数据中心ATSE系统应用建设方案.doc

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1、数据中心ATSE系统应用建设方案自动转换开关电器（ATSE，Automatic Transfer Switching Equipment），主要应用于紧急供电系统，一般单独或者组网完成市电之间或者市电与柴油发电机之间的电源切换。作为数据中心配电系统中重要的配电设备，它的设计与选型关系到整个配电系统的可靠性。1.1 ATSE 产品定义及构成1产品定义双电源自动转换开关，在国内已经有几十年的运用历史，在没有标准之前，各种开关（接触器、断路器、隔离开关等）都被运用在双电源自动转换开关上面。自从国家标准GB/14041.11实施以来，ATSE作为一个独立的低压开关种类，被广泛用于两路电源间的自动转换，

2、以确保重要负载电源的连续供应。GB/T 14041.11低压开关设备和控制设备 第6部分：多功能电器第1篇自动转换开关电器。定义了适用于额定电压交流不超过1 000V或直流不超过1 500V的转换开关电器（TSE），TSE用于在转换过程中中断对负载供电的电源系统。该部分的目的旨在规定：电器的特性、电器必须遵循的有关条件、证明符合这些条件的试验及进行这些试验的方法、应该在电器上标明的数据及制造商需提供的数据等内容。在该标准中，ATSE被如下定义：由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路，并将一个或几个负载电路从一个电源转换至另外一个电源的电器。中文标准名称：自动转换开关

3、电器;英文标准名称：Automatic Transfer Switching Equipment（ATSE）。2结构分析： ATSE一般由三部分组成：开关本体、驱动/保持机构、控制器1）开关本体：指主触头的结构、材料、动静触头连接方式、触头压力、同步性、超程、动触头开启速度、灭弧方式等等构成。2）驱动/保持机构：使触头完成闭合、开启的传动机构。有三种方式，电磁直接驱动/保持（例如接触器）；励磁连杠传动驱动/机械保持；减速电机传动机构驱动/机械保持。3）控制器：从仅有单相缺相控制功能到具有超过ATSE预设定的参数要求的参数检测、现场设定、显示、带通讯接口等功能，差别很大。一个真正技术先进、可靠性

4、高的ATSE，必须是以上三个部分都同步达到相应的水平。一个部分的缺陷，就是整个ATSE的缺陷。选择高可靠性的ATSE，也必须从以上三个方面综合判断。1.2 ATSE分类根据GB/T 14041.11，ATSE可分为PC级或CB级两个级别。PC级：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。CB级：配备过电流脱扣器的ATSE，其主触头能够接通并用于分断短路电流。这两个级别主要区别就是有无短路分断能力，但这样的分类相对简单，是欧美在制定标准时妥协的产物。按照转换元器件及控制方式的不同，又可以对PC级或CB级ATSE进行进一步划分。1）接触器型：如图33所示，是我国最早生产的双电源转换电器，它由

5、两台接触器搭接，另外采用中间继电器或逻辑控制模块完成切换功能，优点是价格低；缺点是线圈长期通电耗能易烧毁，产品的接通分断能力低，易抖动，触头易熔焊，互锁结构简单、切换速度快但灭弧距离不够，持续发出交流杂音，持续耗电，故障电流忍受能力低，触点易熔化、损坏。机械结构易故障， 机械联锁不可靠，造成双边不供电或双边电源短路其产品可靠性很低，目前在国内数据中心应用较少。 图33 接触器式ATSE 图34 负荷开关式ATSE 2）隔离/负荷开关型：如图34所示，开关本体为隔离/负荷开关，采用电机加齿轮或连杆传动模式，一般分两位式（常用、备用）和三位式（常用、0位，备用）两种。用两台负荷开关或隔离开关组成的

6、ATSE，有中间位置，机械结构较为复杂。负荷开关只是作为线路隔离/分断使用，当满载切换时容易造成开关本身的损坏，故障电流忍受能力低，灭弧功能较弱。3）断路器型：如图35所示，属于CB级ATSE，此类自动转换开关电器以断路器为切换部件，切换功能用ATSE自动控制单元完成，有机械和电气连锁。当带载切换时将造成灭弧不完整容易造成双边电源并接短路，故障电流忍受能力低，断路器存在快速脱扣的情况。断路器型ATSE的操作机构有单电机操作和双电机操作两种，相对而言，单电机操作系统内部电路相对复杂，元器件较多，可靠性较低。在重要的场合如果采用断路器型ATSE，优先推荐采用电路简单，可靠性高的双电机操作ATSE。

