數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施必備知識(shí)：數(shù)據(jù)中心ATSE系統(tǒng)

本期內(nèi)容 一、什么是ATSE

二、ATSE結(jié)構(gòu)分析及工作原理

三、ATSE的分類

四、ATSE的切換

五、數(shù)據(jù)中心ATSE常見組網(wǎng)形式

六、ATSE應(yīng)用

一什么是ATSE

ATSE是Automatic Transfer Switching Equipment(自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器)的縮寫，習(xí)慣上稱為ATS，由一個(gè)(或幾個(gè))轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其他必需的電器組成，用于監(jiān)測(cè)電源電路(失電壓、過電壓、欠電壓、斷相、頻率偏差等)，并將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另外一個(gè)電源的電器。

ATS作為一個(gè)獨(dú)立的低壓開關(guān)種類，被廣泛用于兩路電源間的自動(dòng)切換，以確保重要負(fù)載電源的連續(xù)供應(yīng)。主要適用于低壓供電系統(tǒng)，即額定電壓交流不超過1000V，直流電壓不超過1500V。數(shù)據(jù)中心中ATS主要應(yīng)用于緊急供電系統(tǒng)，一般單獨(dú)或組網(wǎng)完成市電之間或市電與柴油發(fā)電機(jī)之間的電源切換。作為數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)中重要的配電設(shè)備，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的可靠性將直接影響到供電系統(tǒng)的冗余架構(gòu)是否能夠發(fā)揮作用，關(guān)系到整個(gè)配電系統(tǒng)的可靠性。

二 ATSE結(jié)構(gòu)分析及工作原理

ATSE一般由開關(guān)本體、驅(qū)動(dòng)/保持機(jī)構(gòu)、控制器三部分組成。

1、開關(guān)本體：指主觸頭的結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)靜觸頭連接方式、觸頭壓力、同步性、超程、動(dòng)觸頭開啟速度、滅弧方式等。

2、驅(qū)動(dòng)/保持機(jī)構(gòu)：使觸頭完成閉合、開啟的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它有3種方式：電磁直接啟動(dòng)/保持(如接觸器)、勵(lì)磁+連桿傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)/機(jī)械保持、減速電動(dòng)機(jī)+傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)/機(jī)械保持。

3、控制器：從僅有單相缺相相控制功能到具有超過ATSE預(yù)設(shè)定的參數(shù)要求的參數(shù)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)定、顯示、帶同通信接口等功能，差別很大。

一個(gè)高可靠性的ATSE，必須是以上3個(gè)部分都同時(shí)達(dá)到相應(yīng)水平，任何一個(gè)部分的缺陷就是整個(gè)ATSE的缺陷。

ATSE操作程序由兩個(gè)自動(dòng)切換過程組成，如果常用電源被檢測(cè)到出現(xiàn)偏差，就自動(dòng)將負(fù)載從常用電源切換至備用電源;如果常用電源恢復(fù)正常，則自動(dòng)將負(fù)載轉(zhuǎn)換到常用電源。轉(zhuǎn)換時(shí)可有預(yù)定的延時(shí)或無延時(shí)，并可處于一個(gè)斷開位置。在存在常用電源和備用電源的情況下，ATSE應(yīng)制定一個(gè)常用常用電源位置。

按照ATSE的定義，電源自投、復(fù)歸(自動(dòng)復(fù)歸或自動(dòng)延時(shí)復(fù)歸)切換過程是全自動(dòng)的。

三 ATSE的分類

根據(jù)GB/T14048.11-2016，ATSE可分為PC級(jí)或CB級(jí)兩個(gè)級(jí)別。

◎PC級(jí)：能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流的ATSE。

◎CB級(jí)：配備過電流脫扣器的ATSE，其主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

這兩個(gè)級(jí)別的主要區(qū)別就是有無短路電流分段能力。詳細(xì)點(diǎn)說就是CB型ATSE由兩臺(tái)斷路器加機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)組成，具有短路保護(hù)功能;PC型ATSE為一體式結(jié)構(gòu)(三位式：常用、0位、備用1)，是雙電源切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快(0.2s)、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn)，能夠接通、承載但不能用于分?jǐn)喽搪冯娏鳎枰鋫涠搪繁Ｗo(hù)電器。

