凭栏听音,化险为夷——配电系统中的电磁隐患案例解析

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凭栏听音,敏感于心

对于IDC运维人员来说,声音是日常巡检维护中不可忽视的信息源。以配电系统为例,变压器、低压配电柜、UPS运行都可能产生明显的噪音,通常认为是由于电流过大引起,并以噪声是否稳定一致作为判断设备运行是否正常的标准。

某日,一个老旧数据中心内,在例行巡检过程中,巡检人员发现机房所在楼层有较为明显的噪音,却无法定位声源和原因。于是IDC运维人员对邻近楼层进行了排查,并在该机房楼层角落的备件仓库找到了声源(该仓库距离巡检人员听到声音的位置隔着2道门,可以想像噪音有多大),然而初步排查却发现仓库并没有运营设备,那么这异响究竟从何而来?一时间疑窦重重,不知所以。

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顺藤摸瓜,水落石出

根据噪音的强度变化,IDC运维人员立马再次对仓库进行了全面排查,此时角落的两个强电线槽引起了大家的注意,仔细观察发现:两个线槽存在剧烈震动,进而引起吊装的天花板共振,同时线槽表面温度高达40℃以上。

经过初步分析排除短路,并怀疑是涡流引起震动,但为何会有如此强的异响?为了查明具体原因,现场拆掉线槽盖板,并对电缆进行检查发现:线缆表面温度很高,有些位置甚至有鼓包和渗油现象;同时,当拆掉线槽盖后震感和噪音都明显减小,温度也在逐步降低。 在接下来的排查中还发现一个特别的现象,震动最强的位置是竖向跨楼层的一段线槽,而横向的线槽震动却非常小。其中唯一不同之处是横向线槽只有一个,之后一分为二延伸至两个竖向线槽;横向线槽内的28条线缆分别以16条、12条各为一组,布放于两个竖向线槽内(这是一段跨楼层的线缆,共计2组;相线零线各3根,地线2根,一组线是14根)。

至此,震动和噪音的原因已经初步探明为涡流。然而让人疑惑的是,为何震动如此之大?为何拆除线槽盖板后震动和温度都显著下降?

图1 线槽于线缆布放示意图

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抽丝剥茧,其义自现

此前我们讲到,变压器、低配柜、UPS运行产生噪音大多归咎于电流过大;但是对于承载大电流的线缆,通常很少出现震动和异响,平时很容易缺乏关注,因而出现上面的疑惑。下面笔者为大家分析其原理:

图2 基尔霍夫电流定律

根据基尔霍夫电流定律可以得知蓝色框内(可想像为一段线槽)的一组线缆,在任何时刻通过的电流之和为零。

图3 磁场强度中和为零

图4 缺相后磁场强度不为零

我们再换个方向从线缆的横切面来看磁场的方向,电流总和为零,那么产生的磁场强度也会互相抵消非常接近于零。如果出现缺相,那么电流总和将不为零,则感应磁场的强度必然不为零。

因此,根据此前槽内的线缆数量可以看出,同一组线缆在竖向走线时放到了不同的线槽内,这就必然导致同一个线槽内的电流之和不为零,那么对应磁场强度也就不为零。

线槽为金属,本身会受到磁力的影响,当线缆内的交流电以50Hz的频率频繁变换磁场方向时,金属线槽便会受到磁力的影响产生震动;同时多条线缆之间的磁场由于无法抵消也会相互影响引起线缆自身的震动,故而会有如此剧烈的震动。

图5 感应电流计算公式

接着第二个问题,需要注意的是当线槽盖合上时,线槽相当于在磁场周围形成了一个闭合的导体。根据电磁感应定律,闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流。剧烈震动的封闭线槽好比多条绑扎在一起的线圈在快速的做切割磁感线的运动,导体内部形成了电流并加热线槽。当拆掉盖板后,磁场影响到的金属面积小了,震动也就小了。没有了闭合导体这一条件,电流的加热效应也随之消失。

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对症下药,化险为夷

基于以上分析,我们对线槽进行了整改,将所有线缆都移到同一线槽内,结果如预想一样震动变得非常轻微,而且只有在靠近线缆时才能听到些许微弱的声音。

为什么在正常情况下低压配电柜的噪声会比线槽大的多?我们知道线槽震动微小是因为线缆的大部分磁场都相互抵消了,但配电柜内由于每根母线之间为防止短路而增加了距离,且通常会以90度角转折,磁场无法有效抵消,所以母排震动最强的位置往往是在转角接驳处。而变压器之所以比低压配电柜噪声更大,其中低压侧铜排一字排开,距离更远也是原因之一。

再回到此次隐患案例,导致此次隐患的原因是机房二期扩容时新增的线槽空间太小,施工人员将两组线缆分别布放在不同的线槽内。而这次问题的位置也刚好在日常巡检路线之外,因为负载增加引起了更大的噪声才被发现;如若负载继续增加,很有可能引起线槽加热将线缆绝缘层熔化而引起短路甚至是火灾!

因此,在机房建设、扩容中,我们需要加强对线路的关注。在配电系统定期例行的巡检项中除了开关、电容、母排连接点这类风险较高的节点外,线路连接段通常是容易被忽略的,亦有必要进行全面的检查。

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原文发布于微信公众号 - 腾讯数据中心(Tencent_IDC)

原文发表时间:2016-06-17

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