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摘要：文章针对数据中心2N系统配置的变压器，分析其带载的UPS蓄电池充电过程中，对变压器温升和寿命的影响，解析了数据中心变压器的选型设计问题，对于数据中心的变压器负荷计算选型具有重要的指导作用。
数据中心是为集中放置的电子信息设备提供运行环境的建筑场所，电子信息设备供电保障性的要求高，目前国内的数据中心大多以A级作为建设标准，行业内大多以2N系统配置供配电系统。本文主要针对A级数据中心的2N系统进行探讨，电子信息设备采用UPS系统双总线供电，UPS储能装置采用阀控式密封铅酸蓄电池。市场上的UPS通过微处理器控制技术，综合了多种充电方式的优点，实现对阀控式密封铅酸蓄电池的多模式管理。在正常运行且蓄电池饱满时，蓄电池进入浮充阶段，此时变压器可忽略充电负荷；放电模式时，变压器不负载UPS；而从放电到恢复正常时，UPS先恒流后恒压充电，直至蓄电池满电重回浮充。进行变压器负荷计算选型时，需要预留多大的蓄电池充电阶段所需的充电负荷，是本文研究的重点。本文建立的模型依据国家标准和工程设计要求，并整合实际数据中心的运行数据。该模型详细分析了系统对环境条件、设备参数的依赖性，具体如下：1）使用条件：海拔不超过1000m，变压器室和UPS室年平均环境温度为 28℃，蓄电池室为20℃，所有房间均设有由UPS系统供电的空调。2）变压器：选用干式变压器，绝缘等级为155级（F），容量为2500kVA，电压为10/0.4kV，绕组时间常数90min。3）UPS：采用三进三出高频IGBT整流机组，单台容量500kVA，输出功率因数为1，每套变压器连接6台UPS，最高负载率不超过83.33%，设定蓄电池均充电流为0.2C10。4）蓄电池：选用阀控式密封铅酸蓄电池，备用时间15min，每台UPS配置4组456V/135Ah蓄电池。在供配电系统设计下，变压器可带载约2379kW电子信息设备，不预留蓄电池充电负荷。数据中心双重电源同时停电时，后备柴油发电机启动，2N系统中的一个变压器或上端线路出现故障时，另一套变压器将承担所有负载，包括蓄电池充电负荷。这种情况为变压器最高负载率的最不利工况，是本文的研究重点，变压器急救负载运行时的负荷计算如表1 所示。由表1 可以看出，此时变压器最高负载率达129%，不超过国家标准规定的150%限定值，这只是一个暂态过程。变压器急救负载运行时所产生的影响和危害主要表现在两个方面：一是绕组温升太高而引起机械损伤；二是会加速老化进而影响变压器的使用寿命。针对以上两方面，其一需要具体分析变压器急救负载运行时其绕组的热点温度是否达到其最高限值（对于其绝缘系统耐热等级为155级（F）的干式变压器，其限值为180℃）；其二需要计算变压器急救负载运行时所损耗的寿命，以此来评估设计模型是否合理。蓄电池均充电阶段所用时间约104min，从第105min开始蓄电池进入浮充阶段，此后变压器以负载率为100%长时间运行，即实际上变压器急救负载运行时间为104min。变压器负载率最高点发生在第53min，但变压器绕组温度最高点发生在第87min，此后变压器绕组温度缓慢下降，说明变压器的绕组升温过程较为缓慢，其升温速率低于变压器负载增加的变化速率。整个充电过程中绕组温度最高值为170℃，未超过其限定值180℃。以上表明，蓄电池充电过程对变压器绕组温升会产生一定影响，但此影响不会直接导致变压器产生机械损坏，关键在于如何限制其绕组温升不超过其最高限值。蓄电池均充阶段变压器运行2h，以每分钟为颗粒度计算变压器老化率，并对老化率曲线下部面积进行计算，可得变压器在这2h内运行导致的寿命损失为14.71h。数据中心的双重电源单次同时停电时，变压器2h老化率曲线示意图如图1 所示。实际上双重电源同时停电的概率很低，本文以供电条件为三类市电为模型（即平均每月停电4.5次，平均每次故障时间为8h）计算变压器的整体生命周期，并假设双重电源恢复供电后，2N系统的变压器同时正常运行（即在8h故障时间内所有设备及其线路已完全恢复正常运行状态）。市电恢复后，变压器的寿命损失速率很慢，其运行24h后的寿命损失为 36.50h，意味着占变压器总寿命180000h当中的0.02%。按三类市电供电条件统计的变压器每年寿命损失为1971.15h，意味着占变压器总寿命180000h当中的1.22%。变压器每年的寿命损失计算表如表2 所示。综合分析显示，在三类市电条件下，变压器在2N系统下的理论寿命可达91.32h，主要由于变压器长时间以不超过50%的负载率运行，寿命损失较小。即便双重电源同时停电，理论寿命仍可达13.51h。尽管日常维护和短路等因素也会影响寿命，但蓄电池充电对变压器寿命的影响整体上是可控的且在可接受范围内。本文建立A级数据中心典型配置方案的分析模型，专注于蓄电池充电对变压器绕组温升和寿命损失的影响。研究表明，在采用2N系统配置的数据中心，变压器负荷计算时无须额外考虑蓄电池充电负荷。此方法适用于各类供配电系统。选型变压器时，需注意以下4点：2）招标干式变压器时要求绕组时间常数不小于90min；3）优选大容量UPS和蓄电池以减少并联组数，降低充电负荷；4）面对不稳定供电，应采取措施如调整室温和降低蓄电池充电电流，确保变压器绕组温度和寿命损失控制在安全范围内。![]()
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