数据中心电力电缆选择与设计数据应用方案

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1、数据中心电力电缆选择与设计数据应用方案 中心电力电缆的选择与设计是数据中心供配电系统建设的 重要组成部分，不仅是因为数据中心电力电缆是数据中心供 配电系统各设备的连接路由，更重要的是电力电缆和数据中 心的安全防火密切相关。1.1数据中心防火电缆综述1电缆的性能特征：目前，电缆行业习惯将低烟、无卤、阻 燃、耐火等具有一定防火性能的电缆统称为防火电缆。低烟(Low Smoke)，顾名思义就是较低的烟雾散发度，线缆 在燃烧时散发较低烟雾，确保员工有足够光线找到逃生出 口。国际电工委员会I EC颁布的标准IEC 61034是针对烟密 度(Smoke Generation)的规范。测试实验由一个3立方米

2、 的透明立方体和一个带光源的光度测量系统组成，酒精作为 燃烧源。一个鼓风机确保线缆燃烧产生的烟雾均匀分布在立 方体内，酒精燃烧时，记录仪记下光减弱量。烟密度是以透 光率量度，如果能达到60%透光率(Light Transmittance)， 该电缆材料就达到低烟标准，透光率越高，线缆外皮燃烧时 所释放的烟雾越少。无卤(Halogen Free),就是不含卤素，线缆在燃烧时不会 散发酸性气体，确保人员安全和有源设备不受腐蚀。国际标 准IEC60754是针对燃烧气体腐蚀性(Acidity)的规范，此 测试是量度在燃烧时线缆外皮物料所产生的卤酸气体酸度。 它通过水溶液的PH值和导电率来测定。测试实验

3、规定，燃 烧炉预热到800C，把一根内置样品的石英管推入炉内，同 时开始记时。在样品燃烧的前5分钟，每隔1分钟测一次PH 值和电传导性能，接下来的25分钟每隔5分钟测一次。一 般无卤电缆材料的PH值会大于4.3，导电率小于10us； PH 值越少，即表示物料的卤酸气体酸度越高。阻燃(Flame Propagation)，低烟无卤线缆达到低烟雾无卤 素的要求的同时也必须达到较好的阻燃等级，为了评定线缆 的阻燃(Flame Propagation)的性能优劣，IEC分别制定了 60332-1、60332-2 和 60332-3 三个国际标准。IEC60332-1 和IEC60332-2分别用来评定

4、单根线缆按倾斜和垂直布放时 的阻燃能力。IEC60332-3用来评定成束线缆垂直燃烧时的阻 燃能力，相比之下成束线缆垂直燃烧时在阻燃能力的要求上 要高得多。IEC60332-3测试规定，成束3.5米长的电缆样 品固定在梯形测试架上，试样数量按不同分类所要求的非金 属物料决定。试样垂直挂在燃烧炉上，空气通过底板上的进 气口引入燃烧炉。燃烧器以750C的火焰与样品接触，样品 在强制吹风(气流排放5立方米/分钟，风速0.9米/秒)的 情况下，必须在垂直燃烧20分钟内燃烧不起来，电缆在火 焰蔓延2.5米以内自行熄灭。IEC60332-3有A类、B类、C 类和D类之分，进一步评定阻燃性能优劣。IEC60

5、332-3A阻 燃性能最好，在垂直燃烧40分钟内燃烧不起来。耐火(Fire Resistance)：在规定的火源和时间下燃烧时能 持续地在指定状态下运行的能力，即保持线路完整性的能 力。因此，数据中心用户在选择低烟无卤线缆的时候一定要遵循 国际电工委员会IEC颁布的标准：IEC 61034、IEC60754和 IEC60332-3，要求线缆厂商提供符合以上标准的低烟无卤线 缆，帮助用户实现理想防火阻燃级别的数据中心。2.关于阻燃和耐火标准的理解：（1）阻燃的要求，为两个层面：第一层：阻燃电缆首先要满足的是单根阻燃性能要求:注：电缆在火焰条件下的燃烧试验第3部分：成束电线或 电缆的燃烧试验方法G

