適讀人群 ：《雲機房供配電繫統規劃 設計與運維》本書適合從事機房供電繫統規劃、設計、選型及運維的技術人員學 習、閱讀。

UPS領域資深專家王其英老師又一力作。

原理、電路講解真正通俗易懂；

規劃、設計與運維繫統有機結合。

《雲機房供配電繫統規劃設計與運維》本書在講解UPS基本知識、基本原理、基本電路的基礎上重點對機房供電繫統的認識誤區進行了逐一討論並給出了對於規劃、設計和選型的正確認識和理解。書中明確了高頻機和模塊化UPS供電繫統是今後數據中心電源的主流設備它不但符合我國的國策而且也克服了工頻機UPS無法解決的所有缺陷。在此基礎之上在本書的最後對機房供電繫統的運維、故障分析和處理進行了繫統的闡述並列舉了相當數量的實例加以說明。

本書通過編者通俗易懂、深入淺出的分析使讀者不但知道怎麼做還能知道這麼做的原因。本書適合從事機房供電繫統規劃、設計、選型及運維的技術人員學習、閱讀。

第一章概述1

第一節UPS市場狀況和一般分類1

一、UPS的市場狀況1

二、UPS的一般分類3

第二節UPS產品的發展5

一、UPS的發展趨勢5

二、UPS的電路構成8

三、傳統雙變換UPS存在的問題和新電路的問世10

四、UPS的模塊化結構22

第三節UPS解決方案的發展概況27

一、UPS發展趨勢27

二、從IT繫統面臨的幾個問題看對供電的要求30

三、數據中心功能範圍的一般劃分32

四、機房制冷繫統概述36

第四節EPS和專用UPS的出現44

一、EPS44

二、專用UPS45

三、磁懸浮飛輪儲能及制能繫統49

第五節數據中心供電設備的類型及特點54

一、數據中心供電繫統的演變54

二、當代數據中心UPS的供電類型及工作原理56

三、國際上市電交流電的類型59

第六節UPS新技術62

一、ECO工作模式的新結構62

二、多級UPS並機控制技術63

三、滿載和過載情況下的驗機技術67

四、空間矢量控制技術72

第二章UPS繫統基礎知識74

第一節交流電基本知識74

一、概述74

二、基本概念術語75

三、無功功率的作用80

四、IT設備的負載性質82

第二節UPS技術指標86

一、輸入電壓範圍86

二、UPS輸入電壓的頻率範圍95

三、輸入功率因數97

第三節UPS整流器和充電器的基本電路98

一、單相整流器的基本電路形式98

二、三相整流器的基本電路形式100

三、高頻開關整流器105

四、IGBT整流器與二極管、晶閘管整流器的區別108

第四節UPS的輔助電源110

一、正激變換器110

二、反激變換器111

三、逆變器112

第五節N+X冗餘並聯式模塊化UPS的發展與應用128

一、當代供電繫統的需要128

二、可靠性與可用性129

第六節Delta變換式UPS產品技術138

第七節高頻大功率UPS逆變電路的重大突破139

一、雙電源輸入帶來的問題139

二、單電源技術的推出140

第八節“高壓直流”UPS的應用及其前景141

一、直流UPS的概況141

二、直流UPS使用中的“未知數”144

三、直流UPS和IT設備使用不當145

第三章數據中心機房供電繫統規劃誤區和障礙147

第一節工頻機和高頻機147

一、概述147

二、高頻機型結構UPS的優越性能147

三、工頻機型UPS輸出變壓器隻有變壓和產生隔離接地點功能153

第二節對Delta變換技術的誤解162

一、認為Delta變換技術是在線互動式162

二、認為Delta變換UPS輸出的80%功率是市電直接提供的164

三、Delta變換式UPS的輸出電壓不穩頻170

四、關於Delta變換式UPS對電池動態的影響172

五、DeltaUPS輸入端斷電和短路時的情況176

六、逆變器電池組供電電源可靠性的計算178

