UPS“双总线输出”供电系统用负载自动切换开关

1　配置负载自动切换开关的必要性

　　当今的市场经济和社会活动对信息网络(互联网、电信网、工业自动化控制网、政府的电子政务网站等)的依赖程度是如此之高，那怕是仅几分钟的“网络瘫痪”就可能会给公司，企业及行政管理机构的销售，经营管理、社会生活的正常运行、声誉、及公众形象带来难以估量的损失。鉴于公众对“信息网络”的正常运营服务所期望的高度“时效性”，为此要求负责向它供电的UPS供电系统必须具有提供100%”高可利用率”的供电能力。目前，常采用的技术措施之一是：在各种重要的信息网络机房中、配置“N+1”型UPS冗余并机系统, 从而为确保各种网络设备能安全、可靠地处理/传输/存储数据和各种信息资料创造出优良的电源运行环境。多年来的运行实践证明：“N+1”UPS冗余并机系统具有如下技术优势：
　　增强UPS供电系统的“容错”功能：在由“N+1”台UPS所构成的UPS冗余并机系统的运行中，如果其中某台UPS因故”出故障”时、剩下的N台UPS具有足够的”带载能力”向后接的网络设备提供纯洁的、稳压的UPS逆变器电源，从而确保各种网络设备的安全运行。这意味着：对于这样的带“容错”功能的UPS冗余供电系统而言，即使在遇到某台UPS因故出故障时，它仍能向它的负载提供具有100%“高可利用率”的高品质电源。
　　提高UPS供电系统的可靠性：例如“1+1”并机系统的平均无故障工作时间(MTBF)是UPS单机6倍左右。如果再考虑到：当今的中、大型UPS的MTBF值已高达40-50万小时的话，“1+1”UPS冗余供电系统的MTBF值可达250万小时左右。同普通市电电源的99.9%的“可利用率”相比，它可将UPS供电系统的”可利用率”提高到99.99997%以上。由此可见：它对提高供电系统的可靠性的作用是多么的巨大。
　　提高UPS供电系统的可维护性：它允许在UPS的逆变器电源供电的条件下、对位于UPS并机系统中的某台UPS单机执行”不带电”的定期维护/故障检修操作。
　　尽管在配置“N+1”型UPS冗余并机系统后、可极大地改善信息网络的供电环境。然而，近年来对当今IDC机房的运行状况的调查发现：仅靠“N+1”型UPS冗余并机系统并不可能100%地确保在它的输出端、再也不会出现”停电”事故。相关的统计资料证明：由于UPS的机型选配不当或输入配电系统/输出配电系统的设计不当而造成在UPS冗余并机系统中、出现从几十毫秒到几秒的“短暂停电”或超过几分钟的“长时间停电”的事故仍然時有发生(注：发生这种故障的相对比例很低)。众所周知：在“信息网络”的运行中，如果遇到出现超过20毫秒以上的“瞬间供电中断”故障发生时，就可能会导致服务器、小型计算机、网关等网络设备出现“开机自检”误动作(此时的服务器会在瞬间“自动关机”后，在极短的时间内、自动执行重新”开机启动”操作。这样一来，它必然会导致信息网络的操作系统和用户的应用软件破坏及关键数据的丢失)，从而致使“网络瘫痪”事故发生。相关的统计资料证明：一旦出现这种局面，要使信息网络恢复正常工作、往往需“耗时”短则几十分钟、长则到几小时以上，从而致使“网络瘫痪”事故的影响面被急剧地扩大。例如：某电信公司的电信网络在运行中，因UPS供电系统出现约3秒的“短暂供电中断”而导致其计费系统及电话号码的自动查询等关键系统停止工作，从而造成高达数百万元的营运损失及用户的大量投诉。为消除这种不幸事故的发生、所釆用的有效技术途径之一是配置如图1所示的UPS“双总线输出”供电系统。