6、B/T 18380.3-2001根据GB/T18380.3-2001,如果单根电缆仅满足了第一层阻燃 的基本要求，其在成束的安装场合下未必有同样的表现，因 为火焰沿着成束电缆的蔓延燃烧还受到多种因素的影响：如 电缆的几何形状及其周围的媒质；从电缆释放出各种气体的 引燃温度、安装电缆的空间体积、电缆的结构等。因此阻燃 电缆分A、B、C、D类主要是用来评价成束电缆在规定条件 下抑制火焰蔓延的能力，其与电缆的用途即电缆、通信等无 关。从标准我们也能看出，阻燃ZA的等级最高，因为排列 的根束最多，非金属材料也最多，对于普通机房的安装条件 下是很少能达到这个条件的，但对于数据中心机房，电缆在 桥架上层层

7、叠放，同一桥架上安装的电缆根数极多，因此要 求阻燃电缆的选型要满足阻燃A型，这是阻燃的最高等级要 求，因此在信息产业部的通信行业标准通信电源用阻燃耐 火软电缆TD/T1173-2001之5.9.3有如下规定：阻燃型电 缆应经受GB/T18301.3中A类的成束燃烧试验。表明通信 机房内的电缆选型在一般情况下应选择阻燃ZA型号的电缆。 同时，选择阻燃电缆虽能延缓火焰蔓延，但并不足以保证该 电线电缆能在所有敷设条件下阻止火焰的蔓延，因此，在一 些蔓延危险性高的场合，如成束大长度垂直敷设是，还应采 用特殊的装置来预防，例如在线井馈孔安装阻火包或采用防 火泥等材料进行楼层间的圭寸堵，防止电缆燃烧时火焰

8、顺着垂 直走线架蔓延。(2) 耐火电缆性能指标阻燃电缆和耐火电缆遵循的是完全不同的指标体系，两者之 间不能够简单的类比，因为电缆阻燃的标准关注点为电缆在 燃烧条件下抑制火焰蔓延的能力，而电缆耐火的标准强调的 是电缆在火焰条件下燃烧而要求保持线路完整性的试验步 骤和性能要求，包括推荐的供火时间，该标准强调的是电缆 在火焰条件下保持负载正常工作。通俗地讲就是，万一失火, 电缆不会一下就燃烧，回路比较安全。因此耐火电缆与阻燃 电缆的主要区别是：耐火电缆在火灾发生时能维持一段时间 的正常供电，而阻燃电缆不具备这个特性。耐火电缆试验合 格标准的重要判据是：保持电压，即没有一个熔断器或断路器断开。导体不断

9、，即灯泡一个也不熄灭。耐火性能要求：普通耐火电缆分为A类和B类：类电缆能够在750 C800 C 的火焰中和额定电压下耐受燃烧至少90min而电缆不被击 穿，（即2A保险丝不熔断）。在改进耐火层制造工艺和增加 耐火层等方法的基础上又研制了 A类耐火电缆，它能够在 950C1 000C的火焰中和额定电压下耐受燃烧至少90min, 而电缆能够维持正常工作。A类耐火电缆的耐火性能优于B 类。目前市场上还有一类矿物绝缘电缆，通常为铜芯铜护套氧化 镁绝缘防火电缆，它是由矿物材料氧化镁粉作为绝缘的铜芯 铜护套电缆，矿物绝缘电缆由铜导体、氧化镁、铜护套三种 材料组成，具有不燃、无烟、无毒和耐火的特性。该电缆

10、也 属于耐火类电缆，与普通耐火电缆相比具有更优异的技术指 标，但由于该电缆价格昂贵、生产工艺复杂、使用维护困难等，一般只应用于重要的消防泵的供配电、应急发电机组、 机场停车场等重要场所、动力配线、高温炉窑、金属冶炼、 船舶、石油平台、化工厂等场合。（3）无（低）卤低烟阻燃电缆普通的电线电缆护套料大多采用塑料和橡胶做材料，这些材 料极易燃烧，电线电缆常因为自身在传输电能过程中发热或 外部明火而燃烧，容易引起火灾蔓延。为了改善电线电缆的 阻燃性能，一般采用PVC材料或聚烯烃中添加含有卤素类的 阻燃剂，它借助与氯乙烯聚合物受到热到约194C开始分解 而逸出的氯化氢（HCL）气体，覆盖在燃烧体系周围隔