CB級(jí)ATSE配備過電流脫扣器，其主觸頭能夠接通/分?jǐn)喽搪冯娏?。它是由兩臺(tái)斷路器加機(jī)械連鎖組成，具有短路保護(hù)功能;控制器用來檢測(cè)(兩路)被監(jiān)測(cè)電源的工作狀況。當(dāng)被監(jiān)測(cè)的電源發(fā)生故障(任意一相斷相、欠電壓、失電壓或頻率出現(xiàn)偏差)時(shí)，控制器發(fā)出動(dòng)作指令，開關(guān)本體帶著負(fù)載從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源。

四 ATSE的切換

按照最新IEC標(biāo)準(zhǔn)60947-6-1:2013，根據(jù)操作方式和恢復(fù)供電后開關(guān)復(fù)歸方式的不同，可分為手動(dòng)操作轉(zhuǎn)換開關(guān)(Manually Operated Transfer Switching Equipment, MTSE)和遠(yuǎn)程操作轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(Remote Operated Transfer Switching Equipment,RTSE)兩類，統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(Transfer Switching Equipment, TSE)。無論是PC級(jí)還是CB級(jí),都必須有可靠的電氣與機(jī)械聯(lián)鎖，保證常用電源和備用電源不會(huì)同時(shí)接通，而且相與相之間要有效隔離，避免相間短路。

1、二段式與三段式選擇

根據(jù)主觸頭數(shù)量，PC級(jí)ATS可以分為二段式和三段式。

二段式ATSE開關(guān)主觸頭僅有兩個(gè)工作位，即“常用電源位”與“備用電源位”，負(fù)載不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)期斷電情況，供電可靠性高，轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間快。

三段式ATSE開關(guān)主觸頭有3個(gè)工作位，多了一個(gè)“零位”，即主觸頭處于空檔，負(fù)載斷電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，是二段式斷電時(shí)間的2—3倍。

三段式的“零位”主要用于ATSE帶高感抗或大電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，為避免沖擊電流做“暫態(tài)停留”之用，而非用于負(fù)載維修時(shí)隔離之用。維修時(shí)的隔離一定要選擇隔離開關(guān)。

市電與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用ATSE，常見三段式ATSE?？紤]到柴油發(fā)電機(jī)在接收到啟動(dòng)型號(hào)后，到能夠輸出平穩(wěn)的電能這個(gè)過程需要一個(gè)時(shí)間，而具體到某個(gè)機(jī)房是該用二段式還是三段式，還應(yīng)根據(jù)自身的情況來考慮。

2、ATSE動(dòng)作時(shí)間選擇

衡量一臺(tái)ATSE轉(zhuǎn)換速度有5種動(dòng)作時(shí)間。ATSE應(yīng)向用戶至少提供一種動(dòng)作時(shí)間，以便用戶依據(jù)使用要求進(jìn)行選擇。

1)觸頭轉(zhuǎn)換時(shí)間：測(cè)定從第一組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉合備用電源為止的時(shí)間。

2)轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間：測(cè)定從主電源被監(jiān)測(cè)到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時(shí)間(含機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間)，不包括特意引入(控制器)延時(shí)。

3)總動(dòng)作時(shí)間：轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間與特意引入(控制器)的延時(shí)之和。

4)返回轉(zhuǎn)換時(shí)間：從常用電源完全恢復(fù)正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時(shí)間。

5)斷電時(shí)間：測(cè)定從各相電弧最終熄滅的瞬間起至主觸頭閉合另一個(gè)電源為止的轉(zhuǎn)換過程時(shí)間，包括特意引入的延時(shí)。

一般用戶應(yīng)注重“總動(dòng)作時(shí)間”或“轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間”，以滿足不同配電系統(tǒng)使用要求。

二位式PC級(jí)ATSE總動(dòng)作時(shí)間一般在50—250ms。

三位式PC級(jí)ATSE總動(dòng)作時(shí)間一般在350—600ms。

CB級(jí)ATSE總動(dòng)作時(shí)間一般在2000—3000ms。

3、三極與四極的選擇

ATS按切換開關(guān)極數(shù)主要分三極和四極，所謂三極還是四極，指的是轉(zhuǎn)換開關(guān)是不是轉(zhuǎn)換零線，其中四極中還分零線非重疊切換功能和帶零線重疊切換功能。

