数据中心基础设施的管理涉及到电气、暖通等多个专业的配合。《数据中心基础设施工程师必知必会》系列文章从各专业的基础知识出发,旨在帮助从事数据中心基础设施方面的工程师对各专业的基础知识与基本概念有一个清晰的了解与认识,希望对于想快速全面了解数据中心各专业领域的人士有所帮助。

本篇文章是本系列的第一篇文章,通过这篇文章您将会了解到以下概念:

准确描述kVA与kW之间的差异,以及单相电路和三相电路之间的差异,同时可以描述出这些电路和其他元件是如何协同工作以提供电力给机架的。 如何计算PUE值并描述它如何应用于基础设施的管理。 文章还介绍了一部分术语来描述客户在陈述他们的技术需求时的意思。

1.    kVA和kW

a)    概念和区别

kVA和kW都是数据中心行业中主要的功率计量单位。它们有时可以互换使用,尽管两者之间有细微的差别,必须加以考虑。第一项,kVA,具体指千伏安,被称为“视在功率”。第二种,kW,具体是指千瓦,被称为“有功功率”。第三个术语kVAR也用于描述这些术语,它指的是kVA和kW之间的差异;它被称为“无功功率”。

注意,在直流(DC)电路中,kVA等于kW,因为在传输过程中电流和电压不会脱离相位。然而,“有功功率-kW”和“视在功率-kVA”在交流(AC)电路中有所不同——这是目前大多数数据中心采用的是交流方案的特点。

功率因数超前或滞后,取决于负载改变电流相位与电压相位的方式。在交流电路中,电压和电流相位不同,导致基于功率因数的kW和kVA的差异。

b)    数学关系

kVA、kW与功率因数cosΦ的数学关系为

kW = kVA * 功率因数cosΦ

kVA = kW/功率因数cosΦ

功率因数cosΦ= kW/kVA

c)     区别描述

我们可以用一个非常形象的例子来描述kVA和kW之间的区别:

kW、kVAR、kVA的关系

图1:kW、kVAR、kVA的关系

2.    220伏和380伏三相电源

a)    使用情况

要理解电力是如何配送到数据中心的,首先需要理解单相电源和三相电源之间的区别。我国相电压是220V,线电压是380V。在三相交流电中A相、B相、C相,各相线之间的电压成为线电压,线电压为380V,也称为工业用电电压。另外在三相交流电中A\B\C相中的任一相与N线(中性线)或零线见的电压,成为相电压,相电压为220V。大多数居民用电(家庭用电)都是单相供电。

大多数商业企业都采用三相电源,由三个交流电压组成,电压之间的相位差为120度,即三分之一周期。这些系统通过三根热线提供电力,其中任何两根热线的电压为380伏。

b)    相位分析

图2:三相波形图

图2:三相波形图

另一种看待三相电源的方法是将三个单相电路组合在一起,这样在任何时刻的负载都是相同的,如上面的波形图所示。

c)     三相电源优势

由于负载是恒定的,三相电源是大型电机和重负荷(如服务器)的理想电源,因为它不需要启动电容器。三相配电也是理想的,因为220伏,380伏,和三相电路都可以从同一四线制中取出。此外,三相允许更少的电线(意味着更少的铜和更低的电压)来传输和单相相同的电力。这使它成为一个更便宜和安全的数据中心的选择。

d)     三相电源数据中心的优势:

企业为数据中心选择的电力系统可以带来更高的效率和更好的经济效益。单相电源适用于住宅用户。不过,数据中心需要考虑三相电源带来的好处。这些好处包括:

l  可以根据需要通过三相电源进行分配电源,可以运行电压为220 V和380V的设备,并匹配PDU运行。

l  三相电源可以为采用220V的设备提供电源,并通过更换的PDU即可升级到380 V,用户可以快速实施,没有明显的停机时间。

l  当用户将三相电源直接传输到服务器机柜时,其电缆成本会显著下降。

l  减少电工安装交流电缆所需的工作量和安装时间。

如果企业的未来的数据中心正在寻求采用三相电源,也需要对PDU如何适应所需要的解决方案进行一下了解。

e)    相关计算

220伏=单相负载+地线

380伏=两相负载+地线

三相380伏=三相负载+地线

那些积极计算三相电路负载的人知道,这个方程需要1.73的乘数。例如,一个30安培380伏三相电路的输出负载计算为:30x 380 x 1.73 = 19722瓦。但是这个1.73的乘数是怎么来的呢?答案是,这是由于两相之间的电压等于1.732倍的相电压等于中性电压。它的值可以通过所谓的“向量分析”得到,即2cos30 =1.732。然而,这个简单的等式对你来说应该很容易理解:

220伏(单相)x 1.73 = 380伏(两相)

3.    单三相工业连接器类型

a)    针脚类型:

工业连接器的插针/针脚形式有三种。每个针脚都有明确的标识极性。

2P+E:L,N,PE

3P+E:L1,L2,L3,PE

4P+E:L1,L2,L3,N,PE

图3:插头针脚图

图3:插头针脚图

b)    颜色区分:

由于工业连接器应用的场合众多,使用情况也千差万别,为了便于选型和统一标准,国际电工委员会(IEC)出具相应的标准和规范。

i.         蓝色插头

蓝色插头通常对应200-250V电压等级,在我国通常对应为单相电源连接器。

SCAME蓝色常用插头示例

图4:SCAME蓝色常用插头示例

ii.         红色插头

红色插头通常对应380-415V电压等级,在我国通常对应为三相电源连接器。

SCAME红色常用插头示例

图5:SCAME红色常用插头示例

c)     单相/三相工业连接器在数据中心末端配电领域的应用实例

司坎-突破电源末端链接实例

图6:司坎-突破电源末端连接实例

 

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