11、离空 气，同时HCL能捕捉聚合物燃烧过程中生成促进燃烧连锁氧 化反应的自由基OH，减缓系统的燃烧。但是此种电缆在发生 火灾燃烧时释放出大量的剧毒、有腐蚀性的卤化氢气体和大 量的烟雾，容易使人窒息而死，同时对仪器设备造成很大的 腐蚀，即所谓的二次污染并且给救援工作带来很大的困 难。大量的火灾分析表明：有毒烟雾致死人命的比例远高于 高温灼烧致死的比例。 而无卤低烟电缆的机械性能比普通电缆稍差，这是由于加入 一些特殊的添加剂所致，无卤低烟电缆阻燃电缆的绝缘层、 护套、外护层以及辅助材料（包带及填充）全部或部分采用 的是不含卤的交联聚乙烯（XLPE）阻燃材料，不仅具有更好 的阻燃特性，而且在电缆燃烧时

12、没有卤酸气体放出，电缆的 发烟量也小，电缆燃烧产生的腐蚀性气体也缆阻燃性和降低 卤酸气体发生量之间采取折衷的方式开发出了低卤低烟阻 燃电缆，无卤低烟电缆优良的环保特性，随着制造工艺的提 高，必将取代低烟低卤电缆，广泛应用于地铁、隧道、船舶、 高层建筑、大型公共活动场等人员密集的重要场合及安全性 要求高的设施。低烟低卤电缆的绝缘和保护材料，一般是使用聚氯乙稀PVC 树脂为基材，加入增塑剂、抗氧剂、阻燃剂、抑烟剂、HCL 吸收剂、稳定剂等，经特殊工艺加工而成，因此低烟低卤电 缆在火焰燃烧情况下大大降低了材料燃烧时的烟密度和氯 化氢的释放，产生极少烟雾，释放的气体显现为少烟低毒性。当火灾发生时，可大

13、大减少对仪器、设备对人体的危害，因 而被广泛用于高层建筑、医院、大型图书、体育馆、防灾指 明挥调度楼、车站和民用机场、旅客候车室、重点文物保护 场以及地铁、地下商场或人工密集的公共场所。对于低卤低烟阻燃电缆，根据现有的国家标准，我国并没有 相对应的具体国标或行标，缺乏参考依据，因此该类电缆更 多的是各生产企业自行进行定义，因而各厂家的产品技术参 数各不相同。随着人们环保要求的提高，该电缆将被无卤阻 燃电缆所取代，低卤低烟只能是目前一种经济型过渡产品。 3.电缆额定电压表示方法电缆的额定电压表示为：U0 /U (Um)。例如：450/750V、0.6/1 (1.2) kV 和 1. 8/3(3.

14、6) kV.一般来说，1 kV 以下属 于低压电缆，1 kV以上是高压电缆在电缆的电压表示U0 /U (Um)中：U0：电缆设计用的导体对地或金属屏蔽之间的额定工频电 压；U：电缆设计用的导体间的额定工频电压；Um：设备可承受的最高系统电压的最大值(见 GB/T 156-2007标准电压)。即设计时采用的电缆和附件的任何两 个导体之间的运行最高电压，但不包括由于事故和突然甩负 荷所造成的暂态电压升高。多数电缆Um为U0标称的2倍。通信工程常用的单层护套RVZ阻燃电缆有标称压为 450/750V，双层绝缘护套的RVVZ阻燃电缆及部分YJV电缆 标称的额定电压为0. 6/1kV，这些电缆一般应用于

15、低压配电 系统的电力电源线中。额定电压为300/300V、300/500V的电线通常用在单相220V 及以下的检测、监控仪器仪表线路中。4.阻燃耐火电缆型号的命名规则按照现行的国标规范，阻燃耐火电缆的燃烧特性如下：(1) 产品型号组成电缆的型式由由系列代号、绝缘、护套材料代号、外护层和性能特征代号5部分组成：性能特征代号:卤低烟系列代号：R软电缆系列绝缘材料代号：V聚氯乙烯Y 聚烯烃外护层代号：22 钢带铠装聚氯乙稀外套23 钢带铠装聚烯烃外套(2) 电缆的基本型式、产品名称和使用范围：(3) 电缆结构四芯及其以上电缆的线芯截面分等截面和不等截面两种结 构。电缆的使用特性：电缆的额定工作电压：