在數(shù)據(jù)中心，給IT設(shè)備供電的路徑基本為：ATSE+ UPS+IT設(shè)備。零線非重疊切換功能的ATSE，在主用電源異常、啟動(dòng)備用電源、ATSE執(zhí)行切換操作的過程中，ATSE后端設(shè)備相線及零線與前面兩路輸入電源系統(tǒng)有一個(gè)斷開過程，即ATSE輸出部分與輸入部分完全斷開。在這個(gè)時(shí)間內(nèi)UPS通過蓄電池放電給負(fù)載供電，保證IT負(fù)載不斷電運(yùn)行。由于UPS輸出端零線一般是直接接輸入端，來源于電網(wǎng)零線，而電網(wǎng)零線已經(jīng)斷開，那么UPS輸出零線處于“懸浮”狀態(tài)，零線電位產(chǎn)生漂移，因此零電位懸浮會(huì)直接反應(yīng)到后端的IT設(shè)備上，極有可能造成IT設(shè)備工作異常或者斷電。

在數(shù)據(jù)中心一般選擇PC級(jí)三段式帶零線重疊切換的四極ATSE開關(guān)。這是因?yàn)殚_關(guān)中的零線切換，是與相線切換不同的。相線切換采用的是先斷后通策略，零線切換采用的是先通后斷的策略。避免出現(xiàn)零地電位瞬時(shí)漂移。

五 數(shù)據(jù)中心ATSE常見組網(wǎng)形式

數(shù)據(jù)中心ATSE的應(yīng)用主要集中在不同市電之間、柴油發(fā)電機(jī)之間的切換。下面列出在工程實(shí)踐中最為常見的4種情況。

1、單一市電與單一備用發(fā)電機(jī)切換方案

2、一路市電與兩臺(tái)備用發(fā)電機(jī)切換方案

3、兩路市電與單一備用發(fā)電機(jī)切換方案

4、兩路市電與多臺(tái)備用發(fā)電機(jī)切換方案

六 ATSE的應(yīng)用

1、ATSE對(duì)于數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用場(chǎng)景，我們一般是在UPS前端或制冷系統(tǒng)供電前端外市電切換或者柴油機(jī)切換。對(duì)切換時(shí)間的容忍程度比較高，從幾十毫秒的量級(jí)到幾秒的量級(jí)也是可以承受的。

2、在數(shù)據(jù)中心，基本上都采用TN-S三相五線制接地系統(tǒng)，即三根相線L，零線N，保護(hù)地線PE。三極式ATSE只切換相線，四極式ATSE同時(shí)切斷相線和零線。如果兩路輸入電源來自同一接地系統(tǒng)(兩套系統(tǒng)中性線有共同接地點(diǎn))，那么ATSE可以選用三極式;如果兩套輸入電源來自兩套不同的接地系統(tǒng)(兩套系統(tǒng)的中性線接地點(diǎn)不同),應(yīng)采用四極ATSE。

3、ATSE作為重要的轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備，對(duì)可靠性要求極高，一旦ATSE故障，可能產(chǎn)生較大范圍影響。為解決ATSE單點(diǎn)故障，首選在供電方案上可以采用系統(tǒng)冗余方案，保證出現(xiàn)任何一個(gè)故障系統(tǒng)依然可以安全運(yùn)行。其次在ATSE部分提高產(chǎn)品可靠性，在大型數(shù)據(jù)中心的電源切換部分，推薦采用帶旁路隔離開關(guān)型ATSE，在ATSE故障情況下，臨時(shí)利用隔離旁路給負(fù)載供電，而故障ATSE本體可以維修，系統(tǒng)不會(huì)斷電。

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上PC級(jí)ATSE存在兩種常用類別：AC-31和AC-33。AC-31的接通能力為1.5Ie,一般為配電電器常用的使用類別;而AC-33的接通能力為10Ie，一般為控制電器常用的使用類別。

因此，在數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用中，考慮到UPS輸入端呈感性負(fù)載特性，尤其是工頻UPS設(shè)備，其前端的ATS還是選擇AC-33A更為可靠一些，而對(duì)于空調(diào)供電系統(tǒng)切換的ATS設(shè)備，就更應(yīng)該選用AC-33A了。

審核編輯：湯梓紅