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    談銀行數據中心UPS供配電系統建設

    來源:《數據中心建設+》雜志 作者:艾濤 更新時間:2022/2/23 8:00:06

    摘要:UPS作為電子設備最為常用的供電安全保障設備,如何選擇恰當的供電方案構架是確保數據中心供電安全等級的最重要環節,如果構架上存在缺陷,很難可以在后期的運維服務中加以優化改善,以下對各種供電機構的理解與大家做一下分享。

    一、UPS系統的構架
      
      UPS作為電子設備最為常用的供電安全保障設備,如何選擇恰當的供電方案構架是確保數據中心供電安全等級的最重要環節,如果構架上存在缺陷,很難可以在后期的運維服務中加以優化改善,筆者就自身對各種供電機構的理解與大家做一下分享。
      
      1.1 單機系統構架
      
      如圖1所示,該構架方案,適合在運行當中可以有計劃中斷或停止運行的負載設備供電,系統應配置內置或者外置手動維修旁路開關,以盡可能的提高負載可用性。
      
      單機系統是當前應用最多的解決方案,負載獨立地由一臺UPS提供動力保護,不停電維護是通過人為強制由逆變器切換至靜態旁路供電,然后再閉合手動維修旁路開關,此時負載是由市電直接供給。退出運行的UPS主機,可進行不停電維護的。手動維修旁路的切換,可以進行無中斷的“先通后斷”切換過程,不會引起負載中斷供電的問題。
      
      1.2 并機系統構架
      
      該構架方案,也通常被稱為N+X構架,如圖2所示。圖2(a)所示為模塊機N+X冗余系統電原理圖;圖2(b)所示為塔式機N+X冗余系統電原理圖。N是根據負載量選定的UPS基礎容量,X是系統備份數量,該系統可以接受“X”數量的設備或者模組出現故障而不影響系統運行。原則上X的數量越大,系統的安全系數越高,個人建議將X設置為1-2較為合適,既可以節省能耗,也具有相應的容錯能力。
      
      在使用N+1并機系統時,可以允許1臺UPS主機進行主動維護而不影響負載運行,相比單機系統的應用方案有很大的優越性。適合應用在不能停電的重要單電源負載供電系統中。如上圖示,N+X系統可以分為塔式并聯和模塊化UPS兩種,其基本工作原理相同,但模塊化UPS因具有熱插拔功能,維護更便利性,操作方便,系統可用性更高。
      
      1.3 2N系統構架
      
      圖3給出了2N結構型UPS供電系統電原理圖,這也是銀行系統普遍采用的宮殿結構。
      
      2N供電系統是在負載雙電源技術普及的基礎上發展出來的一種電源供電構架,也被稱為雙母線供電方案,系統中的兩路UPS系統采用完全獨立的供配電單元組成,每套系統均能滿足全部負載的用電需要,兩個系統同時工作,互為備用。正常運行時,每個系統向負載提供50%的電能,當一個系統因為故障或維護停止運行時,由另一個單元向負載提供100%的電能。因兩路電源互相獨立沒有任何連接,所以此方案可以有效的解決UPS輸出與終端負載之間出現單點故障的隱患,進一步提高系統可靠性和可用性。
      
      在實際應用案例中,如存在部分終端設備不具有雙電源構架的,可以考慮在其前端加入STS設備加以優化。圖4所示的2N結構配電系統電原理結構圖就可解決問題了。
      
      《數據中心設計規范》規定,A級數據中心應滿足容錯要求,可采用2N系統,也可采用其他避免單點故障的系統配置,主要有2N、DR、RR供電系統。在系統方案構架的選擇上,如果經濟條件允許,筆者個人更傾向于2N構架,2N因為系統的架構簡潔明了,容易實現物理隔離,日常運行維護簡單的優勢是另外兩個系統構架無法比擬的。
      
      二、斷路器開關的選擇
      
      斷路器開關的主要作用是,當配電系統中有某個點產生故障時,可以被位于該故障點的上一級斷路器消除,并且只由其消除。如果我們在做開關配置時無法做到協調一致,則可能會出現空氣開關越級跳閘等生產安全的不利影響,該問題所造成的結果會非常惡劣,筆者也曾深受其害。
      
      2.1 UPS系統的配電構架
      
      當前市場上的主流UPS,從輸入方式來看,可以分為單輸入和雙輸入兩種,其中采用單輸入的UPS一般集中在小功率段上;圖5示出了一般中大功率UPS電路原理結構圖。

       相對于大功率UPS而言,因其后端負載量大,重要性高,影響面廣等原因,一般都會標配雙電源輸入的構架,其主要目的是規避UPS在整流、逆變器等電路出現異常損壞時,可能會引發的“UPS上級輸入配電”開關跳脫風險,如圖5中的兩個紅色電流線路,如共用一個UPS輸入斷路器保護,負載則可能會存在較大的斷電風險。
      