16、有450/750V、600/1000V、3. 6/6kV 电缆导体的长期工作温度：70C、90C等电缆安装敷设 时环境温度：一般不低于0C,特殊定制的耐寒电缆可以达 35C。(4) 电缆型号举例： 铜芯阻燃聚氯乙稀绝缘软电缆电力电缆，额定电压为 600/1000V, 3 + 1芯，标称截面95mm2,中性线截面50mm2 表示为：ZA RVV 600/10003 X 95 + 1 X50(GB/T 12706.1-2002)； 铝芯聚氯乙烯绝缘钢带铠装聚氯乙烯护套电力电缆，额定电压为06/1 kV, 3芯，标称截面70mm2,表示为： VLV22-0.6/13X70( GB/T12706.1-

17、2002)；1.2数据中心防火电缆选择与计算1. 直流供电回路电力线的选择与计算在直流供电系统的接线中，根据各段导线所起的作用不同, 可分为充电线、放电线和供电线。这里，整流器经直流屏到 蓄电池的导线称为充电线；蓄电池组经直流屏到通信设备的 导线称为放电线；整流器经直流屏到通信设备的导线称为供 电线。在通信电源直流供电系统中，一般不单设充电线，而 是充电线与放电线合为一体。故此，供电线就泛指直流供电 系统中的全部电力线了，供电线中一般分系统单独布设。现 将一般情况下的直流供电回路电力线的选择与计算做如下 叙述:1）直流供电回路电力线的组成直流供电回路的电力 线，包括除远供电源架出线以外的所有电

18、力线，如蓄电池组 至直流配电设备，直流配电设备至变换器、通信设备、电源 架、列柜、安装在交流屏上的事故照明控制回路进线端子和 高压控制或信号设备的接线端子，电源架、列柜和变换器到 通信设备，事故照明控制回路出线端子至事故照明设备，列 柜至信号设备，以及各种整流器至直流配电设备或蓄电池的上述各段导线中，直流配电设备至高压控制及信号设备的电 力线，应按容许电流选择，并在必要时按容许电压降校验； 直流屏内浮充用整流器至尾电池的导线（在直流屏内部的部 分），应按容许电流选择，并按机械强度校验；整流器至直 流配电屏的导线，一般应按容许电流选择，但在该段导线 使用母线时，可按机械强度选择，而按允许电流校验

19、。其余 部分的导线，均应按蓄电池至用电设备的容许电压降选择； 或在使用变换器时，按变换器至通信设备的容许电压降选 择。按导线的长期容许电流选择导线时，要根据导线可能承 担的最大电流，对照导线容许载流量在敷设条件下的修正 值，来确定导线截面，具体计算可参见电缆厂家给出的对应 型号交流导线载流量表进行选择。按允许电压降计算选择直 流电力线时，要根据导线可能承担的最大电流计算，计算中 应以设备的可能发生的最大功耗的数据为计算依据。2）直流供电回路电力线的截面计算根据允许电压降计算选择直流供电回路电力线的截面，一般 有三种方法，即电流矩法、固定分配压降法和最小金属用量 法，最常用的方法为电流矩法，下面

20、仅对该方法做如下说明:电流矩法 采用电流矩法计算导体截面，是按容许电压降来选择导线的 方法。它以欧姆定律为依据。在直流供电回路中，某段导线 通过最大电流I时，根据欧姆定律，该段导线上由于直流电 阻造成的压降可按下式计算：S=XI*L/ （Au *K）其中：工I：流过导线总电流（单位：安培）L：导线回路长度（单位：米）（单向路由距离X2）Au：导线上允许的压降（单位：伏），一般小于IVK：导电系数（K铜= 57、K铝= 34）；2. 交流电力线的选择与计算选择交流电缆截面，应符合下列要求：1）线路电压损失应满足用电设备正常工作及起动时端电压 的要求；2）按敷设方式及环境条件确定的导体载流量，不应

21、小于计 算电流； 3）导体应满足动稳定与热稳定的要求;4）在三相四线制配电系统中，中性线（以下简称N线）的 允许载流量不应小于线路中最大不平衡负荷电流，且应计入 谐波电流的影响，一般N线215倍相线。5）采用单芯导线作保护中性线（以下简称PEN线）干线，当截面为铜材时，不应小于10mm2 ；采用多芯电缆的芯线作 PEN线干线，其截面不应小于4mm2. 6）当保护线（以简称 PE线）所用材质与相线相同时，PE线最小截面应符合下表 的规定：保护接地线的截面按照以下原则选取：（见GB7251.1T997 中 7.4 节）*安全接地线：它是同机壳相连的安全接地线。*安全接地线截面积应当为相线电缆截面积