7、 图35 断路器式ATSE 图36 励磁式ATSE4）励磁式专用转换开关型（双投式ATSE）：如图36所示，属于PC级ATSE，整个开关采用一体式结构设计，包括触头材料、灭弧材料、传动机构等。采用励磁驱动方式，励磁是最简单可靠的驱动机构，分离速度快。缺点是大容量PC级ATS一般需要专门配置上下游的线路保护设备，且价格较贵。国内大型数据中心中，此类ATSE是目前应用的主流产品之一。1.3 ATSE应用中产生的问题1PC/CB级应用问题CB级与PC级ATSE两者有以下几点区别：1）两者机构设计理念不同CB级是由断路器组成，断路器能有效分断电弧，要求机构快速脱扣一般采用四连杆机构。四连杆机构易存在滑

8、扣、再扣不可靠因素：而PC级机构不存在该方面问题。2）断路器（MCCB）一般不承受短时耐受电流，触头压力较小。当供电电路生短路时，断路器的动触头易被斥开并产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATSE应承受20Ie及以上过载电流，触头压力要求较大，因而ATSE触头不被斥开，也不易被熔焊。3）两路电源在转换过程中存在电源叠加问题。PC级ATSE充分考虑了这一因素。PC级ATSE的电气间隙、爬电距离一般断路器的电气间隙、爬电距离的180、150（标准要求）。因而PC级ATSE全性更好。4）触头材料的选择角度不同。断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧，但该类触头材料易氧化，备用触

9、头长期暴露在外，在其表面易形成阻碍导电、难驱除的氧化物，当备用触头一但投入使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而PC级ATSE充分考虑了触头材料氧化带来的后果。5）操作机构不同CB级ATSE的电动操作机构一般是通过微电机带动减速齿轮机构对断路器进行合分工作，又因断路器机构的限制，微电机必须工作到堵转后，靠行程开关才断开控制回路。而PC级ATSE的电动操作机构一般为短时工作电磁铁。由于电磁铁结构简单，工作可靠，所以PC级ATSE电动操作机构的可靠性较高。选用PC级还是CB级ATSE，没有一个绝对的答案，CB级由断路器组成，本身具有过载及短路保护的功能，但是在日常应用中发现CB级具有如下问题

10、：由于CB级具有短路保护功能，会因为保护功能而切断负载的电源，由于ATSE的动作输入信号是取自ATSE的上端口，当正常电源侧的电压或频率都正常时，由于断路器因过流保护而脱扣造成负载断电，ATSE的功能仅仅是作为正常电源故障时转换到备用电源设备，这样就造成了负载断电，而ATSE依然不会切换到备用电源的情况，从这个角度来说，CB级的保护功能，在系统中运行反而不利。关于PC级配电设备，虽然本身具有承受一定短路电流的能力，但是由于没有过载及短路保护功能，因此在采用PC级配电设备的时候，前端需要设置短路保护电器。另外，在低压配电设计规范GB5005495中明确规定：“配电线路采用的上下级保护电器，其动作

11、应具有选择性；各级之间应协调配合。但对于非常重要负载的保护电器，可选择无选择性切换。”因此，PC级前端设置的短路保护电器需要与配电柜内出线回路的断路器之间设置有选择性配合。在PC级自动转换开关设备中，优先选择励磁式专用转换开关，励磁式专用转换开关是采用的励磁驱动机构，线圈的励磁操作不需要外加电源，所需动力来自即将投入运行的电源侧，励磁电流只在切换瞬间使用，稳定时无需操作电流，最为简单可靠。总而言之，在大容量的重要系统中，如机房输入端的市电之间切换或者市电油机之间自动切换设备，推荐采用PC级的励磁式专用转换开关，在供电系统的终端一级负荷或重要的二级负荷部分，如机房照明，机房空调系统等，可以采用断

