机房供电系统线缆选择与安装

线缆连接是供电系统中最重要的环节，所有的供电设备都是用线缆连接在一起而构成一 个完整的系统，线缆连接的正确性和质量直接影响供电设备功能的发挥和对负载的供电质 量。线缆连接的质量对供电系统的影响主要反映在以下三个方面：
(1)线径截面要选择适当，无谓地增大线径截面会增大成本；而如果线径选择过小，会 因导线过热使电缆的绝缘承受能力下降，温度过高甚至会酿成火灾。在数据中心中，因线缆 发热起火的事故并不鲜见。
(2)线径选择过小的另一个不良后果是线路压降过大，影响供电质量。
(3)线缆是供电设备之间的连接线，担负着功率和信号的传送功能。同时，如果线缆的 布局不当，数据电缆和功率电缆之间可能会成为各供电设备乃至供电设备与IT设备之间干 扰的媒介，传送错误的信号，造成系统运行不稳定。
所以线缆的选择，包括线缆材质、线径、绝缘和屏蔽性能，是供配电系统设计和机房建 设时必须要认真考虑的重要因素之一。
本节主要介绍线缆截面的选择原则和方法。
决定线缆截面的两个最主要的因素是：
(1)电缆本身允许的温升；
(2)负载输入端允许的线缆传输压降。
1.线缆的传输阻抗
当电流在线缆中流动时，就在线缆中产生压降，一段线缆的压降除以流过该处电流，就 是线缆的电阻。电阻率（Resistivity)是用来表示各种物质电阻特性的物理量。某种材料制 成的长lm、横截面积是1mm2的导线的电阻，叫做这种材料的电阻率。
, p 二 RxS / L
式中，p为线缆的材质电导率（n • m) ; S为截面（m2) ; L为长度（m)。
不同材质的导线，电阻率也不同，例如：
(1)银的电阻率口 = 1.6><10_8;
(2)铜的电阻率p = 1.7x10 8;
(3)铝的电阻率/^之”乂^)—8。
线缆的电阻表达为
R =p x L/ S
以铜、铝为例，对于同一根导线，长10m,截面为10mm2 =10_5m2。
采用铜质材料时，电阻《 = 1.7xl(T8 x 10/10-5=1. 7xl0 2(fl) =0.017 (O)
采用铝质材料时，电阻尺=2.9 xl0_8x 10/10—5 =2. 9xl0_2 (fl) =0.029 (fi)
2.线缆温度限制
线缆温升是因为线缆存在着阻抗，它的电阻成分直接消耗功率。如果线缆的电阻为《， 流过的电流为/,则损耗为：
对于不同的电流波形，线缆损耗的结果也不一样，如图6. 6所示 假定电流幅值（平均值或有效值）都是1A,线缆电阻为10。
图6.6 (a)所示是直流电流，幅值为1A,线缆的功率损耗是P = = 1 X/?。
图6. 6 (b)所示是正弦电流，有效值为1A，峰值为1.414A，线缆的功率损耗是P = I2R = l XR0
图6.6 (c)所示是计算机开关电源输入电流，电流为间断型，如果占空比为1:2.5, 有效值为1A,线缆的功率损耗是P = (2. 5)2 X/? x 1/2. 5=2. 5R。
由图6. 6可以看出，电流波形不同时，线缆的损耗也不一样。IT设备的输人电源都是 开关电源，其输人电流都是图6. 6 (c)所示的波形。
(a)直流电流
线缆中流过电流时，由于电阻功耗而产生温升，电阻率p不仅和导体的材料有关，还和 导体的温度有关。在温度变化不大的范围内，几乎所有金属的电阻率都随温度呈线性变化， 其变化规律为
p =p0(! +aT)
式中，r为摄氏温度；内为0T时的电阻率；a为电阻率温度系数。
造成线缆温升过高的原因是：
(1)线缆选择截面小，线缆中电流密度过高；
(2)线缆布局密度高，散热条件差；
(3)线缆中电流谐波成分大，波形如图6. 6 (c)所示。
在不同的温度下，电阻率随温度改变而改变，线缆的电阻随着温度的升高而增大。一个 简单的极端的例子是：一个220V/100W电灯灯丝的电阻，未通电时只有4011左右，通电时 是 484fl。
