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提高电源可靠性的技巧——UPS安全安装要求

如果您企业的数据中心不能保证24/7全天候提供服务,那么您的业务可能不会保持长期正常的运转。我们生活在一个始终不间断运营的商业环境中,最终用户需要随时随地的访问他们所需要的应用程序。

作者:佚名来源:机房360|2017-09-04 11:15

开发者大赛路演 | 12月16日,技术创新,北京不见不散


如果您企业的数据中心不能保证24/7全天候提供服务,那么您的业务可能不会保持长期正常的运转。我们生活在一个始终不间断运营的商业环境中,最终用户需要随时随地的访问他们所需要的应用程序。

您企业需要增强数据中心的弹性和可靠性。本文中,我们将与您分享有关不间断电源(UPS)安装的安全要求和技巧,以及提高电源可靠性的一些技巧。

在今天的24/7全天候运营的商业大环境中,“永远保持在线运行”的业务环境、可靠性和韧性始终是关键任务设施的首要任务。然而,这方面的目标极有可能受到这些设施的日常使用和运行的实际方面的威胁。

有鉴于此,来自Eaton公司的业界专家们将在本文中为您提供对数据中心配电系统的全面了解;其借鉴了该公司在这些领域多年的经验,提供了教科书可能无法提供的相关设计指导和实用性的提示,但却有助于显著提升您企业系统的可靠性、电源可用性和正常运行时间,同时确保安全性和对于相关标准的遵守。

数据中心配电系统作为一个整体是从可用电源延伸而来的——其通常往往是从变压器、发电机和不间断电源(UPS)输入,然后通过交换设备、断路器进入到所支持的ICT、冷却设备和相关负载进行输出。因此,我们不仅要了解与电力设备的每个项目相关的问题,还有必要了解这些项目是如何相互影响的。而鉴于这些项目之间的相互影响还可能随着数据中心负载的变化而变化的本质属性,使得我们对于这方面需要特别注意。

在正常运行和发生故障的两种情况下,保持安全和消除人员和设备的风险无疑是至关重要的。同时还需要考虑电弧,注意其危险性及如何缓解。在本文中,我们将看到同时具备变压器和发电机的电力系统的设计应该能够处理过载的电流和短路条件以及额定运行,尤其注意三极和四极开关的影响、静态旁路、不同的断路器类型和选择性问题。与此同时,电力基础设施未来增长的相关影响也被考虑了——当模块被添加到可扩展系统时,发生故障情况和选择性问题应如何解决?还讨论了如何最大限度地减少人为误差所造成的影响,并回顾了通过互锁实现的保护。

文章中还探讨了必须防止静态开关故障引起的反向馈电电流;借助现代UPS系统减轻这些现象,以及过载条件,特别是阶跃变化,以及整流器电流限制。文中还涉及到相关的国际安全立法。在正常运行、维护期间及发生故障的不同条件下的UPS操作的详细考虑因素;系统的可用性和对关键负载的保护及安全性的影响将凸显在开始任何新的UPS安装或升级之前,咨询经验丰富的UPS供应商的可行性。

虽然本文第一部分着眼于配电,但其重点是UPS.而在接下来的几个部分中,则涵盖了UPS和配电主题;馈线和优化,三极和四极开关和选择性问题。总的来说,本文将为大家提供关于如何提高数据中心可靠性和安全性的相关知识,以及如何防止不必要的停机中断。

在动态环境中保持最新状态

最关键应用程序的管理人员发现自己需要不断地在可靠性与投资之间进行最佳平衡。伴随着新课题的出现,相关的焦点也随之出现频繁的变化;这方面的例子包括抗震性、环境硫磺污染、EMI、散热、职责的转换等等。

反向馈电保护(Backfeed protection) 立法

反向馈电保护是由《IEC 62040-1:2008不间断电源系统(UPS) 标准》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》所规定的。该标准也是欧洲规范,并规定了带有法律强制性要求,以确保UPS安装过程中维修人员的安全。该标准允许反向馈电保护的两种替代方案;在UPS内安装一款内部反向馈电隔离装置,或安装外部输入线路隔离装置,只在UPS内部执行反馈检测和控制,同时在安全标准描述的相关开关设备中需要警告标签。当输入电源丢失时,反馈保护装置必须在15秒内通过分离的方式将电源中任何永久连接的UPS的输出隔离,以防止在上游导致可能的危险电压。请注意, “反馈”这一术语和本文中涉及到的人员安全和危险电压或能量要求,并不是有时被误认为的反向功率流。

