科迪（上海）测试技术有限公司上海200040
摘要：随着现代化信息技术的发展不断地扩大化，各行各业数据信息的交换速度也越来越频繁，为了保障服务器数据交换安全、稳定运行在优质的工作环境中，特意修建了大规模的数据中心。若数据中心长期运行在三相不平衡的环境中，严重影响了供电设备、动力设备的工作效率和使用寿命，本文将分析数据中心三相不平衡的危害，并提出降低计算机、服务器侧三相不平衡措施和建议。
关键词：数据中心；三相；不平衡；措施；建议
数据中心中的冷却塔、冷水机组、水泵和UPS都是三相用电设备，单项用电设备就是服务器、网络设备、生活用电设备等。而这些单项用电设备在工作中分配不均匀、用电的不同时性、单项大功率设备接入很容易造成三相电不平衡，如果长时间的三相电不平衡造成设备的故障、影响使用寿命、效率低下等问题。
项目概况
上海XX数据中心位于上海市郊外，丙类工业厂房改造为数据中心，以A级机房为设计标准，建筑耐火等级为一级，地上五层。本次工程测试五楼的2个数据模块机房，总机柜数量为340个，总服务器负荷2700KW。
概述
三相不平衡是指在电力系统中三相电流或电压幅值不同，并且幅值差超过了规定的范围。数据中心中服务器等设备在A、B、C三相中负载分布不均匀，服务器工作与待机用电情况也不相同，各个服务器运行效率和工作负荷不同等因素是导致三相不平衡的主要原因。国家对建设数据中心的规范中明确指出了电子信息设备交流供电电源质量要求，稳态电压偏移范围在±7%~±10%，稳态频率偏移范围±0.5HZ。
三相不平衡的危害
1、对变压器和用电设备的危害
三相负载平衡供电是最安全的供电方式，如果三相负载不平衡，不仅降低供电线路和配电变压器的供电效率，而且还会因重负荷相超载造成重负荷相相线烧断、断路器烧坏致使配电变压器单相烧坏的严重后果。由于数据中心在配电变压器设计方面是根据三相负载平衡运行的工况下设计的，每相绕组的电阻、漏抗和激磁阻抗基本相同。当变配电中三相负载运行不平衡时，其A、B、C三相每相输出的电流就不相等，三相压降就不相等，导致变压器输出电压三相不平衡。与此同时，变压器三相负载不平衡时，输出电流不同，相应的中性线就会有电流产生，导致中性点漂移，三相的相电压就不相同。负载重的一相电压降低，负载轻的一相电压升高。当单相用电设备接在电压降低的一侧，用电设备长期欠压运行，服务器运行效率降低、小水泵容易烧坏等问题；接在电压升高的一侧，用电设备长期超压运行，发热量增加极有可能造成设备绝缘击穿，电器设备的供电单元烧坏，降低电器的使用寿命。
2、对电动机的危害
当三相电机中输入三相不平衡电时，由于不平衡电压中的正序、负序、零序三个电压分量的存在，输入电机后，负序电压产生的旋转磁场与正序电压产生的旋转磁场相反，会给电机制动作用。由于正序旋转磁场比负序旋转磁场强，电机任然正向旋转，但是负序磁场产生的制动作用，电动机的输出功率会减少，电动机的机械效率会降低，电机还可能产生振动。同时不平衡电流会使转子产生附加损耗和发热，导致电动机整体或局部温度升高，长期在这种条件下运行降低电动机的使用寿命。
当电动机机械效率降低时，冷冻水泵的效率也会相应的降低，给服务器降温的空调的冷冻水流量降低，空调的制冷效果变差，机房的温度升高，服务器的数据交换速率降低，客户端电脑侧就会卡顿、数据运算错误等，影响客户的办公效率等一系列的连锁反应。机房的温度积聚升高到一定程度时，服务器的运算效率会很低，产生宕机的危险。
三相不平衡的治理方法
通过以上的分析可见，三相不平衡状态下运行时不仅影响供电可靠性、设备的安全用电，而且还会影响服务器的运行效率等危害。采取有效的措施使三相电平衡是非常的必要。
2.均匀分布负荷
在数据机房中布置机柜时，首先根据机柜的数量和服务器的数量要尽可能地三相负荷摆放均匀，其次服务器正常送电后根据配电柜上电量监控设备查看三相电流的大小。这样的方法从根本上解决了数据中心三相电不平衡。
3.UPS治理
UPS是将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给服务器使用，此时的UPS就是一台交流式电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断时，UPS立即将电池的直流电能，通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应交流电，使服务器负载维持正常工作并保护负载软硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过高或电压过低都能提供保护。
在上海XX数据中心项目的测试中，我们针对10台UPS电源做了输出三相不平衡的测试。在测试中我们得到了满意的结果，UPS对三相不平衡的治理效果非常好。其基本原理是逆变器PI控制器与RC重复控制器，实现对UPS输出电压正负序分量进行控制，基本消除了负序电压分量，而且还能很好的抑制零序分量，对三相输出不平衡问题起到了良好的抑制作用。
下面的数据是我们对其中一台UPS不同工况下三相输出不平衡测试所得数据整理，和其它9台UPS测试的数据大致相同。
分析表中的数据得出的结论是，在UPS末端增加三相不对成负载，UPS输出三相电压失真度都在1%左右，三相电压的相位差最大也是3.1°el，三相电压不对成也在1%。这些数据完全符合数据中心的国家设计规范。由此可见数据中心增加UPS电源无论是供电质量方面还是供电安全方面都是很有必要的。
意义：
1、传统的均匀分布负荷三相电平衡方法工作量比较大，在负荷分布的前期要计算好三相负荷的大小和三相负荷平均分配的比例，在后期全部服务器运行阶段再重新的调配服务器的位置和闲置的服务器撤出数据机房是受限制的，若再重新平衡服务器负荷可能会造成服务器停电的风险，不利于数据机房服务器重新规划。
2、在服务器前端增加UPS的方法，首先增加UPS灵活的避免了传统负荷不平均的弊端，减少了很多的工作量，其次可以很好的抑制三相负荷不平衡带来的电源不平衡，而且还能很好的抑制电源谐波、稳定电压频率保证电源供电质量，在市电突然中断的瞬间还可以为服务器持续供电保证服务器安全工作，有效地降低了服务器停机风险。
结论：
本文主要论述了三相不平衡对用电设备的危害及有效的治理方法进行了分析，得到了清晰的结论。随着社会发展的不断进步，数据交换日益强大的时代，在规划数据中心的同时一定要考虑到三相电不平衡的危害，对三相电不平衡的治理也会采取必要的措施，这样数据中心才能得到更好的发展，发挥出在公共服务中的作用。
参考文献：
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