学习目标： • 掌握基本的电源概念• 掌握电源及其产生过程• 区别数据中心的不同电源用途• 确定功率因数• 掌握数据中心电气安全措施的重要性，并且• 识别数据中心的潜在问题区域
课程安排：本课程的学习进度安排如下： 首先，我们会对本课程进行简要的介绍，随后围绕以下几个课题展开学习：
• 电源主要术语• 交流电和直流电• 功率因数• 电压配置、插头和插座• 断路器和电源插座• 七个常见的电气问题
• 数据中心的组成，最后将做一个• 总结
介绍：电源是数据中心的主要资源。 很多设备故障、停机、软件和数据破坏都是由电源问题引起的。 如今服务器中的敏感元件需要无中断或失真的电源。 幸运的是，对大范围电源故障所造成的后果都有详尽的记录。 在所有业务部门，预计每年由于电源中断而引起的损失达到1040亿美元到1640亿美元，另外由于辅助电源质量问题而引起的损失达到150亿美元到240亿美元。
当务之急是必须使服务器远离市电故障、浪涌和其它潜在的电气问题。 数据中心所在的建筑可能有各种不同的电源需求： 空调机、电梯、办公设备、台式计算机，以及厨房区域的微波炉和冰箱。 为数据中心提供独立、专用的电源以及电源基础设施是很重要的。
本课程将探讨电源主题以及如何在数据中心内利用电源。 我们首先来回顾一些基本电气术语的定义。
主要术语：伏特是两点之间潜在差异或电气压力的测量单位。 如果两点连接在一起，则构成一个电路并且会有电流流过。
安培测量的是在某一特定时段内电路中流过的电流量。
欧姆是掌握电流流过一个电路时所遭遇的阻力值的测量单位。
赫兹是频率测量单位。 每秒钟电压方向变化的一个完整周期等于1赫兹（Hz）。
交流或AC在电路中不断地来回变化。 由附近的市电提供给建筑的电源就是交流电的一个例子。
直流或DC是仅单向流动的电流。 蓄电池提供的电源就是直流电源的一个例子。
为了充分说明这些术语之间的关联，让我们来比较一下电源电缆中的电流与橡胶软管中的水流。
让我们使用一根典型的橡胶软管来说明电的工作原理。 根据水龙头的打开程度，水会以低速率或高速率流过软管。 无论水龙头是打开或关闭，水压（相当于电压）通常保持恒定。 水流通过水龙头的位置（电阻）来控制。 在某一特定时间，水龙头的打开程度或大或小。 水流也可以通过水压（电压）的增加或减少来控制。 每秒钟流过软管的水量（单位：加仑或升）可以比作每秒钟流过导体的电子数量（单位：安培）。我们的橡胶软管类比还有助于解释电阻。 假设橡胶软管被一个大石块部分压住。 石块的重量会减慢橡胶软管中的水流。 我们可以说，受限的橡胶软管对水流的阻力大于不受限的橡胶软管。 如果我们想要更多的水流出软管，我们就需要加大水龙头的水压。 电流也是如此。 电阻小的材料容易让电流流过。 电阻较大的材料需要较高的电压才能让电流流过。
电源负载：在讨论电源的概念时，必须了解“电气负载”这一术语。 电气负载是指数据中心内消耗电功率并且有电功率供应的各种设备的总和。 典型的数据中心负载包括计算机、网络设备、制冷设备、配电设备以及电气基础设施支持的所有设备。
我们现在来探讨一下交流电与直流电之间的一些差异
交流电和直流电：正如我们在主要术语部分所提到的，交流（AC）和直流（DC）是电源的两种形式。 我们首先来探讨一下每种形式的利用方式。如果电路中的电流流向不断变化，则称之为交流（AC）。 进入您家中的电流就是交流的一个例子。 来自电力公司的交流电每秒钟大约来回切换60次，测量值为60赫兹。 该测量值称为“频率”。 市电决定了向数据中心供应的交流电的频率。 在美国，频率被设定为60赫兹（Hz）。 在其他国家，50赫兹更为常见。