线缆温升过高的不良后果是会提高局部环境温升，影响电路的工作稳定性，严重时，过 高的线缆温升会破坏线缆绝缘性能，直接引起设备故障，甚至造成火灾。设备故障着火的事 故屡见不鲜，绝大部分是因为线缆温升过高而引起的，线缆设计电流过大或者电路故障 (如短路）都会造成严重的后果。
3. 传输电压降限制
线缆传输对供电系统功能最直接的影响是传输压降。供电设备和IT设备对输入电压范 围和稳定精度都是有严格要求的，而线缆在电流传输过程中，由于存在传输压降，可能使最 终的电压值超过负载允许的输人电压范围，从而改变系统设备的工作状态。例如UPS输入 电压的稳定精度是±1%,而UPS输出端到IT设备的距离很长，如果线缆传输压降>5%， 那么输送给IT设备的实际的下限电压最低值是-6%。即使IT设备仍可正常运行，也工作 在非最佳状态。如果IT设备输入电压允许的范围是额定电压的±5%,就会因输入电压超限 而报警设置宕机。
在数据中心机房设计建设中，针对线缆传输压降问题的规范是最大允许的压降：
(1)对交流电路，名3% (50Hz或60Hz);
(2)对直流电路，《1%0
4.电缆选择
除非线缆布局过密或散热条件极端恶劣，一般选择线缆时更着重对传输压降的考察。 表6. 17和表6. 18给出了选择数据，表中用百分数给出了 100米铜芯电缆电路所产生的压 降。如果要计算长度为i的电路产生的压降（百分数），可用表中的数值乘以1/100。
如果三相电路的压降超过3%或直流电路超过1%,可增大导体的横截面积，直到产生 的压降在允许的容限范围内。表6. 17列出的是50~60Hz/400V/三相，co哗=0.8,平衡的三 相+N系统，100m铜芯电缆电路所产生的压降（以百分数表示）。表中，Sph为导体的横截 面积；/„为电路中保护装置的额定相电流。
表6.17交流电路线缆压降计算，100m铜芯电缆电路所产生的压降（％)
sph (mm2) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300
(A) 10 0.9           
 16 1.2           
 20 1.6 1. 1          
 25 2.0 1.3 0.9         
 32 2.6 1.7 1. 1         
 40 3.3 2. 1 1.4 1.0        
 50 4. 1 2.6 1.7 1.3 1.0       
 63 5. 1 3.3 2.2 1.6 1.2 0.9      
 70 5.7 3.7 2.4 1.7 1.3 1.0 0.8     
 80 6.5 4.2 2.7 2. 1 1.5 1.2 0.9 0.7    
 100 8.2 5.3 3.4 2.6 2.0 2.0 1. 1 0.9 0.8   

续表
sph (mm2) 10 16 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300
 125  6.6 4.3 3.2 2.4 2.4 1.4 1. 1 1.0 0.8  
 160   5.5 4.3 3.2 3.2 1.8 1.5 1.2 1. 1 0.9 
 200    5.3 3.9 3.9 2.2 1.8 1.6 1.3 1.2 0.9
 250     4.9 4.9 2.8 2.3 1.9 1.7 1.4 1.2
 320       3.5 2.9 2.5 2. 1 1.9 1.5
 400       4.4 3.6 3. 1 2.7 2.3 1.9
 500        4.5 3.9 3.4 2.9 2.4
 600         4.9 4.2 3.6 3.0
 800          5.3 4.4 3.8
 1000           6.5 4.7