CN114822916A - 一种绝缘保护装置、数据中心保护方法和数据中心 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种绝缘保护装置、数据中心保护方法和数据中心，属于海底设备保护领域，解决了现有技术的装置保护海底数据中心时绝缘性能较差的缺陷。本发明绝缘保护装置包括保护装置本体，所述保护装置本体内填充有绝缘保护气体，所述绝缘保护气体以体积百分比计包括氧气0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质。本发明绝缘保护气体可提供良好的散热性能和绝缘性能，提高设备的可靠性，降低海底设备维护的频率。
Description
技术领域
本发明属于海底设备保护领域，具体涉及一种绝缘保护装置、数据中心保护方法和数据中心。
背景技术
数据中心包括高低压配电设备和服务器等多种设备，数据中心在海底应用时，需要将高低压配电设备和服务器等设备设置在保护罐体内。若直接在罐体内充入空气，这些设备在空气中由于氧气的浓度很大，容易引发高压带电部分绝缘老化，金属表面氧化后接触不好，特别是低压接触器、继电器、断路器、高压断路器等设备在打开或者闭合时产生大量的电弧；且设备在海底的密封条件下工作，散热较困难，大大降低设备的使用寿命。
现有的一些设备，如电力设备的开关柜，为了进行灭弧，在开关柜内部设置封闭的气箱，在气箱内填充SF6(六氟化硫)或纯氮气，高压带电导体封闭在气箱中。纯氮气的绝缘性能较差，而SF6虽然具有很好的绝缘性能以及灭弧能力，但SF6是一种温室气体，其地球温暖化系数是CO2分子地球温暖化系数的23900倍至26000倍，其对人类生活环境的影响将达到数百代，远胜CO2气体的恶劣影响。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服采用现有技术的装置保护海底数据中心时绝缘性能较差的缺陷，从而提供一种绝缘保护装置、数据中心保护方法和数据中心。
为此，本发明提供了以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种绝缘保护装置，包括保护装置本体，所述保护装置本体内填充有绝缘保护气体，所述绝缘保护气体以体积百分比计包括氧气0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质。
进一步的，绝缘保护装置为海底数据中心的绝缘保护装置。
进一步的，所述绝缘保护气体的压力为0.99～1.05Bar；
优选地，所述绝缘保护气体中的氧气以体积百分比计为1％，所述绝缘保护气体的压力为1Bar。
进一步的，所述保护装置本体内设置有气体浓度探测传感器，优选地，所述气体浓度探测传感器为氧气探测传感器。
进一步的，所述保护装置本体内设置有使所述绝缘保护气体在所述保护装置本体内循环的循环风扇。
进一步的，所述保护装置本体上设置有上充注口和下充注口，所述上充注口和下充注口在保护装置本体上对角设置。
进一步的，所述上充注口可拆卸的连接有第一管路，所述下充注口可拆卸的连接有第二管路，所述第一管路和第二管路远离所述保护装置本体的一端露出水面。
进一步的，所述下充注口为进气口，所述上充注口为出气口。
另一方面，本发明提供了一种数据中心的保护方法，包括以下步骤：
向海底数据中心外部的保护装置本体内充入氮气，并排出保护装置本体内的空气；当保护装置本体内氧气体积浓度达到0.9％～1.1％时，停止通入氮气，封闭保护装置本体。在一个实施例中，数据中心为海底数据中心。
进一步的，充入氮气时进气口的氮气压力为1.05～1.2Bar。
第三方面，本发明还提供了一种数据中心，包括上述的绝缘保护装置。
现有技术中，在单个设备内部设置的气箱仅是对单个的设备内部某器件进行的保护，气箱内不存在任何电子设备，在填充气体过程中，需先对气箱抽真空然后再充入SF6或者氮气等气体，而海底数据中心的罐体内部装有大量服务器及其他电子设备，是对所有罐体内的设备进行保护，如果对罐体抽真空，服务器等设备内部的电解电容、锂电池等可能会发生爆炸。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的绝缘保护装置，包括保护装置本体，所述保护装置本体内填充有绝缘保护气体，所述绝缘保护气体以体积百分比计包括氧气0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质。
