自动转换开关(ATS)在数据中心配电系统中的应用
數(shù)據(jù)中心的配電系統(tǒng)絕大部分都涉及兩路外市電相互之間的切換或者外部供電與柴油發(fā)電機(jī)組之間的切換。這些切換動(dòng)作一般是由自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這樣看來(lái),自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)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。
一、什么是自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)
根據(jù)GB/T14048.11-2002《自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器》的定義,自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)備(Automatic Transfer Switching Equipment),是指由一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器和其他必需的電器組成,用于監(jiān)測(cè)電源電路,并將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一路電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電源的電器。
二、ATS的分類
從分類上來(lái)看,主要分為PC型和CB型。其中:
PC型是指PC型ATSE是指能夠接通、承載,但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯腁TS;
CB型ATS配備過(guò)電流脫扣器,其觸頭能接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏?#xff1b;
這么說(shuō)有點(diǎn)不夠具體。詳細(xì)點(diǎn)說(shuō)就是CB型ATS由兩臺(tái)斷路器加機(jī)械連鎖機(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)(三點(diǎn)式),是雙電源切換的專用開(kāi)關(guān),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小,自動(dòng)聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)換速度快、安全、可靠等優(yōu)點(diǎn),但PC型ATS需要配備短路保護(hù)電器。
上面這個(gè)圖中就是一個(gè)比較常見(jiàn)的斷路器式CB型ATS,可以清楚的看出來(lái)這是由斷路器和相應(yīng)的控制器組成的。
?這個(gè)是PC型ATS典型的內(nèi)部結(jié)構(gòu),看起來(lái)里面是什么就沒(méi)那么清晰了,其實(shí)基本原理是這樣的:
具體怎么工作的,我就不細(xì)說(shuō)了,這個(gè)圖還是很簡(jiǎn)單的。
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發(fā)電機(jī)切換,因此,對(duì)于切換時(shí)間的容忍程度相對(duì)較高,從幾十毫秒的量級(jí)到幾秒的量級(jí)也都是可以承受的。所以,我個(gè)人覺(jué)得切換時(shí)間不應(yīng)該作為CB型和PC型選擇的主要依據(jù)。那么,在選擇的時(shí)候我們應(yīng)該關(guān)注什么呢?我認(rèn)為主要應(yīng)該從可靠性角度來(lái)衡量。
從結(jié)構(gòu)上以及實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)上看,PC型ATS設(shè)備由于采用了一體化設(shè)計(jì)以及相對(duì)可靠的接觸器式結(jié)構(gòu),一般來(lái)說(shuō)可靠性更高一些,在數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域應(yīng)用也更為廣泛。當(dāng)然,PC型的也貴一些。?
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三、PC型ATS設(shè)備在數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)里應(yīng)用的要點(diǎn)
1、短路保護(hù)電器的使用
??? 在前面已經(jīng)提到了,PC型ATS設(shè)備不具有斷開(kāi)短路電流的能力,因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,其上下游要合理配置相應(yīng)的短路保護(hù)電器,也就是斷路器、熔斷器等。
2、短路耐受電流
PC型ATS不具備保護(hù)能力,在發(fā)生短路故障時(shí),要在一定的時(shí)間內(nèi)可以忍受一定的短路電流通過(guò),這個(gè)值在國(guó)標(biāo)GB14048.11中是這樣要求的:
額定電流/A | 耐受時(shí)間/s | 耐受電流/kA |
Icw<100 | 0.03 | 5 |
100≤Icw<400 | 0.03 | 10 |
400≤Icw<500 | 0.06 | 10 |
500≤Icw<1000 | 0.06 | 20Ie |
1000≤Icw | 0.06 | 20Ie或50(取較低值) |
當(dāng)然這個(gè)僅僅是國(guó)標(biāo)中的最低要求,具體需要ATS耐受多大的電流還是要通過(guò)短路電流計(jì)算得出的。
3、額定短時(shí)耐受電流值
在國(guó)標(biāo)中對(duì)于ATS設(shè)備比較常見(jiàn)的有兩種使用類別:AC-31A和AC-33A,他們主要的區(qū)別在于額定短時(shí)耐受電流值上。
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I/Ie | U/Ue | Cos | 通電時(shí)間/s | |
AC-31A | 1.5 | 1.05 | 0.05 | 0.05 |
AC-33A | 6 | 1.05 | 0.05 | 0.05 |
?
由于上面的特點(diǎn),AC-31A適用于交流、頻繁操作、無(wú)感或微感負(fù)載;AC-33A適用于交流、頻繁操作、電動(dòng)機(jī)負(fù)載等。
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)于用于空調(diào)供電系統(tǒng)切換的ATS設(shè)備,那就更應(yīng)該選用AC-33A了。
?
4、二位式與三位式的選擇
二位式ATSE主觸頭僅有“常用電源位”與“備用電源位”,轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間快,供電可靠性高。
三位式ATSE有多個(gè)“零位”,主要用于帶高感抗或大電動(dòng)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,即主觸頭處于空擋,負(fù)載斷電時(shí)間是二位式的2—3倍。
在以往較為常見(jiàn)的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),市電與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換用的ATSE,可使用三位式ATS。這里面主要考慮到柴油發(fā)電機(jī)在接收到啟動(dòng)信號(hào)后,到能夠輸出平穩(wěn)的電能這個(gè)過(guò)程需要一個(gè)時(shí)間,因此可以考慮三位式的ATS設(shè)備。而具體到某個(gè)機(jī)房是該用二位式還是三位式,還應(yīng)該根據(jù)自身的情況來(lái)考慮。
5、三極還是四極
所謂三級(jí)還是四級(jí),指的是轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)是不是轉(zhuǎn)換零線。這個(gè)問(wèn)題在規(guī)范中是有較為明確的說(shuō)明的
根據(jù)IEC 456.1.5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:
(1)正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間若不是同一接地網(wǎng)絡(luò)時(shí),轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)該選用四極開(kāi)關(guān);
(2)帶剩余電流保護(hù)的雙電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)采用四極開(kāi)關(guān)。
(3)兩種不同接地系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)選用四極開(kāi)關(guān)。
對(duì)于一般的數(shù)據(jù)中心機(jī)房來(lái)講,還是以四極轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)為主。四極開(kāi)關(guān)中的零線切換,是與相線切換不同的。這是因?yàn)橄嗑€的切換采用的是先斷后通策略,而零線一旦斷開(kāi)將會(huì)使得后端供電系統(tǒng)零電位懸浮,而UPS輸出端的零線一般都是直接接輸入端,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。
所以,四級(jí)的ATS在切零線時(shí)是采用先通后斷的策略。
6、最好是配置旁路
旁路的主要作用是能夠在ATS設(shè)備維護(hù)或者故障處理時(shí),可以對(duì)后端負(fù)載繼續(xù)供電,這一點(diǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)中心機(jī)房供電是尤為重要的。
7、延時(shí)值的設(shè)定
在負(fù)載切換過(guò)程中,尤其是將負(fù)載切至柴油發(fā)電機(jī)組時(shí)和制冷系統(tǒng)供電切換時(shí),我們不希望把全部負(fù)載一下子都加上,而是想要一個(gè)逐步增加負(fù)載的過(guò)程,這個(gè)時(shí)候可以考慮利用多臺(tái)ATS設(shè)備切換并設(shè)置不同的延時(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn),從而確保負(fù)載不是突加到另一路電源上。
最后附一個(gè)表吧,這個(gè)表不是我統(tǒng)計(jì)的,這是上海電器科學(xué)研究所出具的,供大家在選型時(shí)參考吧
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總結(jié)
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