七、Delta變換式UPS的輸出電壓和輸入電壓相等時就相當於

一根短路電纜181

第三節對零地電壓的誤解182

一、有關機房驗收標準的規定和負面效應182

二、對直流零地電壓的實驗182

三、零地脈衝電壓的實驗183

四、兩種實驗的結果分析185

五、零地電壓的構成185

六、對零地電壓認識的又一誤區186

第四節對功率因數的誤解187

一、UPS與後備發電機的配比問題187

二、認為UPS有兩個功率因數187

三、當負載功率因數小於1時的UPS輸出能力剖析188

第五節認為UPS的輸出變壓器能抗干擾191

一、對變壓器功能的無限誇張191

二、變壓器不合理安裝帶來的危害191

第六節UPS輸出電壓穩頻和無功功率無用192

一、認為UPS的輸出電壓在正常情況下是穩頻的192

二、認為UPS輸出的無功功率無用193

第七節對以往負載性質的誤解195

一、認為以往的計算機是容性負載195

二、認為UPS是帶容性負載的,不能帶感性負載195

三、認為容性負載是非線性的196

第四章數據中心供電繫統節能減排設計198

第一節節能設計的第一步———選擇節能的供電設備199

第二節在線互動電路的特點及與其他電路結構的區別202

一、三端口與在線互動的區別202

二、多抽頭調節在線互動式UPS205

第三節節能減排設計的第二步———規劃節能的連接方式207

一、不合理的連接和解決辦法207

二、不節能的配置和解決方案208

三、不可靠的配置和解決方案210

四、在滿足要求的前提下簡化繫統211

第四節節能減排設計的第三步———采取節能的運行策略212

一、休眠式工作模式212

二、旁路式工作模式213

第五節節能減排設計的第四步———引入節能的驗機技術214

一、為什麼要驗機,為什麼要帶載驗機214

二、帶載驗機的困難215

三、EasyLoad無假負載驗機技術216

四、EasyLoad負載驗機方案對電網有無影響219

第五章UPS配套設施的規劃設計220

第一節現代發電機組的基本特點220

一、繫列化發電機的功率範圍220

二、發電機工作原理220

第二節現代柴油發電機組的等級劃分221

一、發電機的性能等級221

二、自動化發電機組等級221

三、發電機的功率定額223

四、目前主要發電機組國標和部標223

五、一般柴油發電機的主要技術指標224

六、UPS與柴油發電機組配套使用時的注意事項225

七、正確選擇發電機組226

八、一般柴油發電機的標準配置232

九、並聯柴油發電機組的節能運行234

第三節後備蓄電池234

一、概述234

二、常用鉛酸電池的性能與基本參數237

三、正常工作中電池自燃的問題247

四、電池容量的計算與選擇248

五、UPS逆變器的關機電壓是怎樣規定的252

六、電池電壓和容量的測量254

七、關於市場上電池容量計算公式的討論256

第四節電池家族的新成員259

一、燃料電池259

二、螺旋卷繞式鉛酸蓄電池260

三、鋰離子電池261

四、鈉硫電池263

五、液流電池263

六、石墨烯電池263

七、飛輪儲能式電池264

第五節配電櫃、斷路器與防雷器264

一、交流配電櫃264

二、防雷器的特性及選擇265

三、斷路器的特性及選擇269

四、低壓斷路器的電流參數282

五、總線斷路器的選擇284

第六節IT機房設備的配電方式285

一、具有漏電保護功能斷路器的迷惑285

二、UPS前面加帶漏電保護斷路器的弊病286

三、外接隔離變壓器的後果286

四、安裝帶漏電保護斷路器的相關國家規定287

第七節靜態開關(STS)的原理及應用288

一、基本介紹288

二、數字型靜態開關(DSTS)的功能292

