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案例分析——論述UPS與ATS的電氣配合
  • ATS在UPS系統中的配套使用是非常普遍的,尤其在提供高可靠性的多機并聯系統前端,通常需要使用ATS在多市電輸入之間以及市電和發電機之間進行UPS輸入電力的切換和中斷保護。

    ATS(Automatic?transfer?switchingequipment,自動轉換開關)。主要用在緊急保障供電系統,將負載電路從一路電源自動換接至另一路(備用)電源的開關電器,以確保重要負荷可以連續、可靠運行。ATS常見為機械結構,轉換時間多為100ms以上。在IT設備,例如服務器前端無電力延續保護的情況下,直接使用會造成負載斷電。故常適用于照明、電機類負載的直接使用。
      
      ATS在UPS系統中的配套使用是非常普遍的,尤其在提供高可靠性的多機并聯系統前端,通常需要使用ATS在多市電輸入之間以及市電和發電機之間進行UPS輸入電力的切換和中斷保護。圖1給出了ATS用于UPS輸入電力的切換和中斷保護的示意圖。
      
      ATS一般由兩部分組成:開關本體和控制器。ATS是一種多型號的產品,根據國際標準IEC-60947-6規定,ATS的開關本體可分為PC級(整體式)和CB級(斷路器)兩個級別。
      
      ①PC級:一體式結構(三點式)。它是雙電源切換的專用開關,具有結構簡單、體積小、自身聯鎖、轉換速度快(0.2s內)、安全、可靠等優點,負載開關和接觸器雙投型的ATS都屬于PC級,本體只能作為自動轉換開關使用,不具備過載和短路以及其他保護功能,需要配備短路保護電器。
      
      ②CB級:配備過電流脫扣器的ATS,它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。它是由兩臺斷路器加機械聯鎖組成,具有過載、短路以及其它保護功能。
      
      工作極數上,ATS常見有3極切換和4極切換(帶N切換)兩種,其工作原理圖如圖2所示。在4極ATS的切換過程中,由于N線的切換很難與三個相線同步,成為故障發生的主要原因,所以在數據中心的供電系統中,通常采用3極ATS,而不用4極ATS。
      
      切換方式上,ATS分為先斷后通型和先通后斷型(中性線重疊切換)。
      
      作為電源切換類產品,ATS的發展經歷了接觸器類、MCCB塑殼開關類、負載隔離開關類和一體化自動切換開關類。在UPS系統中,均采用一體化自動切換開關。
      
      1 案例故障描述
      
      某電力公司數據中心機房使用三進三出120kVA?UPS一臺,配置有雙輸入市電并通過ATS切換供UPS輸入使用,系統工作近一年均正常。一日,主輸入A市電中斷,ATS切換至備用B市電,但在切換的同時,網絡管理人員發現由UPS供電的主服務器全部宕機,但非服務器設備例如顯示屏等工作正常,仔細觀察UPS,也顯示正常工作狀態。
      
      2 案例故障檢測
      
      經工程師現場檢測,客戶負載率為66%,其中A相電流114A;B相電流60A,C相電流78.6A。兩路市電經4極ATS切換后為UPS供電。
      
      查詢UPS?LOG記錄,在市電中斷和市電恢復(ATS斷電切換)之間,UPS記錄有逆變器輸出異常,逆變器關閉。
      
      3 案例故障分析——UPS配電前端使用ATS4極切換為本次故障的原因
      
      當市電A輸入中斷,ATS帶N切換,在切換的時間內,UPS視同正常電力中斷,自動保護啟動電池工作。但是在這個極短的切換并UPS啟動電池工作的時間內,整體UPS三相逆變器輸出系統是沒有零線的,圖3為正常的UPS三相逆變器的工作示意圖,N線正常。當N線中斷后,任意兩相負載對應的輸入將是三相輸出系統的線電壓,當負載三相并不平衡的時候,即會導致負載相電壓(逆變器輸出相電壓)輸出的不平衡,負載高的相位的相電壓就高,負載低的相位的相電壓就低,一旦超過逆變器的輸出電壓允許限值,將會導致UPS視同輸出故障,從而關閉UPS。
      