氮气为不活泼气体，传热性能好，无毒无危害，具有良好的散热效果；且在氮气中含有0.9％～1.1％的氧气，在所有电气设备带电表面由于尖端放电后，0.9％～1.1％浓度的氧气被电离成为O3(臭氧)，包围在尖端周围，形成球形等离子场，使周围电场均匀分布，从而消除了尖端放电效应，并对设备自产生高压保护。本发明绝缘保护气体可对保护装置本体内的所有设备进行保护。本发明提供的绝缘保护气体具有良好的散热性能和绝缘性能，使其适用于在海底数据中心的应用，避免数据中心在海底使用时，由于内部设备高压带电部分绝缘老化，金属表面氧化后接触不好，产生大量的电弧，散热较困难等问题降低设备使用寿命，提高设备的可靠性，降低海底设备维护的频率。
2.本发明提供的绝缘保护装置，绝缘保护气体的压力为0.99～1.05Bar；优选地，所述绝缘保护气体中的氧气以体积百分比计为1％，所述绝缘保护气体的压力为1Bar。
抽真空或高气压都会对设备造成损伤，本发明绝缘保护气体为0.99～1.05Bar，优选地，绝缘保护气体的压力为1Bar，在充气过程中不需要抽真空或加压，避免绝缘保护气体对保护装置本体内设备造成损伤，保证了设备的可靠性，同时还简化了绝缘保护气体充注步骤、降低了成本。绝缘保护气体中的氧气以体积百分比计为1％时，绝缘性能最好。
3.本发明提供的绝缘保护装置，保护装置本体内设置有气体浓度探测传感器，气体充注时可实时监测保护装置本体内的气体成分变化，从而判断气体充注终点，气体充注完成后实时监测保护装置本体内的气体成分，可在当保护装置本体内绝缘保护气体成分发生变化，不满足要求时对绝缘保护气体成分进行调整。
4.本发明提供的绝缘保护装置，保护装置本体内设置有使所述绝缘保护气体在所述保护装置本体内循环的循环风扇。在充气前，打开循环风扇，使保护装置本体内的气体快速混合均匀，从而保证气体浓度探测传感器对保护装置本体内气体浓度监测的准确性。当停止充入气体，封闭保护装置本体后，循环风扇保持工作，使保护装置本体内的绝缘保护气处于循环状态，增大绝缘保护气体与设备的接触，提高散热性能。
5.本发明提供的数据中心的保护方法，不需要抽真空，也不需要加压，不仅不会对保护装置本体内设备造成损伤，还简化了步骤、降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是绝缘保护气体不同氧气含量的绝缘性能示意图；
图2是实施例1中充注绝缘保护气体时的结构示意图。
附图标记：
1-保护装置本体；2-上充注口；3-下充注口；4-第一管路；5-第二管路；6-第一阀门；7-第二阀门；8-第三阀门；9-第四阀门；10-减压阀。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
实施例1
本实施例公开了一种绝缘保护装置，包括保护装置本体1，示例性的，保护装置本体1为罐体或箱体，保护装置本体1内填充绝缘保护气体，绝缘保护气体以体积百分比计包括氧气0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质。
氢气、氦气、氩气、氖气、氧气、氮气和空气为较常见的气体，导热系数分别为0.163、0.144、0.0173、0.0455、0.0240、0.0228、0.0233，可以看出氢气和氦气的导热性能最好，但是这两种气体的单位体积密度低，能带走的热量较少，整体散热效果反而不好，氢气还有爆炸可能性，非常危险。氖气虽然导热性好，但绝缘性能差，氩气成本较高。
空气、氧气和氮气的散热性能较为接近。但空气中含有大量氧气，在开关合分闸的情况下会产生大量电弧，影响密闭空间的绝缘性，并造成设备老化；而在纯氧气时，在电弧出现的情况下，绝缘设备在纯氧气情况下都能燃烧。氮气为不活泼气体，绝缘性能高，对电气设备绝缘性能能达到很高要求，且氮气无毒无危害，因此氮气是最经济和理想的气体。但是纯氮气也有不足之处，就是在发生操作过电压或外部进线在雷雨天气情况下的过压情况时，会损坏10kV所有设备的绝缘性能。
10kV高压侧所带的电气设备或者低压侧会产生操作过电压，操作过电压情况下产生高压会很容易损害设备绝缘性能，原理是：设备带电表面不是球形时，就容易产生尖端放电，尖端放电对电气设备的危害性特别大，必须被有效抑制。本发明的绝缘保护气是在所有电气设备带电表面由于尖端放电后，氧气被电离成为O3(臭氧)，包围在尖端周围，形成球形等离子场，使周围电场均匀分布，从而消除了尖端放电效应，并对设备自产生高压保护。
当绝缘保护器中的氧气浓度较低时，电离产生的臭氧量不足以包围在尖端周围形成球形等离子场来保护电气设备；当氧气浓度较高时，电离产生的臭氧过多，臭氧也会导电，降低绝缘保护气的绝缘性能。因此，将氧气的体积浓度限定在0.9％～1.1％，氧气体积浓度为1％时，绝缘保护气体的绝缘性能最佳。
