UPS配電前端使用ATS4極切換故障的原因分析

ATS(Automatic?transfer?switching equipment,自動轉換開關)。主要用在緊急保障供電系統(tǒng),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(xù)、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(xù)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(tǒng)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(lián)系統(tǒng)前端,通常需要使用ATS在多市電輸入之間以及市電和發(fā)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(chǎn)品,根據(jù)國際標準IEC-60947-6規(guī)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。

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PC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(lián)鎖、轉換速度快(0.2s內)、安全、可靠等優(yōu)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。

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CB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(lián)鎖組成,具有過載、短路以及其它保護功能。

工作極數(shù)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(fā)生的主要原因,所以在數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)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(chǎn)品,ATS的發(fā)展經(jīng)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(tǒng)中,均采用一體化自動切換開關。

案例故障描述 ?

某電力公司數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wǎng)絡管理人員發(fā)現(xiàn)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(tài)。

案例故障檢測 ?

經(jīng)工程師現(xiàn)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(jīng)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。

UPS配電前端使用ATS4極切換故障的原因 ?

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(tǒng)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(tǒng)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(jīng)進入了宕機的進程中。

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。

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(tǒng)(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(xiāng)村或者城市小區(qū)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(fā)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(xiàn)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;

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在通用的商業(yè)UPS系統(tǒng)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(lián)的方式防止斷N;

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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(fā)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(tǒng)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;

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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(xiàn)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(chǎn)生一個需要解決的問題:系統(tǒng)的N線如何選擇和如何保證連續(xù)。筆者在現(xiàn)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(jīng)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(jiān)理方的強烈反對,依據(jù)的標準為低壓規(guī)范施工的要求。實際上,根據(jù)筆者和低壓規(guī)范起草單位多名電氣專家的溝通,低壓規(guī)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(guī)范執(zhí)行的,這就需要和現(xiàn)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(jù)筆者的經(jīng)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;

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很多UPS廠家在出現(xiàn)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。

結束語

本案例中發(fā)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(xiàn)任羅格朗數(shù)據(jù)中心業(yè)務解決方案經(jīng)理,高級工程師,多年從事數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品市場、服務與應用技術支持,具備豐富的產(chǎn)品市場運作工作經(jīng)驗,目前專注于數(shù)據(jù)中心整體解決方案的設計、規(guī)劃與建設。

編輯：黃飛

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