高功率密度直流数据中心保护与安全的关键技术

目录 1.背景3 2.两线制直流配电4 3.用于隔离、过流与短路保护的装置8 4.保护配合12 5.弧闪保护16 6.用于人身安全的接地故障保护17 7.结论20 1.背景 未来面向人工智能(AI)的数据中心预计将呈现前所未有的功率密度水平。NVIDIA已公布单机柜功率超过1 MW的规划，并提出一种采用直流配电架构向此类机柜供电的参考方案，如图1所示[1]。 与传统三相交流配电系统相比，直流配电具有以下优势： •简化的结构。由于导电路径更为简单，且集肤效应与邻近效应更小，直流配电有潜力减少导体数量并减小导体截面积。•转换效率提升。在传统交流系统中，向负载供电通常需先进行交流到直流转换，再通过直流与直流转换获得所需电压等级。在直流配电架构中，可省去交流到直流转换环节。•显著降低无功功率。在交流系统中，由于电流呈周期性变化，变压器、负载及线路中的电感特性会产生无功功率。而直流系统传输的是恒定电流，而非具有振荡特性的正弦波电流，因此系统功率因数可接近1，从而提升整体电能传输效率。•可灵活、简洁的接入备用电源及其他能源系统，如电池储能系统与光伏系统。使用直流母线无需设置自动转换开关等附加装置 另一方面，直流配电系统在实施过程中也面临着其独特的挑战，包括电能转换与传输、电磁兼容性、计量技术等方面的问题。本文将重点讨论此类系统的保护与安全问题。直流配电系统本质上呈现电容性特征，网络中各处的电容器均持续连接于直流电压，并储存必要的运行能量。在发生故障时，这些电容器将迅速释放所储存的能量。由此导致故障电流显著上升，同时直流电压受到扰动，进而带来安全风险及系统停机。因此，在故障分析中必须将电容因素纳入考虑，这也使定量分析更加复杂。最后，与交流系统不同，直流系统不存在自然的电流过零点。因此，必须通过开关与分断装置强制分断直流电流。 直流配电并非全新概念。多个行业已成功实施直流供电系统，包括船舶电力系统[2]、电动汽车充电系统[3]、铁路系统[4]以及工业驱动系统[5]，这些实践为数据中心应用提供了重要参考。 从保护角度看，电动汽车充电行业中的有源转换器因具备快速检测与切断故障电流的能力，长期以来已被纳入保护体系的一部分。在船舶应用中，具备不同分断速度保护手段的高可靠微电网架构，实现了保护配合、冗余配置及备用能源的集成[6]。近年来，Current/OS [7]与ODCA [8]等行业组织相继成立，旨在推动直流配电最佳实践的标准化。 同时，有必要关注数据中心应用场景中的独特挑战。数据中心负载主要为电子类负载。与其他类型负载相比，电子负载对电压波动更加敏感。此外，为了最大化计算空间利用率，机柜内部通常配置较少的储能单元，导致支撑时间很短。这一特性与其他行业存在明显差异。例如，在船舶、传动及轨道交通应用中，机械惯性能量可在电压波动时为系统提供更长的响应时间，且不会损失运行性能。在电动汽车充电系统中，电池储能同样可以提供较长的电压支撑时间。为解决上述问题，数据中心通常需要配置外部储能单元，例如电容器或电池系统。此类外部储能容量的配置规模，与预期电压波动持续时间直接成正比。这在数据中心应用中形成了一种独特情形，即系统保护设备动作速度越快，系统就可以做得更小，也更具成本效益。 本文将讨论数据中心直流配电保护的基础问题，包括配线与接地、保护装置选型、保护配合、弧光防护及接地故障保护。关于上述各专题的更深入分析，将在后续论文中展开。 2.两线制直流配电 直流配电系统可分为两线制或三线制结构。在两线制直流系统中，负载接于正极与负极之间供电。系统可设置中性点，但该中点不承载电流；这与三线制系统不同，后者的中点导体需要承载电流。两线制系统通常被认为更易于实施，原因如下： •载流导体数量更少；•保护设计相对简化。相比之下，三线制直流配电除需要增加保护装置数量外，还存在若干特有挑战，需要更高的设计投入，例如在特定故障条件下可能出现电容反向电压问题。