本发明数据中心的主要耗电设备为服务器，其余为配电设备，服务器的超大功率会产生大量的热量，单个保护装置本体1内的设备散热功率为0.56～1MW级，海底数据中心在封闭的环境下工作，散热困难，本发明绝缘保护气体综合考虑了绝缘保护气体散热和绝缘性能。在保证散热和绝缘最佳匹配下，绝缘保护气体氧气体积浓度为0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质，能达到海底所有电气设备安全运行的条件。在绝缘保护气体氧气体积浓度为1％时，绝缘保护气体绝缘性能为最佳散热性能：实测散热在153KW时温度仅升高8度/40M3。
绝缘保护气体的压力为0.99～1.05Bar，优选地，绝缘保护气体中的氧气以体积百分比计为1％，绝缘保护气体的压力为1Bar。
高低压配电设备、服务器均装在保护装置本体1内，绝缘保护气体用于保护保护装置本体1内的所有设备。通过抽真空或高压充注绝缘保护气体或充注后绝缘保护气体为高气压都会对保护装置本体1内的设备造成损伤，本发明绝缘保护气体为0.99～1.05Bar，在充气过程中不需要抽真空或加压，不仅不会对保护装置本体1内设备造成损伤，还简化了步骤、降低了成本。
保护装置本体1内设置有高低压配电设备和服务器设备，保护装置本体1内的设备形成高压区域和由控制和服务器区域所在的低压区域，保护装置本体1内整体均填充有绝缘保护气体，对保护装置本体1内的设备(包括高压区域和低压区域内的设备)均会形成保护。
为了在绝缘保护气体充注时监测保护装置本体1内的气体成分变化，从而判断气体充注终点，以及气体充注完成后实时监测保护装置本体1内的气体成分，以便保护装置本体1内绝缘保护气体成分发生变化，不满足要求时对绝缘保护气体成分进行调整，在保护装置本体1内设置有气体浓度探测传感器，示例性的，气体浓度探测传感器为氧气探测传感器。
进一步的，保护装置本体1内设置循环风扇。在充气前，打开循环风扇，使保护装置本体1内的气体快速混合均匀，从而保证气体浓度探测传感器对保护装置本体1内气体浓度监测的准确性。当停止充入气体，封闭保护装置本体1后，循环风扇保持工作，使保护装置本体1内的绝缘保护气处于循环状态，增大绝缘保护气体与设备的接触，提高散热性能。
为了实现绝缘保护气体的充注，保护装置本体1上设置有上充注口2和下充注口3。当上充注口2作为进气口时，下充注口3作为出气口；当下充注口3作为进气口时，上充注口2作为出气口。为了能够将保护装置本体1内的空气根据需求排出，精确控制保护装置本体1内充注气体的浓度，下充注口3连接保护装置本体1内最低位置，上充注口2连接保护装置本体1内最高位置，上充注口2和下充注口3在保护装置本体1上对角设置。在此条件下，氮气充注时，保护装置本体1内氧气的浓度可控制到0％。在一个具体实施例中，下充注口3为进气口，上充注口2为出气口，氮气从保护装置本体1底部充注到保护装置本体1内，保护装置本体1内的空气从顶部排出。
绝缘保护气体在陆地上充注或水下充注。为了实现绝缘保护气体的水下充注，以及当海底数据中心运行，保护装置本体1内绝缘保护气体含量监测不满足要求时对保护装置本体1内的气体进行调整或重新充注，上充注口2可拆卸的连接有第一管路4，所述下充注口3可拆卸的连接有第二管路5，第一管路4和第二管路5远离保护装置本体1的一端露出水面。充注氮气时，在上充注口2和下充注口3连接第一管路4和第二管路5，充注完成后，关闭上充注口2和下充注口3，拆卸第一管路4和第二管路5。
具体的，如图2所示，上充注口2处设置有第一阀门6，第一管路4包括第一软管，第一软管一端通过转接接头与第一阀门6连接，并通过转母固定；第一软管另一端设置有第二阀门7，第一软管和第二阀门7通过转母固定。下充注口3处设置有第三阀门8，第二管路5包括第二软管，第二软管一端通过转接接头与第三阀门8连接，并通过转母固定；第二软管另一端设置有第四阀门9，第二软管和第四阀门9通过转母固定。示例性的，第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8和/或第四阀门9为球阀。上充注口2和第一阀门6通过法兰连接，下充注口3和第三阀门8通过法兰连接。
充注气体采用常规高压气罐或杜瓦罐。在一个具体的实施例中，采用常规高压气罐充注气体，常规高压气罐与第二阀门7或第四阀门9之间设置有减压阀10。在另一个具体的实施例中，采用杜瓦罐充注气体，高压气罐与第二阀门7或第四阀门9之间设置有减压阀10，杜瓦罐与减压阀10之间设置有汽化器。
考虑到和上充注口2和下充注口3对角设置时，第一管路4和第二管路5的安装拆卸，尤其是在水下作业时，可能会造成不便。为了安装拆卸的便捷性，将上充注口2和下充注口3设置在保护装置本体1的同一侧，再在保护装置本体1内部设置分别与上充注口2和下充注口3连接的内管路，通过内管路将上充注口2连接至保护装置本体1内最低位置，上充注口2连接保护装置本体1内最高位置，此实施例中选择对角处的最高位置和最低位置。
