UPS配电前端使用ATS4极切换故障的原因分析

ATS(Automatic transfer switching equipment,自动转换开关)。主要用在紧急保障供电系统,将负载电路从一路电源自动换接至另一路(备用)电源的开关电器,以确保重要负荷可以连续、可靠运行。ATS常见为机械结构,转换时间多为100ms以上。在IT设备,例如服务器前端无电力延续保护的情况下,直接使用会造成负载断电。故常适用于照明、电机类负载的直接使用。

ATS在UPS系统中的配套使用是非常普遍的,尤其在提供高可靠性的多机并联系统前端,通常需要使用ATS在多市电输入之间以及市电和发电机之间进行UPS输入电力的切换和中断保护。图1给出了ATS用于UPS输入电力的切换和中断保护的示意图。

ATS一般由两部分组成:开关本体和控制器。ATS是一种多型号的产品,根据国际标准IEC-60947-6规定,ATS的开关本体可分为PC级(整体式)和CB级(断路器)两个级别。

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PC级:一体式结构(三点式)。它是双电源切换的专用开关,具有结构简单、体积小、自身联锁、转换速度快(0.2s内)、安全、可靠等优点,负载开关和接触器双投型的ATS都属于PC级,本体只能作为自动转换开关使用,不具备过载和短路以及其他保护功能,需要配备短路保护电器。

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CB级:配备过电流脱扣器的ATS,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。它是由两台断路器加机械联锁组成,具有过载、短路以及其它保护功能。

工作极数上,ATS常见有3极切换和4极切换(带N切换)两种,其工作原理图如图2所示。在4极ATS的切换过程中,由于N线的切换很难与三个相线同步,成为故障发生的主要原因,所以在数据中心的供电系统中,通常采用3极ATS,而不用4极ATS。

切换方式上,ATS分为先断后通型和先通后断型(中性线重叠切换)。

作为电源切换类产品,ATS的发展经历了接触器类、MCCB塑壳开关类、负载隔离开关类和一体化自动切换开关类。在UPS系统中,均采用一体化自动切换开关。

案例故障描述  

某电力公司数据中心机房使用三进三出120kVA UPS一台,配置有双输入市电并通过ATS切换供UPS输入使用,系统工作近一年均正常。一日,主输入A市电中断,ATS切换至备用B市电,但在切换的同时,网络管理人员发现由UPS供电的主服务器全部宕机,但非服务器设备例如显示屏等工作正常,仔细观察UPS,也显示正常工作状态。

案例故障检测  

经工程师现场检测,客户负载率为66%,其中A相电流114A;B相电流60A,C相电流78.6A。两路市电经4极ATS切换后为UPS供电。

查询UPS LOG记录,在市电中断和市电恢复(ATS断电切换)之间,UPS记录有逆变器输出异常,逆变器关闭。

UPS配电前端使用ATS4极切换故障的原因  

当市电A输入中断,ATS带N切换,在切换的时间内,UPS视同正常电力中断,自动保护启动电池工作。但是在这个极短的切换并UPS启动电池工作的时间内,整体UPS三相逆变器输出系统是没有零线的,图3为正常的UPS三相逆变器的工作示意图,N线正常。当N线中断后,任意两相负载对应的输入将是三相输出系统的线电压,当负载三相并不平衡的时候,即会导致负载相电压(逆变器输出相电压)输出的不平衡,负载高的相位的相电压就高,负载低的相位的相电压就低,一旦超过逆变器的输出电压允许限值,将会导致UPS视同输出故障,从而关闭UPS。

当ATS切换完成后,后备B市电供电正常,N线也正常切换后接通,UPS此时将视同市电恢复,重新启动,一切工作正常。但是由于服务器对供电中断时间的要求,已经进入了宕机的进程中。

案例故障解决方案  

更换UPS前端ATS,使用先通后断型ATS,或者改造4极ATS为3极ATS,清除断N风险。同时尽可能的将三相负载改造平衡。

案例知识点和延伸   1

在民用建筑实际应用中,TN-S配电系统(中国标准)断N是较为常见的一种故障,但是危害往往非常大。例如在乡村或者城市小区民用供电常常将一栋楼或者一个村庄作为单独的相进行供电,一旦发生N线中断(例如野外雷击),常会导致负载高的某一栋楼或者某一个村庄供电电压飙升,炸毁电灯等家用电器;而负载轻的楼或者村庄将会出现供电电压不够的情况(这个倒是相对安全,不会有什么大问题)。故障原理和上述我们的分析一样;

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在通用的商业UPS系统中,因为非前后全隔离的架构,UPS前端的输入N线通常是严禁中断的,个别国外的厂家甚至在中小容量UPS内置的输入开关中的N线使用铜排/铜管直联的方式防止断N;

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另外,在ATS输入切N转换时,因为N线的中断以及ATS输入两个N线之间的差异,UPS逻辑控制电路有可能会失去参考点,在市电切换以及切换完成后,逻辑控制电路无法正常发出指令通知UPS切换成功,依旧保持了电池供电的错误指令,导致电池错误的放电完毕,最后在市电正常工作的情况下,UPS因为电池耗尽或预设电池工作时间完成而关机。在上述的案例中,情况严重时候,因为UPS系统逻辑控制点失去了参考点N线,甚至会导致逆变器炸毁的极端故障;

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在实际解决上述案例的工作中,我们常常会遇到客户不愿意更换为先通后断型的ATS(价格较为昂贵)。很多现场工程师只能折衷,在尽可能保证安全和减少资金再次投入的情况下,将原有的4极ATS改造为3极ATS,那么就会产生一个需要解决的问题:系统的N线如何选择和如何保证连续。笔者在现场所见,通常的做法是将双电源的N线短接,或者将一路N线去除,始终使用一路N线,特别是在双市电输入。在源头实际为单市电通过两个母线变压器供电的电气回路中,经常有此类改造。从电气安全性上考虑,此类改造会有一定的缺陷,同时这种改造方法还需要注意以下两点:一是很有可能会受到设计院或监理方的强烈反对,依据的标准为低压规范施工的要求。实际上,根据笔者和低压规范起草单位多名电气专家的沟通,低压规范在此类情况下,是和UPS的实际工作电气要求有一定冲突的,是不能完全硬套这个规范执行的,这就需要和现场人员做好相关技术详细的解释工作,至少要知道使用4极带N切换ATS是不可取的;另一方面,根据笔者的经验,此类改造前建议测量两个不同输入的N线,保证压差在2V以内,较为安全;

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很多UPS厂家在出现此类ATS的故障的时候,通常建议的解决方案为将三相负载改造平衡,增加输入隔离变压器。这是一种投入非常大的、比较“偷懒”的“方方面面都不得罪”的解决方案,很多时候并不一定完全需要,实际运作中因为涉及到大量资金的再次投入,也较为困难。

结束语

本案例中发生故障的原因是UPS配电前端使用4极ATS切换,解决方案是更换UPS前端ATS,使用先通后断型ATS,或者改造4极ATS为3极ATS,清除断N风险。同时尽可能的将三相负载改造平衡。

作者简介

肖斌:现任罗格朗数据中心业务解决方案经理,高级工程师,多年从事数据中心产品市场、服务与应用技术支持,具备丰富的产品市场运作工作经验,目前专注于数据中心整体解决方案的设计、规划与建设。

编辑：黄飞