22、的051.0倍， 但截面积不小于6mm2.常用电缆截面选择方法是按长期允许 电流（即按发热情况）选择电缆，其他方法只在必要时 用于校验，现将常用的几种方法介绍如下。（1）按发热情况选择电缆截面各类电缆通过电流时，由于导线电阻功率损耗发热，温度升 高。导线温升过高，将会促使绝缘加速老化，造成绝缘破坏、 起火；同时，也会使导体变软，机械强度降低，接头处氧化 加剧，接触电阻增大。因此，各制造厂商对各种导线连续发 热的容许温升都做出了明确规定，并且根据散热条件制定了 各类导线的持续容许电流及各种敷设条件下的修正系数。因 此，按发热情况选择导线截面应满足下式：K. 121 js式中: I js 最大计算

23、负荷电流（A）；I 考虑标准敷设条件（空气温度25 0 C，土壤温度为15 0 C）及导线容许温升而制定的导线持续容许电流（A）；K考虑不同敷设条件的修正系数；K= Kt. K1K2式中：Kt 温度校正系数；K1 电缆直埋地敷设多根并列校正系数；K2电缆穿管多根并列在空气中敷设校正系数（2）按电压损失选择电缆截面 由于线路具有一定的阻抗，在电流流经线路时必然产生电压 降，若不考虑相位变化，线路始端与终端电压矢量的代数差, 即称为电压损失，常以其对于额定电压的百分数来表示。 线路电压降应该首先保证用电设备的正常工作，即使用电设 备的端电压偏移值在其允许的范围内。其次，线路电压降应 满足电力部颁布

24、的全国供电用电规则中规定：用户受 电端的电压变动幅度，不超过：10kV及以下高压供电和 低压电力用户为额定电压的5% ；低压照明用户为额定电 压的+ 5%、一10% 根据上述要求并考虑经济合理，规定 各种网路的允许电压损失取值范围，详见下表：（3）按机械强度选择电缆截面电缆由于本身的重量、故障情况下电流之间的作用力以及外部的冰雪风雨等机械力作用，因此容易断裂，所以，为了保 证电缆的机械强度，电缆在敷设与安装时电缆选择必须满足 一定机械强度的要求。（4）按经济电流密度选择电缆截面按经济电流密度选择电缆的计算公式如下：S= Imax /Jj式中：S -电缆经济截面计算值（mm2 ）；Imax -最

25、大负荷电流（A ）；Jj经济电流密度（A/ mm2），可根据年最大负荷利用时间和电缆种类见下表：3. 数据中心UPS电缆的配置要点数据中心UPS设备的电缆配置既涉及到直流电缆的配置，又涉及到交流电缆的配置；既和其余的低压供配电设备的电缆 配置有相同之处，又有其特殊之处，因此特地单独阐述如下:(1) UPS主路输入和旁路输入的电缆计算：UPS主路输入电缆电流计算：Iin= (Q*Cos0*1.25) /(1.732*V*u),UPS旁路输入电缆电流计算：Ibypass=Iout二Q/(1.732*V) 其中：Q为容量，Cos0为功率因数，1.25为整流器容量倍数(含25%电池容量)，V为标称电压

26、，为整机效率，Iin为UPS主路输入电流，Ibypass为UPS旁路输入电缆电流。 直流电流为标称电压对应的满载计算值I= (Q*Cos0) / (U* 卩)其中：Q为容量，Cos0为功率因数，U为标称电池电压，卩 为逆变器效率注：当用户的使用工况不采用此边界条件时(例如电压下限 极限值测试等)，需要重新计算电流值。(2) UPS电力电缆注意事项： 交流输入/输出电缆，电池电缆。对于一般中型以上的UPS 来说，为便于接线，建议用户尽量选用软电缆(如BVR铜芯 多股电缆)。 对于大电流场合，如果选用几条小电缆以并联形式来连接 的方法，应进行降额，防止分流不均或其中一条故障导致其 它电缆过流。对于中、小型UPS可按3-5A/ mm2来进行配置。 对于大型UPS，可按1. 5-2.5A/ mm2来配置。超大型选用母 排为宜。 UPS电源系统的中线有旁路电源输入中线、UPS电源输出 中线等。UPS的中线截面积应为相线截面积的1.2 -1.5倍。