进一步的，为了提高气体浓度探测传感器对气体含量监测的准确性，将气体浓度探测传感器设置在上充注口2和下充注口3之间的中心位置。
在一个具体实施例中，绝缘保护装置还包括连通保护装置本体1内外的散热器，散热器热端设置在保护装置本体1内部，散热器冷端设置在保护装置本体1外部。带走保护装置本体1内高低压配电设备、服务器运行产生的热量后的绝缘保护气温度升高，升温后的绝缘保护气体通入散热器热端进行热交换，将吸收的热量散出。示例性的，散热器冷端通入海水换热。
实施例2
本实施例一种数据中心保护方法，采用实施例1的保护装置，在水下充注，包括以下步骤：
在上充注口2连接第一管路4，下充注口3连接第二管路5，第一阀门6、第二阀门7、第三阀门8、第四阀门9均处于开启状态，开启保护装置本体1内的循环风扇。
通过下充注口3向保护装置本体1内充入氮气，调节减压阀10压力在3～10Bar，氮气进入第二管路后空间增大，气压降低，使进气口处的氮气压力为1.05～1.2Bar，保护装置本体1内原来的空气通过上充注口2排出；当保护装置本体1内氧气体积浓度达到1％时，停止通入氮气，关闭第一阀门6和第三阀门8封闭保护装置本体1。将第一管路4和第二管路5拆除。
在本实施例中，调节减压阀10压力在5Bar，氮气进入第二管路后空间增大，气压降低，使进气口处的氮气压力为1.1Bar，当保护装置本体内氧气体积浓度达到1％时，充注完成，此时，保护装置本体1内的压力为1～1.05Bar，关闭上充注口2和下充注口3。
实验例1
考察不同浓度的氧气对于绝缘水平的影响，按国标GB311.2GB311.6高电压试验技术测试不同气体下距离20mm时尖端放电的绝缘水平。
表1不同氧气含量下绝缘保护气体的绝缘性
结果见上表和图1所示，氧气浓度为0.9-1.1％时，绝缘水平良好，为7.6KV～8.0kV，氧气体积含量为1％时最佳，为8.0kV。
实验例2
在1bar气压下同等容积100m3下，考察不同成分的气体对于散热功率的影响，结果如表2所示。当氧气体积浓度为1％时，气压为1Bar时，本发明绝缘保护气体的散热功率相较于纯氮气和空气更佳。
表2不同成分的气体的散热功率
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种绝缘保护装置，其特征在于，包括保护装置本体，所述保护装置本体内填充有绝缘保护气体，所述绝缘保护气体以体积百分比计包括氧气0.9％～1.1％，其余为氮气和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述绝缘保护气体的压力为0.99～1.05Bar；
优选地，所述绝缘保护气体中的氧气以体积百分比计为1％，所述绝缘保护气体的压力为1Bar。
3.根据权利要求1所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述保护装置本体内设置有气体浓度探测传感器，优选地，所述气体浓度探测传感器为氧气探测传感器。
4.根据权利要求1-3任一项所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述保护装置本体内设置有使所述绝缘保护气体在所述保护装置本体内循环的循环风扇。
5.根据权利要求1-3任一项所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述保护装置本体上设置有上充注口和下充注口，所述上充注口和下充注口在保护装置本体上对角设置。
6.根据权利要求5所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述上充注口可拆卸的连接有第一管路，所述下充注口可拆卸的连接有第二管路，所述第一管路和第二管路远离所述保护装置本体的一端露出水面。
7.根据权利要求5所述的绝缘保护装置，其特征在于，所述下充注口为进气口，所述上充注口为出气口。
8.一种数据中心的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
向数据中心绝缘外部的保护装置本体内充入氮气，并排出保护装置本体内的空气；当保护装置本体内氧气体积浓度达到0.9％～1.1％时，停止通入氮气，封闭保护装置本体。
9.根据权利要求8所述的数据中心的保护方法，其特征在于，充入氮气时进气口的氮气压力为1.05～1.2Bar。
10.一种数据中心，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的绝缘保护装置。
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