交流电是电压和电流的结合。 发电站的AC电压通过高压变压器增加到可以使电力长距离传输且能量损失最小的电压水平。
直流（DC）在典型的数据中心内有若干应用，最常见的是应用在由蓄电池组供应48伏直流电的电信设备中，或者应用在支持不间断电源的蓄电池系统（可供应500伏直流电）中。 但是，无论是通过蓄电池组供电，还是通过直流发电机供电，直流系统在数据中心都不实用，因为电阻损耗较高，而且向信息技术设备供电需要较大尺寸的电缆。 几乎所有的数据中心设备都是根据当地的标称AC电源电压设计的。
至此我们已经讨论了电流的形式，下面让我们来比较一下单相电和三相电。
单相电和三相电：向数据中心供应的交流电的两种常见形式为单相电和三相电。 单相电只有一种基本电源波形，而三相电有三种基本电源波形且三者之间有120度的位移
如果交流电以单电压电源的形式进入建筑，则称之为单相电。 如果交流电以三电压电源、或三个相位、或三根火线（附带零线和地线）的形式进入建筑，则称之为三相电。
单相电通常分配给住宅和小型商业用户。 单相意味着进电只有一根火线（附带零线和地线）。
产生和分配三相电比分配单相电更经济。 由于电线的尺寸影响可以通过的电流量，因此也决定了可以输送的电量。 如果以单相的形式分配大量的电源，就需要大量重型传输线，几乎不可能通过一个塔柱来悬挂这些传输线。 使用三相电压电源来分配交流电更经济。
下面，我们来讨论一下120/240伏和208伏配置。
120/240/208伏配置：交流120伏和240伏是向住宅用户供应的最常见的单相电压。 单相240伏往往供应给大型家用电器，例如干衣机、电灶和水加热器。 有些数据中心也提供单相120伏。 很多IT设备（包括计算机监视器和单机台式计算机）接受120伏。 三相208伏电源通常支持包括大部分数据中心在内的商业环境。
(请注意： 在很多国家，例如欧洲和亚洲的部分国家，220-240伏和400伏电压也很常见。）
下面，我们来探讨“瓦”和“伏安”概念。
“瓦”测量的是负载设备所消耗的实际功率，用于测量功率及设备所产生的热量。 额定瓦数一般粘贴在负载设备的铭牌上。 但是，铭牌额定值很少与IT设备中所测得的瓦数相同。 很多数据中心都用UPS或配电单元（PDU），甚至机架式电源插座条的测量仪表，来准确记录现场的功率。
额定伏安数（VA）或视在功率表示所讨论的设备可消耗的最大负载。 它是用施加的AC电压乘以设备消耗的电流所得之积。 伏安用于计算和规定电线尺寸、断路器、开关装置、变压器和一般配电设备。 额定伏安数表示设备所能消耗的最大功率。 额定伏安数总是大于或等于设备的额定瓦数。
区分瓦数和伏安数的意义在于，电源、配线和断路器在选型时需要考虑处理比预期更大的电流和功率。
功率因数：在讨论电源基础设施组件（例如UPS设备）的负载容量计算时，瓦数（W）和伏安数（VA）这两个术语经常互换使用。 但是这些术语并不相同。 了解瓦数与伏安数之间关系的关键是功率因数。 瓦数表示有功功率，而伏安数表示视在功率。
功率因数是有功功率与视在功率的比值。 功率因数可以用0和1之间的数字或％表示。 如果某一特定UPS的额定瓦数为8、额定伏安数为10，那么其功率因数为0.8（或80％）。 功率因数为0.8的UPS比功率因数为0.7的UPS在输出相同视在功率的条件下输出更多的有功功率。
下面，我们来看一种电子开关电源： 功率因数校正。
经过功率因数校正的电源是20世纪90年代中期研制出来的，其特点是额定瓦数与伏安数相等。 也就是说这些电源的功率因数接近1。功率因数校正只是一种解决电源负载造成的低效率的方法。