•此外，两线制系统不存在负载平衡方面的设计顾虑。在三线制直流配电系统中，由于负载平衡需求，中点导体通常承载电流。中点导体的尺寸必须充分考虑所有可能的故障电流水平。 上述因素使两线制系统适合作为数据中心应用的初始架构。在以下讨论中，假定采用悬浮两线制系统。一般而言，两线制高阻接地系统具有类似行为特性。关于三线制系统的类似分析，将在后续研究中展开。 根据接地方式及直流电源设计的不同，正极、负极导体与地之间的电位差可能存在差异。表1总结了800 VDC系统在不同接地方式下的若干情形。需要指出的是，无论对地电位差如何变化，两线制系统的最高故障电压始终为正极与负极导体之间的电位差。不同的接地方案则会有不同的保护装置的电压额定值。在表1所示情形中，400/800 VDC设备在正极与负极导体上均设置保护元件，且这些元件必须协同动作，以分断800 VDC故障电流。 除负极直接接地的情形外，在发生故障或进行正常维护时，正极与负极导体均需断开后方可检修。根据NEC 240.15条款[9]，断路器必须断开所有不接地导体。对于熔断器，尽管NEC未强制要求熔断器联动跳闸，但仍需设置一个能够断开所有不接地导体的隔离装置。在负极直接接地的情况下，仅需断开正极导体，从保护装置数量方面考虑具有一定优势。然而，与悬浮接地系统及高阻接地系统不同，直接接地必须对首次接地故障进行处理，这通常需要快速响应的保护装置（详见第6节）。悬浮接地系统及高阻接地系统更广泛应用于以下场景：当发生接地故障时需要更长的响应时间，或系统在首次接地故障发生后仍需继续运行。此外，在保证安全隔离的同时负极导体直接接地导致隔离式变换器失去隔离功能。这可能对变换器的设计提出额外要求。 3.用于隔离、过流与短路保护的装置 在各分支回路及主配电母线上，均需配置过流保护、短路保护以及用于断开与隔离的装置。 3.1隔离 为实现隔离功能，必须形成物理空气间隙（可见断口）。因此，基于触点的机械式开关是合适的选择，例如西门子3WA系列产品。在回线未接地的系统中，分断装置的接线方式应按可同时断开两根导体（正极与回线）的方式接线。隔离开关的分断性能受所开断电流大小的影响，这一点与第3.2节所述机械式断路器类似。因此，在进行保护配合设计时，应考虑最不利条件下的电弧持续时间。 3.2机械式断路器、继电器与接触器 机械式分断装置（如断路器、继电器及接触器）通过触头系统实现电流分断。为熄灭电弧，通常采用带有冷却结构与磁吹系统的灭弧室。灭弧室在直流分断中的有效性与电流水平密切相关，如图2所示。在相似时间常数条件下，随着电流水平降低，电弧持续时间反而增加。这是因为电流降低时所产生的电磁场减弱，从而削弱了与灭弧结构的相互作用能力。因此，在进行保护配合设计时，必须同时考虑高故障电流与低故障电流工况。机械式断路器的特性通常遵循脱扣电流曲线，该曲线定义了在不同电流水平下触头断开前的延时特性。此类脱扣电流曲线对于实现保护配合至关重要。还应注意，在发生短路故障时，故障电流并不会在检测到故障瞬间开始下降。电流将持续上升，直至操作机构完成触头断开且灭弧室开始发挥作用。因此，在采用机械式分断装置的系统中，不同级别的保护装置均可能感知到故障电流，其动作时间必须进行配合设计。 3.3熔断器 熔断器为一次性保护装置，当发生过流时，通过熔断导体实现电路断开。其成本较低，且部分熔断器具有较快的分断时间，因此在数据中心应用中具有吸引力。在短路条件下，故障电流在预熔阶段会持续上升，这一特性带来与机械式断路器类似的保护配合问题，因为不同级别的保护装置可能同时检测到故障电流。熔断器同样具有脱扣电流曲线，用于定义在不同电流水平下达到熔断所需的时间。然而，熔断器的脱扣电流曲线为完全被动特性，无法进行调节，这使保护配合更加复杂。熔断器的另一特性在于其无法保证同时脱扣，尤其在低故障电流水平下更为明显。 脱扣电流曲线的制造公差可能导致即使承受相同电流，不同熔断器之间仍可能出现先后熔断的情况。