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1、 无限制 I Siemens 2025 2 目录目录 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 8.参考文献 21 附录：保护配合案例分析 无限制 I Siemens 2025 3 1.背景背景 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。图 1：NVIDIA 参考直流配电架构示意图 1 与传统三相交流配电系统相比，直

2、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

3、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

4、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

5、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。电源#1 电源#2 电源#3 电源#4 电源#5 DR分布式冗余配置分布式冗余配置 17.5 MW 功率功率容量容量 中压整

6、流器或中压整流器或 固态变压器固态变压器 直流配电直流配电柜柜#1 本地储能单元 本地储能单元 本地储能单元 本地储能单元 本地储能单元 本地储能单元 配电柜#2 配电柜#3 配电柜#4 配电柜#5 配电柜#3 配电柜#2 配电柜#4 本地储能单元 本地储能单元 配电柜#2 配电柜#5 配电柜#2 配电柜#5 配电柜#4 配电柜#3 配电柜#3 配电柜#5 配电柜#4 至 CDU 及 IT 支撑设备 隔离隔离 分断与保护分断与保护 服务器机柜（共服务器机柜（共10台台 机柜，单机柜总功率机柜，单机柜总功率 1.1 MW）直流配电板#2 直流配电板#3 直流配电板#4 直流配电板#5 无限制 I