12、路器型或者负荷开关型自动转换开关电器。在2006年自动转换开关电气ATSE设计应用导则中更是明确指出“一级负荷建议采用PC级ATSE”。2三极/四极问题自动转换开关电器ATSE设计应用导则建议了三相四线制（0.4/0.23kV）电力系统中ATSE极数的选用原则：“1）同一接地系统中，带漏电保护的两个电源回路下级的ATSE，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。2）两种不同接地系统（包括两个不同中性线接地点的TNS系统）间电源转换的ATSE，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。3）正常供电电源与备用发电机之间，当采用不同的接地方式时其转换开关应采用四

13、极ATSE。4）IT系统（此处指接地系统）中当引出中性线时，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。5）在有总等电位联结的情况下，TNS、TNCS系统除原则1）2）3）的情况外一般不需要设四极ATSE。6）TNC系统严禁采用四极ATSE。”在数据中心中，基本上都采用TN-S三相五线制接地系统。即三根相线L，零线N，保护地线PE。三极式ATSE只切换相线，四极式ATSE同时切断相线和零线，如果两路输入电源来自于同一接地系统，即两套系统中性线（零线）有共同的接地点（零线地线短接点），那么ATSE可以选用三极式ATSE，如果两套输入电源来自于两套不同的接地系统，两套系统的中性线接

14、地点不同，应采用四极ATSE。采用四极式ATSE的目的，是保证两个系统运行中做到完全的隔离，独立运行。3四极切换问题在数据中心中，给IT设备供电路径基本如下：ATSE+UPS+IT设备。如图37所示。IT设备对于零地电压有特殊要求，GB 501742008对所有的A级，B级和C级机房的要求是零地电压2V。由于地线电压基准值为0，正常情况下，系统由常用电源供电，UPS输出零地电压接近于电网输入端零地电压；在主用电源异常，启动备用电源，ATSE执行切换操作过程中， ATSE后端设备相线及零线与前面两路输入电源系统有一个断开过程，即ATSE输出部分与输入部分完全断开。在这个短时间内，UPS通过蓄电池

15、放电给负载供电，保证服务器不断电运行，由于UPS输出零线来源于电网零线，而电网零线已经断开。那么，UPS输出零线处于“悬浮”状态，零线电位产生漂移，UPS输出端零地电压有可能高达几十伏甚至上百伏，这样的零地电压可能直接导致服务器重启或烧坏等。给IT设备造成重大运行隐患。图37 供电系统零地示意图为解决这一问题，有如下两种方法：1）零线重叠切换方案，即采用带有零线重叠切换的ATSE，在切换过程中，ATSE输出零线始终与输入电网的零线相连（第四级（零线）切换为重叠切换，按先接后离的操作顺序，重叠切换时间100ms），UPS零地电压始终保持相对较低值。图38 零线重叠切换示意图2）输出端配置 /Y

16、隔离变压器，变压器副边再造一个TN-S系统，重新引出零线。这样，在所有的过程（包括ATS转换过程中输入零线中断的过程）中零地电压始终接近于零伏，从而完全避免零线中断的故障。4ATSE单点故障问题ATSE作为重要的转换开关设备，对可靠性要求极高，一旦ATSE故障，可能产生较大范围的影响。为解决ATSE故障可能造成的风险，首先在供电方案上，可以采用系统冗余方案，保证任意一个故障，系统依然可以安全运行。其次，在ATSE部分，提高产品可靠性，在大型数据中心的电源切换部分，推荐采用带旁路隔离开关型ATSE，在ATSE故障情况下，临时利用隔离旁路给负载供电，而故障ATSE本体则可以维修，系统不会断电。GB

17、 501742008 之1.1.16 规定：“市电与柴油发电机的切换应采用具有旁路功能的自动转换开关。自动转换开关检修时，不应影响电源的切换。”旁路型自动转换开关至少需要具备如下功能：1）旁路隔离开关能在用电负荷不停电的情况状态下，旁通电源至负载。旁路开关的容量不小于自动转换开关的额定容量。2）旁通电源时能安全隔离自动转换开关及相关控制电源，保证自动转换开关的检修及维护能够安全进行。3）应该设置明确的旁路隔离标志，显示系统状态。4）应该设置安全可靠的电子和机械联锁，防止误操作。5ATSE 使用类别使用类别由ATSE本身的特点决定，表现其控制负载的能力，直接影响到ATSE转换的可靠性和安全性，但