重要的是要理解,包括半导体和晶闸管的静态开关以及相关联的控制和缓冲电路可能不能为上游电气网络的安全维护提供足够的隔离,即使其正如企业所预期的那样工作。当静态开关晶闸管的门极信号(gate signal)关闭并且不通过电源时,电路可能会在上游泄漏一些电压和电流,其足以对人员造成危害。因此,反向馈电保护主要是在正常运行条件下用于UPS系统,而不仅仅是经常被认为的故障情况。

图1:具有内部反馈保护装置的UPS与左侧静态旁路开关串联;外部输入线隔离装置的原理在右边实现。

如果依赖于一款外部设备,则该要求将涉及到安装,而不是产品本身。在这种情况下,履行最低立法要求的责任在于电气承包商或安装业主,他们对UPS设备和安装产品的特定安全标准要求可能缺乏足够的了解。

如果外部连接的反馈保护装置在存储能量模式下工作,则可能会受到来自UPS的危险电压的影响。为了让维修人员知晓这种风险,UPS产品安全标准要求用户在UPS和外部反馈保护装置之间的所有开关设备接入点和开关设备上均需明确标示警告标签。

图2:IEC 62040-1:2008中所述的警告标签,与外部反馈保护装置以及在永久连接的UPS上游使用四极开关时一起使用。

一些UPS型号有内部反馈保护作为标准,但其他UPS型号则没有。在某些情况下,来自同一家供应商的不同UPS型号产品是否具备内部设备会根据版本的不同而变化。因此,在选择UPS产品,并验证是否必须将反馈保护装置安装到UPS电源中时,必须小心留意。

对于某些UPS产品型号而言,依靠外部反向馈电保护可能会影响UPS供电配置。其可以强制使用双馈电源,为整流器和旁路供电,而不是采用在许多情况下可以接受的单一馈电,同时节省成本。

还值得一提的是,在UPS外部的反馈保护装置将为UPS系统增加“隐藏成本”。该设备将需要与开关设备内的UPS相同或相似的组件,以响应主电源状态进而控制其开关。一款电动机断路器或与过流保护串联的接触器是实现此目的的典型方法。

这些可能会对批准的开关设备的类型产生影响,并带来额外的成本。在安装外部反馈保护装置和相关的控制线路时,也会存在与设计、协调、人力和材料相关的成本。

使用具备安装就绪且经过了工厂测试的内部反馈保护装置的UPS产品有助于确保安全要求是由UPS供应商来履行,而不是依靠他人来处理;这使得解决方案对企业客户而言更容易。

对容错的影响

在UPS系统中,反馈保护的主要目的是防止当供电从UPS中移除,并且UPS正在以存储能量模式运行时,在上游发生危险电压。由于在实践中,反馈保护将UPS系统输出与输入电源隔离,并与静态开关串联,因此也可用于另一目的;具体来说,将系统中的故障静态开关隔离开来。

这种反向保护的辅助功能有助于提高系统的弹性,并且在考虑UPS系统中的反馈保护时,其通常成为更广泛讨论的话题。然而,应该强调的是,如前所述,反馈保护是为了确保人员安全和强制性的要求。

隔离故障旁路电路的功能可以使UPS系统在线,并保护关键工作负载,即使是有故障的静态开关;从系统中消除单点故障并增加容错能力。因此,在UPS的二次使用反馈保护功能,以减少故障静态开关的影响是非常受欢迎的。

单一UPS系统中的反馈保护

如图3所示,Eaton公司所提供的三相UPS设备包括一款内部反馈保护装置作为标准。其包括一款内部反馈接触器(K5),可在静态开关内自动防止故障情况。

如果一款静态开关发生故障,将其驱动到不需要的导电状态,则将在UPS输出和电源之间供电;电源可以在任一方向上根据变频器及输入电源之间的电压差和相位移动进行传输。

这种意外的电流可能导致UPS系统过载,激活变频器的电流限制,并且由于各种原因导致旁路跳闸甚至关闭。因此,故障可能对系统运行和可靠性产生重大影响。

图3:具有静态开关和内部反馈保护(K5)的UPS

当UPS不处于旁路模式且静态旁路开关未打开时,反馈检测电路和UPS固件可以检测旁路线路中的电流。然后打开内部反馈接触器以隔离故障并防止UPS输出和电源之间的电力流动,从而允许UPS在双转换模式下仍继续运行,即使是在静态开关故障时。