1996年以后生产的所有大型计算设备，例如服务器、路由器、开关、磁盘阵列，都使用经过功率因数校正的电源。 个人计算机、小型集线器和个人计算机配件的功率因数可能小于1。
对于专为只有额定伏安数的计算机负载而设计的小型UPS，假定UPS的额定瓦数为公布的额定伏安数的60%是比较合适的。
对于大型UPS系统，一般越来越关注UPS的额定瓦数。 最先进的大型UPS系统的额定功率因数为1。 换句话说，它们的设计千伏安容量等于千瓦容量。
下面，我们来讨论插头和插座。
插头和插座：全世界使用很多不同类型的电源插头。 数据中心较为常见的两个插头标准是： 在瑞士制定却在全球范围使用的国际电工委员会（IEC）标准；通常在北美使用的美国电气制造商协会（NEMA）标准。
数据中心的大多数插头均为三极插头，插座在设计上也满足了这些三极配置。 在美国，普通的三极插头由两个扁叉和一个圆叉构成。 较大的扁叉为零线，较小的扁叉为火线，底部的圆叉为地线。
IT设备最常用的插头/插座组合采用IEC设计。 出于安全原因，这些插座往往被设计成凹槽式。 这种设计有助于防止人员接触带电的插脚。
螺旋锁型也是常见的插头和插座类型。 插头呈螺旋状可以锁定到插座中。 如果您选择部署上走线而不是高架地板下布线时，这种插头特别有用。 使用螺旋锁，插座不容易因重力和振动而与插头分离。
让我们更详细地讨论一下IEC和NEMA插头。
数据中心最常见的IEC插头包括： IEC-320-C13和IEC-320-C14（交流额定电压100到240伏，额定电流约10安）；IEC-320-C19和IEC-320-C20（交流额定电压100到240伏，额定电流约16到20安。
IEC 309系列208伏单相Russell Stoll连接器也很常见。 例如，IEC 309 2P3W 208V, 20A的额定电流为20安，而IEC 309 2P3W 208V, 30A的额定电流为30安。 通过分析插头的名称可以推测出插头的构成。 以IEC 309 2P3W 208V, 30A为例，字母“P”表示极数，而字母“W”表示线数。 “V”表示伏特数，而“A”表示电流安培数。
插座安装在机架式电源插座条中或移动式电源插座上，那些插头通常和IT设备上的电源线连接在一起。
(请注意： 在很多国家，例如欧洲和亚洲的部分国家，220-240伏和400伏电压也很常见。）
有很多NEMA标准插头类型的实例。 每种NEMA插头和插座类型都有命名规则。 例如，常见的插头类型可以用“L5-15P”表示。
如果代码以字母L开始，则表示插头或插座可以锁定。 如果代码不以字母开始，则表示插头或插座不能锁定。 在此例中，插头可以锁定。 第一个数字可以是1到24之间的1个数，其中不使用3和4。该数字表示电压、极数和线数的一定组合，以及它是否为接地型插头。在此例中，插头为5号插头。 连字符后面的数字表示额定安培数。 在此例中，连字符后面的数字为15，因此该插头的额定电流为15安。 最后一个字母“P”表示设备实际为插头。 如果设备为插座，则最后一个字母为“R”。
至此我们已经学习了所需了解的插头和插座知识，下面让我们来探讨一下可能发生电源故障的常见区域。
常见的电源系统故障：概率风险评估领域的专家M Technology, Inc.认为，数据中心电气基础设施的电源系统故障最常见的区域为： 配电单元（PDU）及其对应的断路器（占30％）、所有其它断路器（占40％）、UPS故障（占20％），以及系统平衡（占10％）。
现在我们来讨论一下断路器及其在数据中心的重要性。