      當ATS切換完成后,后備B市電供電正常,N線也正常切換后接通,UPS此時將視同市電恢復,重新啟動,一切工作正常。但是由于服務器對供電中斷時間的要求,已經進入了宕機的進程中。
      
      4 案例故障解決方案
      
      更換UPS前端ATS,使用先通后斷型ATS,或者改造4極ATS為3極ATS,清除斷N風險。同時盡可能的將三相負載改造平衡。
      
      5 案例知識點和延伸
      
      ①在民用建筑實際應用中,TN-S配電系統(中國標準)斷N是較為常見的一種故障,但是危害往往非常大。例如在鄉村或者城市小區民用供電常常將一棟樓或者一個村莊作為單獨的相進行供電,一旦發生N線中斷(例如野外雷擊),常會導致負載高的某一棟樓或者某一個村莊供電電壓飆升,炸毀電燈等家用電器;而負載輕的樓或者村莊將會出現供電電壓不夠的情況(這個倒是相對安全,不會有什么大問題)。故障原理和上述我們的分析一樣;
      
      ②在通用的商業UPS系統中,因為非前后全隔離的架構,UPS前端的輸入N線通常是嚴禁中斷的,個別國外的廠家甚至在中小容量UPS內置的輸入開關中的N線使用銅排/銅管直聯的方式防止斷N;
      
      ③另外,在ATS輸入切N轉換時,因為N線的中斷以及ATS輸入兩個N線之間的差異,UPS邏輯控制電路有可能會失去參考點,在市電切換以及切換完成后,邏輯控制電路無法正常發出指令通知UPS切換成功,依舊保持了電池供電的錯誤指令,導致電池錯誤的放電完畢,最后在市電正常工作的情況下,UPS因為電池耗盡或預設電池工作時間完成而關機。在上述的案例中,情況嚴重時候,因為UPS系統邏輯控制點失去了參考點N線,甚至會導致逆變器炸毀的極端故障;
      
      ④在實際解決上述案例的工作中,我們常常會遇到客戶不愿意更換為先通后斷型的ATS(價格較為昂貴)。很多現場工程師只能折衷,在盡可能保證安全和減少資金再次投入的情況下,將原有的4極ATS改造為3極ATS,那么就會產生一個需要解決的問題:系統的N線如何選擇和如何保證連續。筆者在現場所見,通常的做法是將雙電源的N線短接,或者將一路N線去除,始終使用一路N線,特別是在雙市電輸入。在源頭實際為單市電通過兩個母線變壓器供電的電氣回路中,經常有此類改造。從電氣安全性上考慮,此類改造會有一定的缺陷,同時這種改造方法還需要注意以下兩點:一是很有可能會受到設計院或監理方的強烈反對,依據的標準為低壓規范施工的要求。實際上,根據筆者和低壓規范起草單位多名電氣專家的溝通,低壓規范在此類情況下,是和UPS的實際工作電氣要求有一定沖突的,是不能完全硬套這個規范執行的,這就需要和現場人員做好相關技術詳細的解釋工作,至少要知道使用4極帶N切換ATS是不可取的;另一方面,根據筆者的經驗,此類改造前建議測量兩個不同輸入的N線,保證壓差在2V以內,較為安全;
      
      ⑤很多UPS廠家在出現此類ATS的故障的時候,通常建議的解決方案為將三相負載改造平衡,增加輸入隔離變壓器。這是一種投入非常大的、比較“偷懶”的“方方面面都不得罪”的解決方案,很多時候并不一定完全需要,實際運作中因為涉及到大量資金的再次投入,也較為困難。
      
      6 結束語
      
      本案例中發生故障的原因是UPS配電前端使用4極ATS切換,解決方案是更換UPS前端ATS,使用先通后斷型ATS,或者改造4極ATS為3極ATS,清除斷N風險。同時盡可能的將三相負載改造平衡。
      
      作者簡介
      
      肖斌,現任羅格朗數據中心業務解決方案經理,高級工程師,多年從事數據中心產品市場、服務與應用技術支持,具備豐富的產品市場運作工作經驗,目前專注于數據中心整體解決方案的設計、規劃與建設。
      
      編輯:Harris
      
      

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