      因此在UPS系統建設時,對UPS采取雙電源輸入的方式進行安裝是非常關鍵的,萬不可為了降低建設成本,縮減開關配置。
      
      2.2 斷路器開關的選擇
      
      2.2.1斷路器的常見參數名稱
      
      斷路器是配電系統中主要的保護電器之一,也是功能最完善的保護電器,其主要作用是作為短路、過載、接地故障、失壓以及欠電壓保護。根據不同需要,斷路器可配備不同的脫扣器來實現其保護功能。斷路器的脫扣器型式有過電流脫扣器、欠電壓脫扣器、分勵脫扣器等等。過電流脫扣器還可分為過載脫扣器和短路(電磁)脫扣器,并有長延時、短延時、瞬時之分。過電流脫扣器是目前市場應用中最為常用的。
      
      低壓斷路器電流特性的參數很多,容易混淆不清。在設計文件中,常常在標明斷路器的電流值時,不說明電流值的意義,這給我們在進行產品采購和使用時帶來了一些困擾,因此如需要完整準確的選擇斷路器,我們必須清楚地掌握斷路器各個電流參數含義。
      
      標明過電流脫扣器的電流有以下幾個參數:——脫扣器額定電流In,指脫扣器能長期通過的最大電流。
      
      ——長延時過載脫扣器動作電流整定值Ir或Irth,固定式脫扣器其1r=In,可調式脫扣器其Ir為脫扣器額定電流1n的倍數,如1r=0.4~1×1n。
      
      ——短延時電磁脫扣器動作電流整定值Im,為過載脫扣器動作電流整定值Ir的倍數,倍數固定或可調,如Im=2~10×Ir。
      
      ——瞬時電磁脫扣器動作電流額定值Im',為脫扣器額定電流In的倍數,倍數固定或者可調,如Im'=1.5~11×In。
      
      ——額定短路分斷能力Icn,常采用Icu、Ics表示,具體以產品標識為準。
      
      ——額定極限短路分斷能力Icu,是斷路器在規定的試驗電壓和其他規定條件下的極限短路分斷電流值,它可以用預期短路電流表示。
      
      ——額定運行短路分斷能力Ics,是斷路器在規定的試驗電壓和其他規定條件下的一種比極限短路分斷電流小的分斷電流值,Ics是Icu的一個百分數。
      
      對于額定短路分段能力大于1500A的小型斷路器,國標《家用及類似場所用斷路器》GB10963(等效IECB98)規定應進行額定極限短路分斷能力Icu和額定運行短路分斷能力Ics實驗。當Icu≤6000A時,Icu=Ics,故只需做Ics試驗,所以標明短路分斷能力為4500A、6000A的小型斷路器,其Icu=Ics=Icn,故一般只提及額定短路分斷能力Icn值。
      
      ——額定短時耐受電流Icw,是指斷路器在規定的試驗條件下短時間承受的電流值,
      
      2.3開關的選擇原則:
      
      在選配開關時除了基本的額定電壓之類的基本參數需要考量外,還需要遵循:斷路器的整定閥值Ir上線>Ir下線,Im上線>Im下線兩個基本原則。
      
      如圖6所示電路需要實現選擇性保護的設計注意事項,否則就會出現越級跳閘故障:
      
      IrD:熱整定;IrmD:磁整定;IcuD:極限分斷能力;如果IcuD2≤IrmDl僅D2開關斷開。
      
      三、電池監控系統的使用注意事項
      
      蓄電池是UPS電源系統中最為重要后備能源,因此重要性就不用筆者去贅述了。近年來各種電池監測系統也是百花齊放,這些系統能夠幫助運維人員,實時監測每節蓄電池電在放電和充電狀態下的電流和端電壓變化,檢測每節蓄電池的內阻性能,其中電池內阻是目前業內用來判定電池性能是否存在老化的一個重要指標。
      
      這些系統的主要工作原理基本上都是雷同的,通過控制系統使用交、直流方法讓蓄電池向一個特定的負載放電,然后利用歐姆定律計算出相應電池的內阻參數,所以每一次在計算電池內阻時,監控系統均會對蓄電池進行一次放電。
      
      筆者在實際應用過程中發現,在長期使用電池內阻監測系統時,UPS蓄電池組呈現電池內阻均一性差異的概率會相對變高,這種情況在部分使用間歇式充電技術的UPS設備上表現會更加顯著,筆者認為這應該與監控系統頻繁對蓄電池進行放電檢測有關,所以在使用電池監測系統時,最好請廠商將UPS的充電調整為浮充模式,另外在每年至少需要安排對蓄電池進行1~2次的均充維護,以保障蓄電池系統的均一性趨于良好。
      
      編輯:Harris

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