警报将通知现场人员,或者远程监控站(如果使用的话)检测到了单元中的缺陷,将以激活一系列计划中的纠正措施。

并联UPS系统中的反馈保护

UPS在UPS系统中并联,以获得更高的可用性或更大的容量。图4显示了具有内部反向馈电接触器K5的分布式旁路配置的并联UPS系统。

在其中一个静态开关中所出现的故障将潜在地允许并联的逆变器在系统输出和电源之间馈送或抽取电流。因此,单个静态旁路开关中的故障最终可能导致系统中的严重故障。但是,由于电路故障导致的电流流失可以被检测到,并且在相关联的UPS模块内部的反馈接触器会自动打开,允许系统保持双重转换操作,以保护负载。

并联系统的静态旁路线路具有冗余性,因为一个静态旁路故障不会阻止其他旁路线路的运行。在冗余并行系统中,静态旁路故障不会以任何方式影响系统的旁路能力;然而,在容量并行系统中,旁路容量将略有降低。

一些并联UPS系统使用集中旁路拓扑,其中系统旁路模块(SBM)为所有并联UPS单元提供了一条通用的旁路线路,如图4所示。

SBM与UPS的内部旁路开关一样,包括反并联连接的晶闸管。因此,服务人员存在相同的安全隐患,可能会发生类似的故障机制;因此,反馈保护对于集中式旁路系统同样重要,也是强制性的要求。在并联UPS系统中,内部反馈保护意味着分布式旁路系统中的每个静态开关都包括反馈接触器,因此可以保持配置冗余。相比之下,具有外部反馈接触器通常意味着仅为多个静态开关安装一个接触器,因此其中一个开关的故障或将导致连接到公共反馈接触器的所有静态旁路线路的全部损失。在一些模块化UPS设计中使用了类似的实施方案,其中一个反馈电源接触器用于多个或所有静态开关。对系统冗余和弹性的影响可能更大。

有一种观点认为,反馈保护装置本身可能会降低系统的可靠性,因为它是一个组件,就也可能会出现故障失败。

这是非常真实的,但有很多因素要考虑。这些因素包括组件通常如何发生故障失败,其在系统中如何使用以及可能的影响。

如果反馈接触器故障关闭,并且在供电丢失时不打开,那么直到静态旁路开关发生故障,都不会影响UPS系统的运行;需要发生第二次故障才会影响UPS系统的运行。该系统将几乎像一个没有反馈保护的系统。无论如何,这种故障失败是罕见的。

另一种更典型的故障模式是反馈接触器未按照适当需求被打开或关闭。在实践中,这意味着如果有相应的需要时,旁路线路不可用。只有一条静态旁路线路的系统将失去所有旁路容量;那些具有多个静态旁路,而且每个都有自己的反馈接触器的,仅会损失部分容量。

请注意,只有当主旁路电源可用时,UPS旁路线路才可用——旁路管路可用性不能高于其供电。显然,具有相关控制电路的反馈保护装置的可靠性远远高于主电源,因此对旁路线路总体可用性的影响可以忽略不计。

具有反馈保护和短路静态开关检测的UPS可以隔离故障的静态旁路开关,任何时候这都是系统的关键故障,并将消除系统中的单点故障。这种优势胜过由反馈保护引起的对旁路可用性的边际影响,并提高整体系统的弹性。

最后,个人偏好不是决定因素。确保维修人员的安全是UPS设备和设备安装的强制性要求。UPS系统的设计必须安全;唯一的问题是如何实现安全设计,以提高系统级弹性的形式实现最大的额外收益。

IEC 62040-1:2008——2013修改件

《IEC 62040-1:2008不间断电源系统(UPS) 标准》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》为UPS产品及其安装提供了强制性的安全相关要求。CE标示要求遵守本标准,并具有法律效力。最新要求,IEC 62040-1:2008——2013修订版,于2016年2月起正式成为强制性要求。这要求UPS制造商声明:

  • 短时耐受电流(ICW):短时电流的有效值由UPS制造商声明,可以根据当前电流和时间定义在特定条件下进行,而不造成损坏,

或者

  • 额定限制短路电流(ICC):根据UPS制造商声明的预期短路电流的价值,可以在特定条件下经受对短路保护装置(SCPD)的总运行时间(清除时间)。

实际上,UPS供应商必须说明UPS输入终端允许的最大允许故障电流水平,以维持UPS产品的安全和安装。所选设备的额定值必须等于或超过UPS安装中发现的故障电流水平,并且在任何情况下不得超过这些声明值。

当使用条件短路电流ICC额定值时,通过短路保护装置(SCPD)(通常为保险丝)将故障电流降低到UPS内部电路和组件的安全水平。 SCPD可以是UPS的内部部分,也可以是UPS的上游电源中的外部。