三、靜態轉換開關的參數設置294

四、STS的分類295

五、STS的電路結構299

六、STS的工作原理303

七、STS的實際應用308

八、STS的節能應用311

第八節ATS的應用316

一、ATS的一般介紹316

二、ATS轉換開關的工作原理316

三、CB級和PC級ATSE性能比較317

四、PC級ATS的相關參數選擇317

五、ATS動作時間選擇319

第九節數據中心天然氣三聯供319

一、燃氣三聯供的原理及分類320

二、燃氣冷熱電三聯供的優勢320

第十節吸收式溴化鋰制冷機323

一、機械制冷機323

二、吸收式溴化鋰制冷機323

第六章UPS的可靠性設計326

第一節概述326

一、可靠性的概念與定義326

二、繫統可靠性設計舉例330

第二節影響UPS可靠性與壽命的因素與解決方法335

一、外部環境因素對機器的影響335

二、內部因素對電子設備的影響337

第三節電能消耗對繫統可靠性的影響339

一、效率與可靠性的關繫339

二、降低制冷繫統功耗的途徑340

三、數據中心依靠冷媒的自然冷卻繫統343

四、無冷媒的自然風冷卻繫統347

五、IT設備節能運行的前景349

第七章數據中心的照明350

第一節照明必須節能減排350

一、數據中心與照明的關繫350

二、氣體放電燈的主要品種352

第二節數據中心照明帶來的問題354

一、照明燈具的選擇354

二、照明燈具的能量損失355

第三節照明節能原理及電路構成356

一、節能原理356

二、電路構成357

第四節無級調壓智能電路的構成360

一、無間斷轉換電路360

二、不間斷電壓調整原理361

三、NPLS照明電源的實施電路363

四、照明節能電源的輔助功能365

第五節照明節能的經濟效益和社會效益366

一、經濟效益和社會效益366

二、照明節能電源與應急電源UPS的配合367

第六節數據中心的LED照明367

一、LED照明的優點367

二、照明的術語368

三、LED結構以及發光原理369

四、數據中心的LED應用370

五、現有的燈具替換成LED燈的缺點和優勢370

第七節數據中心照明解決方案372

一、數據中心照明設計方案372

二、某銀聯商務數據中心照明解決方案374

第八章數據中心機房的運維管理375

第一節運維在數據中心的地位375

一、運維工程師與幼兒園教師375

二、數據中心運維人員的工作原則376

三、運維管理的一般內容378

第二節運維人員應具備的素質381

一、深厚的理論基礎381

二、豐富的實踐經驗383

三、極強的責任心383

四、敏銳的前瞻意識383

第三節供電繫統的運維384

一、數據中心機房供電繫統的構成384

二、變配電室的運維要求385

三、發電機的維護388

第四節中心機房UPS供電繫統的日常維護390

一、UPS供電繫統的日常巡檢和保養390

二、制冷繫統的日常維護393

三、機房空調常見故障及排除方法397

第五節機房運維用儀器儀表401

一、有效值數字萬用表401

二、電能質量分析儀402

三、電池內阻測試儀406

四、粒子計數器409

五、紅外熱成像儀412

六、制冷劑洩漏檢測儀412

第九章機房故障類型與處理措施415

第一節故障的類型及原因415

一、人為故障的幾種表現415

二、機器質量故障419

第二節故障分析與處理實例421

一、常見故障分析與處理421

二、“經驗”導致的故障433

三、生產工藝監督不嚴導致的故障436

四、安裝和維護上的缺欠導致的故障440

五、配置和安裝不合理導致的故障441

六、不切合實際地追求高指標而導致的故障445

七、規章制度不嚴導致的故障447