18、在实际的工程实践中设计人员往往会忽略使用类别。ATSE的使用类别应该和负载特性一致，满足下表要求：表14 ATSE 使用类别（引自 GB/T 14041.11）电流性质使用类别典型应用频繁操作不频繁操作交流AC-31AAC-31B无感或微感负载AC-33AAC-33B电动机负载或包含电动机、电阻负载和30以下白炽灯负载的混合负载AC-35AAC-35B放电灯负载AC-36AAC-36B白炽灯负载直流DC-31ADC-31B电阻负载DC-33ADC-33B电动机负载或包含电动机的混合负载DC-36ADC-36B白炽灯负载目前国内市场上PC级ATSE存在两种常用的类别：AC31和AC33。AC-3

19、1的接通能力为1.5Ie，一般为配电电器常用的使用类别；而AC-33的接通能力为10Ie，一般为控制电器常用的使用类别。在工程实践中发现有些ATSE在转换的过程中触头烧毁的现象，除了质量的原因以外，很多是因为忽略了使用类别。此外，一般ATSE不允许带大电动机或高感抗负载转换。比如大电动机类负载，当其在运行中切换而电源相位差距较大时，它将受到巨大的机械应力冲击，同时由电动机产生的反电势引起的过电流还会造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式，或自动转换开关为延时转换型，两组动触头在转换前增加一延时，可避免在切换大电机或变压器负载时引起的冲击电流。6产品认证情况我国从2002

20、年5月1日起开始对低压电器产品实施3C认证，自动转换开关电器被列入第一批3C认证目录。目前依据的标准是国家标准是自动转换开关电器GBT14041.11-2008。有些厂家的产品通过的CCC认证所依据的标准不是GBT14041.11，而是GBT14041.2（断路器标准）或者GBT14041.3（隔离开关标准）。而根据行业标准，作为自动转换开关（ATSE）的3C认证标准必须是GBT14041.11，否则就不符合ATSE的标准要求。1.4 数据中心ATSE常见组网形式数据中心ATSE的应用主要集中在不同市电之间、柴油发电机之间的切换。供配电系统设计规范GB 5005295之2.0.2规定： “一、

21、一级负荷应由两个电源供电；当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。二、一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其它负荷接入应急供电系统。”因此，数据中心能量源彼此之间的切换就会比较复杂，本文就工程实践中最为常见的四种情况做出分析，供设计者参考：1单一市电与单一备用发电机切换方案要点：1）选用较大输出功率发电机才能使负载的瞬间干扰达到最小；2）可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量，以延时切换功能排定切换顺序；3）市电停电时自动切换开关发送启动信号启动备用发电机；4）切换开关自动侦测备用发电机端电压及频率达到额定值后自动切换至发电机端；5）市电复

22、电稳定后切换开关自动回切至市电侧；6）自动切换开关发送停止信号使备用发电机经冷车运转后停机。 图39 单一市电与单一备用发电机切换 图40 单一市电与多台备用发电机切换2单一市电与多台备用发电机切换方案1）多台发电机并联且结合多台ATS之应用以提高紧急电力供电可靠度；2）依负载优先级以延时切换功能排定切换顺序；3）市电局部或全部停电时自动切换开关发送启动信号启动备用发电机；4）切换开关自动侦测备用发电机端电压及频率达到额定值后自动切换至发电机端；5）市电复电稳定后切换开关自动回切至市电侧；6）自动切换开关发送停止信号使备用发电机经冷车运转后停机。 图41 两路市电与单一备用发电机切换 图42

23、两路市电与多台备用发电机切换3两路市电与单一备用发电机切换方案1）选用较大输出功率发电机才能使负载的瞬间干扰达到最小；2）利用两台自动切换开关达到三电源之切换；3）可考虑分散风险依负载优先级增加自动切换开关数量，以延时切换功能排定切换顺序；4）市电1或市电2停电时，不启动发电机，由ATS1切换至供电之市电1或市电2；5）市电1及市电2全部停电时，发电机启动，ATS2切换至发电机端。4两路市电与多台备用发电机切换方案1）两路市电间以开关互连，达到两路市电互为备用目的；2）任一市电可供电时，不启动发电机，ATS不切换；3）两路市电均停电时才启动发电机，依负载优先级切换至发电机端；4）任一市电复电稳定后，切换开关自动回切至市电侧；5）自动切换开关发送停止信号使备用 发电机经冷车运转后停机；6）与前述各方案比较，此方案正常侧及紧急侧均采冗余配置可提供最佳供电可靠度。