鉴于标准中的要求仅适用于UPS的低阻抗路径,假设存在这样的路径的话。这个低阻抗路径既可以是UPS的内部旁路电路,也可以是多个UPS的大型通用旁路。它包括从旁路输入终端到UPS输出终端的静态旁路开关电路;如果其是UPS的一个组成部分,或基于UPS产品标准所出售的UPS系统组件,那么其也可以延伸到UPS机械(维护)旁路电路。当外部维护旁路用作低压开关柜组件的一部分时,它将自动落入开关设备产品类别和相关要求。

该标准还要求每个旁路电路必须在可用故障电流水平下保持独立安全。假设所有电路都将共享故障电流,则不能在系统级别评估安全性,因为在维修活动和调试期间或者系统的某些部件出现故障或不运行时,产品和人员的安全也必须得到保证。换句话说,并联更多的UPS单元或静态开关不会降低对各个静态开关或UPS单元的要求

图5:UPS的耐受额定电流必须匹配或超过安装中的可用故障电流。在上述示例中,UPS承受电流要求是基于主电源可用的故障电流。如果发电机与变压器并联运行,导致更高的故障电流水平,则必须选择额定值以适应此条件,并且必须连同UPS的合规性一起验证,以及将来的可能的安装变化。

在标准中给出了故障电流水平的最低要求,但这些要求可以略低于实际安装中通常所见,特别是在较大的UPS单元内。无论如何,UPS供应商可以宣称比所需数字更高的数字;从应用程序的角度来看,这些也是可取的。

符合安全要求的UPS产品必须通过由UPS供应商(制造商)进行的测试来验证。测试是强制性的,仅有两个例外,即:要么声明的耐受电流额定值≤10 kA要么峰值通过的电流被SCPD限制在≤17 kA.

在测试结束时,产品需要被证实满足了以下标准的合规性:

a)UPS不得发出火焰、熔融金属或燃烧颗粒,除了当清除故障时通常从断路器所发射出的金属颗粒

b)从带电部件到UPS底盘或外壳不得发出电弧

c)组件,例如用于安装带电部件的母线支架不得远离其初始位置

d)任何外壳门不得快速打开(因为可能造成人身伤害),只能通过其正常闩锁来防止

e)导体不得从其终端连接器拔出,不得损坏导体或导体绝缘体

f)UPS应成功通过电气强度试验

当使用限制短路电流ICC额定值时,UPS供应商将对所选SCPD进行产品测试。UPS供应商有责任选择保护装置,并根据需要进行测试来验证设计。如果使用外部保护装置,UPS供应商应说明设备类型。只有当保护装置经由UPS供应商说明,并通过测试进行了验证,其才能够被使用。

如果UPS供应商依靠UPS供电开关设备内的外部短路保护装置,则UPS系统安全要求落在设备安装方面,并由其设计人员、电气承包商和业主负责。这些人可能不具备足够的产品特定标准和要求的相关知识,以确保保护装置的正确使用,并且从未被替换为具有较少保护和具有较高的通过能量的设备。

图6:如上所述,UPS的耐受额定电流适用于UPS静态旁路电路,无论是在UPS内还是作为集中式系统级旁路。如果这是UPS(系统)的组成部分,它也适用于机械旁路。通常使用外部维护旁路;如果是这样的话,其必须遵循低压开关设备要求。

从一开始,UPS故障电流额定值就必须大于现场最坏的情况。对于多个馈电,必须允许可能的并行运行电源以及将来更改和升级到上游电气基础设施的可能。并联多个器件不会降低每个单元的故障电流要求。任何影响故障电流水平的安装变更后,都必须重新评估UPS的合规性。如果使用外部SCPD来保护UPS,这一点尤为重要。这些必须是经批准的类型,并且将来不应替换为其他类型,例如在开关设备组件上执行更改和升级时。

作为法律要求,UPS的安装必须满足人员和基础设施的安全要求。然而,很少有人意识到UPS产品特定的安全要求,造成了这些方面可能被忽视的风险。

为了降低安全相关要求中的错误风险,指定和使用具有内部SCPD并且具有高故障电流水平的,经过了实验室测试的产品可能是有益的。市场上有具备内部SCPD且高达100 kA额定值的UPS产品。这些超出了标准的最低要求,并且允许它们在几乎任何安装中使用,对于第一天安装使用或之后的变更的供电没有特殊要求。这样,作为产品技术专家的UPS供应商们将通过在产品中内置安全和验证的设计来保护自己。他将放心,产品和安装符合了所有法律监管的强制性要求。

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【责任编辑:武晓燕 TEL:(010)68476606】


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