断路器：断路器是设计用来保护电气设备免受过载或短路损坏的一种设备或开关。 断路器设计在特定的电流水平下脱扣。 与保险丝和开关不同的是，断路器可以复位。 大型断路器有可调整的脱扣机构，而小型断路器（为分支电路设计）的脱扣水平根据额定电流在内部预设好。
正如前面提到的，在数据中心的电源基础设施中，大多数故障都可以归结于断路器。 断路器可能会发生多种形式的故障： 无法闭合；在故障条件下无法断开；谬误脱扣（即断路器在未发生故障的情况下断开）；无法在设备的反时限特性下运行。
断路器设计用来中断过大的电流，有各种不同的规格。 应监控断路器脱扣或开关的次数，因为大多数断路器的额定寿命为1-10次故障电流中断。
如果您跟踪数据中心的电力路径，从市电经由变压器和UPS直到负载，您会发现一路上有多种断路器。 有些是大型断路器（600安以上），有些为普通断路器（如分支电路或PDU断路器）。 断路器之间配合动作很重要。 离故障最近的断路器的断开速度应比上游断路器快。 由于大型断路器往往位于上游，因此如果断路器不能正常地配合动作，故障可能会影响建筑的大部分区域，而不是一小部分区域。
断路器的协调动作很复杂，必须小心处理。 必须考虑断路器的额定值和速度。 建议数据中心的人员咨询深谙该领域的电气专家。
我们来讨论一下IT设备中常见的两种断路器： 热断路器和电磁断路器。
随着电流的增加，热脱扣断路器内的温度会升高。 如果电流过大，热脱扣断路器的温度会很高，致使其跳闸。 普通的热脱扣断路器使用双层金属片进行跳闸。 双层金属片夹着两片不同的金属。 电流流过双层金属片，致使其发热。 由于一片金属膨胀的速度比另一片金属快，随着温度的升高，金属片会弯曲。 如果电流过大，金属片会严重弯曲，致使电路中的触点断开。
电磁式断路器使用电磁线圈，当电路中的电流过大时，电磁线圈会产生吸引力来驱动开关。 随着电流的增加，电磁线圈的吸引力会越来越大，与之抗衡的是保持开关闭合的弹簧。 当电路中的电流过大时，电磁线圈的吸引力会克服弹簧的反作用力，强迫开关触点断开电路。
这两种断路器还可以组合成另一种断路器，称为“热磁式断路器”。
断路器保护：断路器被设计成快动或慢动。 断路器可能需要关断最大15倍额定电流的短路电流。 例如，一个30安的断路器在紧急情况下可能需要关断450安以上的电流。
断路器容量计算：断路器被设计成在其额定阈值的110%时跳闸。 这样就允许诸如电动马达中的启动电流等正常的短期过载。 举例来说，20安的断路器在电流超过22安之前不保证可以跳闸。 根据设计规格或安全法规要求的不同，断路器跳闸阈值可能有所变化。 为了避免停机和不必要的断路器跳闸，需要根据断路器的额定电流和脱扣电流来计算其容量。
对脱扣设定进行调整，使所讨论的断路器在过载时能够及时的并且在上游断路器动作之前跳闸。
建议选择针对负载特性设计的断路器。 例如，有些断路器具有“HCAR”额定值，这是用于制热、制冷和空调应用的额定值。 没有此特定额定值的断路器不应该用于HVAC系统。
具有延迟动作的断路器可能适用于重型电源负载，例如需要暂时吸收高浪涌电流的马达、变压器和空调机等。 断路器的额定值必须足够高，以防止因形成电弧而导致跳过开关的触点。
GFCI、ELCB、RCD：某些类型的断路器设计用于在检测到少量接地电流时使电路跳闸。 这些断路器被称为接地故障断路器（GFCI）、接地漏电保护器（ELCI）或剩余电流保护器（RCD）。 由于对电流过于敏感并且对可用性构成威胁，因此数据中心不使用GFCI单元；然而，在游泳池、浴室、厨房等潮湿环境中以及建筑工地上，它们却常用来保护人员免受电击。 大型数据中心使用电阻器组，将可能出现的接地电流限制在较安全的水平上，并保护人员免受电击。