因此，在采用熔断器时，必须设置能够断开所有不接地导体的隔离装置。此外，与断路器类似，故障电流越低，电弧持续时间越长。因此，在进行保护配合 设计时，必须同时考虑高故障电流与低故障电流工况。 3.4固态断路器(SSCB) 固态断路器(SSCB)采用电力电子器件进行导通与故障分断，实现超快速分断(<0.5ms)。其分断性能不受故障电流水平影响，且脱扣电流曲线可根据所保护系统进行设定与调整。此外，在电力电子器件断开后，故障电流几乎立即开始下降，并可被精确控制，从而显著简化保护配合工作。近年来，相关技术研究广泛开展，并已实现商业化应用，例如西门子推出的首款通过UL认证的120Vac固态断路器(SSCB)[10]。随着技术成熟，相关安全标准亦已逐步建立。UL 489i [11]已发布，成为北美地区固态断路器(SSCB)的适用标准；欧洲地区的IEC 60947-10标准预计于2026年初在欧洲发布。 固态断路器(SSCB)特别适用于电容性配电系统，因为在发生故障时可快速抑制电容放电。以下仿真示例对此进行了说明。如图3所示，一个1 MW悬浮接地的800 VDC配电网络仿真模型，包含一个电源变换器与四个相同的并联负载。假设每个负载均配置直流/直流变换器，用于将直流母线电压进一步调节至负载内部所需电压等级。图3中圈出的直流母线电容仅用于运行稳定目的，而非储能用途。随后，在其中一个负载的直流/直流变换器输入侧引入短路故障。比较两种保护装置：熔断器与固态断路器(SSCB)。本研究未考虑熔断器的燃弧时间。因此，当熔断器一旦达到I²t值时，即视为故障电流已中断。在实际应用中，熔断器的分断时间包含燃弧时间，因此总分断时间更长，本文所讨论的影响在实际系统中将更加显著。对于固态断路器(SSCB)，设定固定脱扣阈值为额定流的2倍，并在达到阈值后引入3 μ s的延时，以模拟断路器硬件响应时间。如图4(a)所示，在采用熔断器保护的情况下，熔断器在约1 ms时达到熔断I²t值。在此期间，故障电流显著上升。同时，由于直流母线共用结构，三个正常负载的直流母线电容均向故障点放电，从而进一步加剧故障电流水平。由于直流母线电容放电，三个正常负载在故障期间出现较大电压波动，并在故障清除后需要额外时间恢复。 系统总恢复时间约为20 ms。如图4(b)所示，在采用固态断路器(SSCB)保护的情况下，由于分断速度极快，电容放电被迅速抑制。故障峰值电流低于800 A，不会触发上级保护动作，且正常负载电压波动约为1 V。该案例研究表明，固态断路器(SSCB)在故障条件下维持直流网络稳定性方面具有与生俱来的优势。 固态断路器(SSCB)的一个不足之处在于其导通状态下产生的损耗发热，该问题随着最新的半导体材料（如SiC）以及电力电子器件（如JFET）的技术发展而得到改善[12]。 3.5固态混合断路器(SSHCB) 固态混合断路器(SSHCB)在导通状态下采用金属触点系统（类似机械式断路器）进行电流传导，在分断时与固态断路器(SSCB)类似通过电力电子器件实现。其简化结构如图5所示。机械触点SW1与机械触点SW2串联；SW2与电力电子器件Q1并联。在正常导通状态下，SW1与SW2均闭合以承载电流，从而降低导通发热。当发生故障时，Q1首先导通，同时SW2分断。电流随后转移至Q1。随后Q1关断，电流进一步转移至能量吸收元件Z1，实现电流分断。随后SW1单独断开，以形成物理隔离。固态混合断路器(SSHCB)的分断时间通常为1–3 ms，短于熔断器与机械式断路器，但长于固态断路器(SSCB)。其原因在于，当Q1开始承载故障电流后，必须等待SW2完全断开后才能关断Q1，以避免SW2发生介质击穿。固态混合断路器(SSHCB)在直流配电网络中是可行的，尤其是当配置了di/dt限制装置从而可以减缓故障电流上升速率。与固态断路器(SSCB)类似，固态混合断路器(SSHCB)同样受UL 489i标准约束，表明其在法规层面已基本具备应用条件。 图6对上述保护装置在发生短路的性能进