数据中心UPS电池直流电缆的选择

引言

在项目工程供配电系统中,电缆的选择非常重要,其关系到项目运行的可靠性和经济性。电缆需要根据负荷特点和性质进行选择,在实际项目中大部分负荷都是持续运行的,该类负荷电缆按照持续载流量选择,但有一些负荷在大部分时间内都处于停运或低载状态,即使需要运行或处于满载状态,运行时间也很短,此类负荷电缆如仍旧按照持续载流量选择,会造成极大浪费。

随着5G、大数据和物联网时代的到来,数据中心建设数量逐年增加、规模逐年扩大,数据中心的UPS是保证IT负荷持续运行的重要设备,UPS在数据中心的使用量也逐年增加,其中UPS电池电缆的使用量也不容小觑,特别是大型数据中心及电池距离UPS较远的数据中心,电池电缆使用量相当可观。国内外主要的UPS厂家,其产品使用手册上均有电池电缆的选择参考,但由于其只考虑自家设备特性或通用使用情况,电缆截面差异很大,大部分UPS厂家推荐的截面都采用持续载流量作为参考依据。根据国内外数据中心行业规范及行业应用要求,规模数据中心UPS电池应急供电时间下限主要为7min、15min或30min,其中15min的应急时间下限最为常见。由于正常情况下UPS电池直流电缆电流极小,所以电池应急供电可按短时负荷考虑,如果UPS电池直流电缆按照持续载流量进行选择,将造成资源和资金浪费。当负载为短时负载时,电缆在短时负载的载流量应不小于负载短时工作电流或额定负载持续率下的额定电流。

1理论分析

1.1电缆的暂态发热简化方程

空气中敷设的电缆暂态温升可近似采用架空线的暂态发热方程表示。如果电缆导体的初始温度不等于周围媒质温度,则发热方程可表示为:

式中,θ为电缆温度:θa为周围空气温度:θm为电缆长期运行允许的最高温度:θ0为电缆初始温度:l为加载时间:r为发热时间常数。

如果电缆的导体初始温度等于周围媒质温度,则发热方程可表示为:

1.2电缆短时运行载流量计算

对于电池直流电缆,介质损耗可忽略不计。若初始电缆温度大于周围媒质温度,相当于通过电流Io,不考虑导体电阻随温度变化,电缆温升与负载的电流平方呈正比,利用式(1）可得各电流关系式:

式中,IN为电缆长期允许负载的电流:IP为电流短时负载电流:Io为电缆初始负载电流。

电缆时间l内允许通过的最大电流:

式中

x为电缆预加系数。

若电缆初始温度等于周围媒质温度,利用式(4）可得:

1.3电缆发热时间常数计算

对于敷设在空气中的电缆,因为绝缘层和护套层的温度与导体温度不一致,所以应考虑部分绝缘层和护套层的热容。电缆等效热容KT为电缆总热容,电缆等效热阻7T为电缆各部分热阻与电缆周围媒质热阻之和,这两个参数表示如下:

式中,KC为电缆导体热容:KI为电缆绝缘层热容:KS为电缆护套层热容:71为绝缘层热阻:73为护套层热阻:74为电缆与周围媒质热阻。

电缆发热时间常数可表示为:

2实例应用

某数据中心设置一台380V、600kVA的UPS,逆变效率取0.95,UPS输出功率因数取0.9,电池后备时间15min,选用3组12V铅酸电池,每组40节电池,放电单元截止电压为1.75V,现需要选择电池直流箱至UPS的直流电缆。

UPS电池放电为15min,电池按照0.1C充电,充电时间一般不少于10h,放电后电池充电电流很小,正常浮充电流更小,忽略充电电流,数据中心内电池间和UPS配电室均设有空调系统,环境温度不超过30℃,所以θ0和θa按30℃考虑,采用交联聚乙烯绝缘电缆,θm按90℃考虑,电缆采用金属梯式桥架敷设。

计算得电池放电最大电流为1353A,按照持续载流量选择电缆时,每极选用3根150mm2的单芯电缆并联,每根电缆负载载流量451A,如按照15min短时运行载流量选择,每极选用两根120mm2的单芯电缆并联即可。交联聚乙烯绝缘120mm2的单芯电缆发热时间常数T取35min,1N=437A,代入公式(5）中得1P=740.7A,两根120mm2的单芯电缆并联可满足UPS直流电缆选择要求。根据上面计算结果可以计算出电缆截面减少约47%,因此针对短时负荷按照短时运行载流量选择电缆可以减小电缆使用截面。

在上述实例应用中还需注意以下几点:以上计算暂未考虑电压降的影响,电压降还需根据工程实际电缆长度校验:由于实际工程中UPS电池后备时间会超过规范或者业主要求的时间,所以需在电池方案选定后,按电池实际后备时间选取或校验电缆。

3结语

如果分别计算多个电缆截面在7min、15min、30min及更长应急时间的短时载流量,对比其数据,在UPS电池直流电缆的选择中,UPS电池后备时间在30min以内且电池应急放电电流较大时,与按照持续载流量选择电缆的方法比较,其更能突出节约电缆的优势,可在保证设备运行可靠的前提下节约电缆和施工成本,提高投资经济效益,避免资源浪费。