问题交织在一起，互相影响，必须采用综合思考的方法来破解。

> > > >     有关规范的规定

GB 51348 - 2019《民用建筑电气设计标准》第12.4.11条第6款规定：TN接地系统中，变电所内配电变压器低压侧中性点可采用直接接地方式。其条文说明指出，当变电所有两台以上变压器时：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，所有主断路器与母线联结断路器，均应选用4极断路器；当与其他变电所有低压联结时，其他变电所也应采用在各自变压器的中性点处接地，所有主断路器与母线联结断路器，也均应选用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。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侧中性点利用绝缘导线，将各自的变压器中性线（PEN）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）母排上连接在一起后，只能够与保护接地线（PE）一处连接后，通过保护接地线（PE）再接地，所有主断路器与母线联结断路器，均可选用3极断路器，此种接地方式不能够用于与其他变电所有低压联结的变电所。

上述条文中的“变压器0.4 kV侧中性点在各自变压器的中性点接地”场景是为了切断杂散电流的环流路径，要求使用更多的四极断路器。但是对于数据中心项目而言，如果存在“断零”风险，将影响IT设备的正常运行，甚至设备损坏，可能造成巨大的损失。

GB / T 16895.1 - 2008 / IEC 60364 - 1：2005《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》的相关规定：单电源TN系统可在变电所内配电变压器低压侧中性点直接接地；多电源系统TN系统在设计不适当的情况下，一些工作电流就可能通过不期望的路径流通，这些电流可能引起火灾、腐蚀、电磁干扰。

主要设计规则：

a. 不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接接地连接。

b. 变压器的中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与用电设备连接。

c. 电源中性点间相互连接的导体与PE之间，应只一点连接，并应设置在总配电屏内。

d. 对装置的PE可另外增设接地。

该标准规定了多电源设备的TN - S系统采用集中一点接地的措施，该措施可消除N线和PE线之间形成的环路，中性线电流不会通过PE线泄漏至大地，EMC环境友好。此时，低压配电系统的进线开关、母联开关均可采用三极开关。

上述规范比较清晰地论述了单或多变压器系统接地方式的具体做法以及开关极数的选择原则。

数据中心电气系统通常为多电源TN系统，在设计不恰当的情况下，一些工作电流就可能通过不期望的路径流通。

因四极开关应用过多存在“断零”风险，因此对于具有多电源的TN系统，包括IEC标准在内的多个国际和国内标准规范，均建议采用一点接地方式，即不应在变压器中性点直接对地，从而减少四极开关的使用。如果采用变压器中性点直接接地方式，涉及四极开关的合理选择问题，需要格外谨慎，规避或减少“断零”的风险。

> > > >     以数据中心变配电系统常见方案为例的综合思考分析

> >   数据中心变配电系统常见方案一

以2台2N配置互为备用的IT变压器系统为例（如图2所示），设置母联系统，变压器采用中性点直接接地，变压器低压受总开关采用四极开关，母联开关采用四极开关，UPS手动旁路开关及UPS总输出开关均为四极开关。

从图2可以看出，红色线路为正常的N线电流路径，正常工况下没有出现杂散电流流通路径。

另外，因为变压器进线断路器采用四极开关，当一路市电断电或故障，电源进线四极主开关断开、母联开关投入前，出现短时“断零”。当二路市电均断电或故障，两路电源进线四极主开关均断开后，两路电源的N线均被切断，存在“断零”风险。

> >   数据中心变配电系统常见方案二

以2台2N配置互为备用的IT变压器系统为例，设置母联开关及联络母线，变压器采用中性点直接接地，变压器低压受总开关为三极开关，母联开关采用四极开关，UPS手动旁路开关及UPS总输出开关均为四极。

从图3可以看出，正常工况时，红色线路为正常的N线电流路径，没有出现杂散电流流通路径。

另外，因为变压器进线断路器采用三极开关，当一路市电断电或故障，电源进线三极开关断开后，N线仍然处于连接状态，在母联开关投入后，N线继续处于连接状态，无“断零”风险。当二路市电均断电或故障，两路电源进线三极开关均断开后，两路电源的N线均处于连接状态，不存在“断零”风险。

在故障工况下（如图4所示），假设IT变压器A系统停电或故障工况，A路变压器低压受总开关断开，母联开关合闸，A路母线及负载由B路变压器系统供电。故障工况时，红色线路为正常的N线电流路径，蓝色路径是杂散电流分流路径，此工况下形成了杂散电流流通路径。

另外，因为变压器进线断路器采用三极开关，故障工况下，不存在“断零”风险。

> >   数据中心变配电系统常见方案三

以2台2N配置互为备用的IT变压器系统为例，设置母联开关及联络母线，采用变压器中性点不直接就地接地，在低压柜处多电源一点接地方式，变压器低压受总开关为三极开关，母联开关采用三极开关，UPS手动旁路开关及UPS总输出开关均为四极开关。

从图5可以看出，红色线路为正常的N线电流路径，正常工况没有出现杂散电流流通路径。当一侧变压器系统停电或故障情况下，由另一侧变压器系统通过母联给全部负荷供电时，也没有出现杂散电流流通路径。

另外，因为变压器进线断路器、母联开关均采用三极开关，当一路或二路市电断电或故障，电源进线三极主开关断开后，N线不中断，不存在“断零”问题。

> >   数据中心变配电系统常见方案分析比较（如表1所示）

经过综合思考和分析，得到分析结论：采用常见方案三（即多电源系统一点接地）的数据中心，其电气系统无杂散电流路径，无“断零”风险，而且四极开关使用最少，是目前最优的技术路线及解决方案。如果采用常见方案一或常见方案二（变压器中性点直接接地方式），涉及四极开关的合理选用问题，需要格外谨慎，规避或减少“断零”的风险，或者采取其它必要的措施。

数据中心配电系统设计的基本原则是IT设备应在友好的配电系统环境中运行，确保通信设备、服务器、存储设备及其它电子设备安全可靠地工作。

a. 数据中心配电系统架构如果存在不希望的杂散电流流通路径问题，将对数据中心安全运行构成风险，应予以足够重视。

b. 对数据中心多电源TN系统而言，当采用变压器中性点直接接地方式，受总采用四极开关，在故障工况下，末端设备存在“断零”风险，N线电位的飘移导致“零地”电压变化，可能影响电子信息设备的正常运行甚至故障。

c. 因四极开关应用不当存在“断零”风险，因此对于具有多电源的TN系统，近期包括IEC标准在内的多个国际和国内标准规范，均建议采用一点接地方式，即不应在变压器中性点直接接地，从而减少四极开关的使用。如果采用变压器中性点直接接地方式，涉及到四极开关的合理选用问题，需要格外谨慎，规避或减少“断零”的风险，或者采取其它必要措施。

d. 数据中心规划设计不同于传统民用及工业项目设计，因高可靠性的需要，数据中心电气系统架构复杂、形式多样。在面对电气系统难点问题交织的情况时，采用综合思考的方法分析，往往能够找到解决问题的方法。