下面，我们将讨论为什么方便插座在数据中心环境中如此重要。
方便插座是一种用于非计算机设备的插座。 对于数据中心环境可能需要的电子设备，必须为其提供这种可使用的额外插座；数据中心人员需要一个地方插入办公设备或照明装置，而不用担心使断路器跳闸或增加电源负担。 安装方便插座可以确保有足够的电源供应给关键负载，另外还有可能需要的额外电源。
下面，我们将讨论电气接地和接地环路等安全问题。
接地主要是一种防止电击的安全措施。 地线连接至设备金属壳体的外部，以防止设备内部的火线短路。 如果发生短路，地线会限制接触电压在30伏以下，并且为使分支回路断路器动作的过量电流提供返回路径。 有些电线没有接地，因此被称为火线。
当某一电气装置中不同位置的接地质量有变化时就会造成接地环路。 结果是电流的流动可能会在接地点之间形成预料之外的环路。 接地环路是一种潜在的危险情况。 防止形成接地环路的方法是确认电气装置中所有位置的接地质量。
现在，我们来讨论一下七类常见的电源问题及其解决方法。
瞬态：瞬态冲击是指导致电压和/或电流水平正向或负向增加的突发高峰值事件。 静电放电（ESD）和雷击都是瞬态冲击的例子。 瞬态冲击可以发生得很快，快到只有5纳秒，并且仅持续不到50纳秒。
举例来说，ESD的峰值电压可能达到8000伏以上，但仅持续 不到40亿分之一秒。 尽管如此，瞬态冲击的威力仍非常强大，足以损坏敏感的电子设备。
解决瞬态冲击问题的一种方法是运用一种瞬态电压浪涌抑制器（TVSS）。 TVSS是一种在瞬态能量到达敏感设备前将其吸收或将其与大地短接的设备。
马达启动或关闭通常会造成电源系统的瞬态振荡。 电压会快速升高到正常水平以上，然后在几个波浪周期内逐渐下降到正常水平。
中断：中断发生在电源出现暂时切断时。 有四种类型的中断： 瞬时（0.5个周期到30个周期）、短时（30个周期到2秒）、暂时（2秒钟到2分钟），以及持续（2分钟以上）。 不间断电源（UPS）在发生中断时可以提供短期备用电源。
电压暂降和欠电压：电压跌落或骤降是指交流电压在某一特定频率下持续降低0.5个周期到1分钟的时间。 电压跌落一般是由系统故障引起的，也经常因为负载的启动电流过大而发生。 电压跌落的常见原因包括启动大型负载，例如在第一次启动大型空调装置时，以及通过市电设备进行远程故障排除时可能发生的情形。 电源调节器和UPS可以补偿电压跌落或骤降。
根据IEEE的定义，欠电压是指“……在工频下，交流电压均方根值 （RMS）下降持续1分钟以上”。 造成欠电压的原因是产生电压跌落的长期问题。 在掌握此问题时通常使用“电压低落”这一术语，但是后来被“欠电压”所取代，因为“电压低落”还可以指长时间高电源需求时的商用电源输送策略，因此含义比较模糊。 欠电压可能会导致马达过热，并引起非线性负载故障，比如计算机电源故障等。 欠电压可能会使马达过热或使电源发生故障。 电源调节器和UPS可以补偿欠电压。
电压骤升和过电压：与电压暂降相反，电压骤升或浪涌是指交流电压持续上升0.5个周期到1分钟时间。 引起电压骤升的常见原因有：高阻抗中性点连接、负载突然减少，以及3相系统的单相故障。 当大型负载切换到系统之外时，也会经常发生电压骤升。 电源调节器和UPS可以补偿电压骤升。
根据IEEE的定义， 过电压是指“在工频下，交流电压均方根值 RMS持续上升几秒钟以上”。 当供电变压器档位设定不正确，以及在负载减少的情况下商用电源系统继续补偿不再需要的负载变化时，通常会发生过电压。 在电源需求随季节变化的地区，整个社区的电源需求在淡季会减少，此时通常会发生过电压。 过电压状况可能会造成高电流消耗、下游断路器的不必要跳闸，并且导致设备过热并使其承受过电压引起的应力。 电源调节器和UPS可以补偿过电压。