八、市電電壓浪湧導致的故障448

九、UPS對IT設備的干擾450

十、輸入功率因數過低導致故障454

第三節配電繫統故障及處理455

一、UPS輸出端斷路器群跳閘455

二、斷路器越級跳閘457

三、雷擊故障458

在雲計算和大數據時代,IT技術得到了迅猛的發展,作為站在前沿陣地的供電繫統也要與時俱進。但在這些基礎設施的規劃與設計中有不少地方總是不如人意,紕漏百出,造成的損失不在少數。究其原因還是一個基本概念不清的問題。大概歸納了一下,對供電繫統的認識有以下十大誤區。
(1)認為UPS有兩個功率因數———一個輸入功率因數和一個“輸出功率因數”。
(2)當“輸出功率因數”<1時認為UPS輸出能力還是永恆的。即不論是任何性質的負載,“輸出功率因數”=0.8時,100kVA 容量的UPS在任何性質的負載下都能為負載提供80kW 的有功功率。
(3)認為UPS的輸入功率因數為1時就可以配1∶1的前置後備發電機。
(4)認為UPS的輸出變壓器能抗干擾,有隔離干擾作用。所以在幾十年沒有使用變壓器的列頭櫃中現在竟裝入了變壓器,甚至還放入了第三級防雷器。
(5)認為UPS的輸出電壓在正常供電情況下是穩頻的,以致用戶和供銷商之間爭論不休,甚至用戶提出要輸出電壓穩頻的UPS產品。
(6)認為UPS輸出的無功功率無用,使得不少地方UPS裝機後過載現像頻出,甚至無法正常運行,不得不重新購買。
(7)認為UPS是帶容性負載的,帶感性負載是它的特點。這一顛倒黑白的認識誤導不少人,直到現在好多人還蒙在鼓裡而不敢帶空調機之類的感性負載。
(8)認為以往的計算機是容性負載,認為容性負載是非線性的。這種認識導致了配置負載時的錯誤,造成損失,更有甚者,有的“標準”也有這樣的認識。
(9)認為諧波失真可以代表功率因數,以至於在有的專門“標準”中將這一重要指標刪掉,造成用戶選型時的困難。
(10)認為UPS輸出端的零地電壓干擾負載。這又是誤導了一大批人的錯誤概念,在供電繫統規劃、設計和運行中造成了不少損失。甚至有的“標準”制定者還將其作為一個重要指標。
現在又有了新的說法:說什麼零地電壓小於1V 的指標是為了鋻別接地好不好而制定的。這又是一個誤區,因為根據我國的供電制度,零線和地線在變電站就同時同一點接地,在這一點零地電壓當然小於1V,難道在幾十米甚至百米之外的機房零地電壓大於1V就是接地不好嗎? 關鍵是有些人不明白零地電壓是什麼,這可能是由於不懂電路所致,對這個問題本書做了重點討論,實際上就是一層窗戶紙,將其捅破就迎刃而解了。
本書對以上這些誤區將逐一進行討論,並給出正確的認識和理解,同時以實例進行詳細討論。當然還有一個更大的誤區正在逐漸糾正中,這就是高頻機UPS和工頻機UPS供電繫統的選用上。由於習慣和惰性的關繫,不少用戶還在這兩種供電繫統中猶豫不決,這一方面來自工頻機UPS生產廠家的宣傳,另一方面也來自某些用戶的“經驗”和輕信。實際上高頻機和模塊化UPS供電繫統無疑是今後數據中心電源的主流設備,它不但符合我國的國策,而且也是克服了工頻機UPS所無法解決的一切缺陷。現在工頻機UPS唯一的一個宣傳陣地就是拿變壓器來說事了。實際上拿變壓器作為擋箭牌是軟弱無力的,原因是它沒有廠家所說的那些不著邊際的功能,這在本書中已有詳細討論。
作為供電繫統負載的制冷繫統和照明繫統本書也有涉獵。從制冷繫統的基本概念到繫統結構、風路類型,從風冷到水冷,從自然冷卻到冷熱電三聯供,本書都有實例和說明。
在供電繫統運行中,運維纔是長期的。但在規劃、設計和選型中如果概念不清就會給後來的運維工作帶來很多麻煩。根據有關方面的統計,當機器出廠後有70%以上的故障是人為地,本書對人為故障的類型進行了說明。
為了使運維人員對故障分析有一個清楚的了解和分析,在本書中盡可能詳盡地將過程說得詳細一些,以便開闊讀者的思路。