波形失真：波形失真有很多不同的原因。 当交流电源增加直流时会发生直流偏移。 直流偏移可能损坏电气设备，比如说会使马达和变压器等电气设备过热，从而造成其损坏。
谐波波形是另一种形式的波形失真。 谐波会以失真电流的形式出现在配电系统上。 必须牢记的是，不具备现代谐波校正功能的所有设备都应该在独立电气电路上加以隔离。
电压波动：电压波动是指电压波形的系统性变化或一系列小幅度的随机电压变化，即低频（通常低于25赫兹（ Hz））下标称电压的95～105%。 电源调节器和UPS可以补偿电压波动。
工频变化：频率变化在稳定的市电系统，尤其是通过电网互连的系统中极其少见。 当现场有专用的备用发电机或电源基础设施薄弱，尤其是发电机负载过重时，频率变化会经常发生。 IT设备具有频率容限能力，一般不受局部发电机频率微小变化的影响。
下面，我们将讨论数据中心的配电路径。
备用电源和配电：备用电源可以定义为当市电不可用时可向数据中心供电的任何电源。
备用电源的两种常见形式分别为利用电磁发电的机械发电机，以及利用蓄电池和燃料电池产生电流的电化学系统。 机械发电机系统提供大范围和小范围的电源，为整个城市或个别用途提供电源。 电化学发电一般用于更小的应用或暂时用途。
那么，数据中心是如何配电的？ 让我们来接着探讨这一概念。
电工经常会提到单线图。 单线图可以很简单，也可以很复杂。 它至少应显示出电气系统的主要电气组件以及它们之间是如何连接和互动的。
配电组件：此单线图显示了电源在数据中心是如何分配的，从服务器插头到插座条，再到配电单元（PDU），再到UPS，然后旁路到自动转换开关，再到主电源（市电），最后到紧急电源（发电机）。
我们来说明一下每个组件的功能。
市电为数据中心提供主电源。 在理想状况下，应从独立的开闭所或电网提供多路市电馈电。 尽管不是完全必要，但这样可以提供备用电源和冗余。
可以设置发电机形式的紧急、备用电源，以便在发生电源干扰时可以向数据中心组件以及空调等重要辅助设备的负载供电。
电路是电流流过的通路。 分支电路是主电源通过同一个主开关相连接的一条、两条或更多条电路。 每条分支电路应有自身的地线。 所有电线必须规格相同。
不间断电源或UPS是一种对不能意外关闭的某些重要设备持续供电的设备或系统。 UPS设备安装在商用市电等主电源与要保护的设备的主电源输入端之间，从而消除暂时停电和瞬时异常的影响。
自动转换开关是一种在电源干扰或旁路模式时自动将电源从一个电源切换到另一个电源的开关。 例如，当市电故障时，自动转换开关会立即切换到UPS或发电机电源。
配电单元（PDU）是一种配电设备，一般用于将高电压和电流降低到较常见和有用的比率，例如从220伏（V ）30安（A）单相降至多个110伏15安或110伏20安插头。 这种设备在计算机数据中心使用，有时具有对插头进行远程监视、控制的特点。 (请注意： 在很多国家，例如欧洲和亚洲的部分国家，220-240伏和400伏电压也很常见。）
插座条是一条插座，可以一次性插入多台设备，通常包括一个用于开启和关闭所有设备的开关。 在少数情况下，插座条上的所有插座甚至可以单独进行开关。 当很多电气设备相互之间靠得很近时，尤其是对于音频/视频和计算机系统，会经常使用插座条。
服务器插头是与插座或插孔相匹配的电源插头或其它类型的电气连接器，尤其适用于数据中心的电气或电子设备。 |