在編撰過程中盡管本書編委會以李民英、肖斌和陳鋒等為首的專家們集思廣益付出了巨大努力,盡量做到圖文並茂、深入淺出,但也隻能是拋磚引玉。由於水平有限,書中謬誤之處仍在所難免,萬望讀者不吝施教,給予批評指正。
與時俱進。但在這些基礎設施的規劃與設計中有不少地方總是不如人意,紕漏百出,造成的損失不在少數。究其原因還是一個基本概念不清的問題。大概歸納了一下,對供電繫統的認識有以下十大誤區。
(1)認為UPS有兩個功率因數———一個輸入功率因數和一個“輸出功率因數”。
(2)當“輸出功率因數”<1時認為UPS輸出能力還是永恆的。即不論是任何性質的負載,“輸出功率因數”=0.8時,100kVA 容量的UPS在任何性質的負載下都能為負載提供80kW 的有功功率。
(3)認為UPS的輸入功率因數為1時就可以配1∶1的前置後備發電機。
(4)認為UPS的輸出變壓器能抗干擾,有隔離干擾作用。所以在幾十年沒有使用變壓器的列頭櫃中現在竟裝入了變壓器,甚至還放入了第三級防雷器。
(5)認為UPS的輸出電壓在正常供電情況下是穩頻的,以致用戶和供銷商之間爭論不休,甚至用戶提出要輸出電壓穩頻的UPS產品。
(6)認為UPS輸出的無功功率無用,使得不少地方UPS裝機後過載現像頻出,甚至無法正常運行,不得不重新購買。
(7)認為UPS是帶容性負載的,帶感性負載是它的特點。這一顛倒黑白的認識誤導不少人,直到現在好多人還蒙在鼓裡而不敢帶空調機之類的感性負載。
(8)認為以往的計算機是容性負載,認為容性負載是非線性的。這種認識導致了配置負載時的錯誤,造成損失,更有甚者,有的“標準”也有這樣的認識。
(9)認為諧波失真可以代表功率因數,以至於在有的專門“標準”中將這一重要指標刪掉,造成用戶選型時的困難。
(10)認為UPS輸出端的零地電壓干擾負載。這又是誤導了一大批人的錯誤概念,在供電繫統規劃、設計和運行中造成了不少損失。甚至有的“標準”制定者還將其作為一個重要指標。
現在又有了新的說法:說什麼零地電壓小於1V 的指標是為了鋻別接地好不好而制定的。這又是一個誤區,因為根據我國的供電制度,零線和地線在變電站就同時同一點接地,在這一點零地電壓當然小於1V,難道在幾十米甚至百米之外的機房零地電壓大於1V就是接地不好嗎? 關鍵是有些人不明白零地電壓是什麼,這可能是由於不懂電路所致,對這個問題本書做了重點討論,實際上就是一層窗戶紙,將其捅破就迎刃而解了。
本書對以上這些誤區將逐一進行討論,並給出正確的認識和理解,同時以實例進行詳細討論。當然還有一個更大的誤區正在逐漸糾正中,這就是高頻機UPS和工頻機UPS供電繫統的選用上。由於習慣和惰性的關繫,不少用戶還在這兩種供電繫統中猶豫不決,這一方面來自工頻機UPS生產廠家的宣傳,另一方面也來自某些用戶的“經驗”和輕信。實際上高頻機和模塊化UPS供電繫統無疑是今後數據中心電源的主流設備,它不但符合我國的國策,而且也是克服了工頻機UPS所無法解決的一切缺陷。現在工頻機UPS唯一的一個宣傳陣地就是拿變壓器來說事了。實際上拿變壓器作為擋箭牌是軟弱無力的,原因是它沒有廠家所說的那些不著邊際的功能,這在本書中已有詳細討論。
作為供電繫統負載的制冷繫統和照明繫統本書也有涉獵。從制冷繫統的基本概念到繫統結構、風路類型,從風冷到水冷,從自然冷卻到冷熱電三聯供,本書都有實例和說明。
在供電繫統運行中,運維纔是長期的。但在規劃、設計和選型中如果概念不清就會給後來的運維工作帶來很多麻煩。根據有關方面的統計,當機器出廠後有70%以上的故障是人為地,本書對人為故障的類型進行了說明。
為了使運維人員對故障分析有一個清楚的了解和分析,在本書中盡可能詳盡地將過程說得詳細一些,以便開闊讀者的思路。
在編撰過程中盡管本書編委會以李民英、肖斌和陳鋒等為首的專家們集思廣益付出了巨大努力,盡量做到圖文並茂、深入淺出,但也隻能是拋磚引玉。由於水平有限,書中謬誤之處仍在所難免,萬望讀者不吝施教,給予批評指正。