图1：　UPS“双总线输出”冗余供电系统控制柜图
　　从UPS-A和UPS-B两套UPS供电系统送出的两路交流电源负责向各种网络设备供电(注：在这里，UPS-A和B两套系统既可以是UPS单机、也可以是“N+1”型UPS冗余并机系统。在工作实践中，在重要的IDC机房中，常釆用“1+1”/“2+1” 型UPS冗余并机系统来作为它的网络设备的供电电源)。位于UPS“双总线输出”供电系统的输出端的网络设备可分为三大类：
　　(a) 非关键性的设备(例：打印机、复印机及供浏览网络用的PC机等)：
　　由于对非关键的设备而言，当因电源问题而造成它们发生“停止工作”的故障时，一般说来、它仅会给用户带来工作不便/工作时间的浪费的烦恼，并不会造成重大的经济损失。因此，仅向它们提供单路供电电源。
　　(b) 釆用“1+1”式冗余供电的、带“双电源输入端”的关键的网络设备(例：服务器、磁盘阵列机、网关等)：
　　对于带“双电源输入”的网络设备而言，从UPS-A和B的输出配电柜所输出的两路UPS电源被分别送到这种设备的两个输入端上。在这样的冗余式“双路交流电源”供电设计的条件下，当遇到某套UPS供电系统因故出现“停电”事故时，它也能确保这些IT设备的正常运行。通过对当今的信息网络机房的调查发现：因各类用户的网络设备的配置水平/更新的速度的不同、所釆用的“双电源输入”供电的网络设备在总网络设备的配置中所占的比例大约在30% 到90%之间(注：对于某些重要的服务器而言，它们甚至釆用“2+1”冗余式的“叁电源输入”供电设计方案)。
　　(c) 带”单电源输入端”的关键的网络设备：
　　为确保向位于“信息网络”中的关键“单电源输入”供电的网络设备提供365*24小时的高品质UPS电源，就需要配置一种“负载自动切换开关”(LTM：Load Transfer Module)。分别来自两套UPS并机系统A和B输出端的两路“逆变器电源”被送到“负载自动切换开关(LTM开关)”的两个输入端上。在此，用户可以通过调整它的系统参数设置的办法，将其中的一路UPS电源设置为“优先供电电源”、将另一路UPS电源设置为“备用电源”。正常工作时，“单电源输入”的负载同用户所指定的承担“优先供电”任务的UPS电源相接通。当这路“优先供电电源”因故“出故障”时，LTM开关将立即把用户的负载切换到处于正常工作状态下的“备用UPS逆变器电源”上。因此，利用这种”负载自动切换开关”就能消除可能出现在UPS并机系统的输出端与用户负载端之间的“单点瓶颈”故障隐患。这样一来，就能向用户的关键负载提供具有100%”高可利用率”供电特性的高品质的电源供应, 从而为”信息网络”能长期地、安全地和可靠地运行创造出优良的电源运行环境。
　　有鉴于此，配置“负载自动切换开关”后、它将有助于UPS的输出线路能顺利地完成的如下调控任务：
　　(1) 提高UPS供电系统的可利用率：它能消除从UPS输出配电柜到用户负载端之间所可能出现的”单点瓶颈”故障隐患，达到能最大限度地降低网络设备因”输入停电”而出现”网络瘫痪”故障的发生的几率的目的。
　　(2) “择优供电”功能，提高UPS供电系统的供电质量：用户可以通过对输入到”负载自动切换开关”上的两路交流源的电压和频率设置”不同级别”的工作窗口大小的办法，将具有最高供电质量的那路UPS电源送到用户的负载上。
　　(3) 提高UPS供电系统的可维护性：当某套UPS供电系统因故需要执行”停电”维护或检修时，可通过重新选择“优先供电电源”的办法、将用户的负载自动切换到原来的“备用电源”上，从而达到在继续向负载提供高品质的UPS逆变器电源的同时、将原来处于“优先供电电源”工作状态的那套UPS供电系统置于“停电”和“脱机”的工作状态之下，以便为操作人员提供一个执行安全维修/检修操作的优良工作环境。
　　(4) 增强UPS供电系统的“故障隔离”功能：从上所述可知，造成”负载自动切换开关”执行切换操作的前提条件是：从”优先供电电源”送到LTM开关的输入端上的电源、一定是因故曾经出现过”停电”或”严重超限”事故。众所周知：能导致产生这种事故的原因、此时它所应执行的调控功能有：
　　当承担“优先供电电源”任务的那套UPS电源因故出现“停电”、“严重过压/欠压“故障”时，对于设计合理的“负载自动切换开关”来说，要求它必须自动执行“先断后通”的快速切换操作、以便在确保后接的网络设备安全运行的同时、还能有效地防止上述故障从”优先供电电源”系统扩散到另一套处于正常工作状态下的“备用电源”供电系统上。
　　当因故在“负载自动切换开关”的后接负载端出现“短路”/“严重过载”故障时，它不仅具备有“禁止切换”的保护功能。而且，还具备能承受往巨大的短路电流“冲击”的能力。这样一来，就能将短路故障的影响范围局限在最小范围之内,将可能造成的损失降低到最小的程度上。
　　(5) 釆用模块化的标准设计、降低它的平均维修时间(MTTR)：鉴于“负载自动切换开关”是处于“上接”两路冗余输入电源、“下接”各种网络设备的枢纽供电位置上及重要的信息网络必须向用户提供365*24小时的不间断的互联网增值服务的实际需求，不仅将它的各个关键部件(例：“可控硅”切换模块、断路器开关部件)设计成允许值班人员执行“带电、热插拔”操作的模块化结构。而且，还釆用将“弱电”控制部件同“强电”切换部件进行彻底“电隔离”的机械设计方案，从而达到消除因“人为误操作”而导致诱发其它的灾难性的故障的发生的目的。

2　负载自动切换开关(LTM开关)的型号

　　目前在市场上销售的负载自动切换开关的品种，可大体分为三大类：
　　a) 由可控硅所构成的三相、大功率STS静态开关(Static Transfer Switch)式的负载自动切换开关：其典型的标称输出电流有：60A、100A、160A、250A、400A、600A、800A、1000A和1200A的开关(注：少数厂家的STS产品是用在400V工作电压时的标称输出功率KVA来进行标注的);
　　b) 由两组大功率的快速继电器构成的中功率、SS(SmartSwitch)智能式的负载自动切换开关(SS型开关)：它包括三相25A和50A的开关及单相16A、25A和50A的开关;
　　c) 由一个中间继电器所组成的小功率冗余开关(Redundant Switch)式的负载自动切换开关：其品种为：单相10A、16A(注：这是60Hz时的参数。如果在50Hz下运行时，其额定工作电流仅为：8A、13A)。
　　下面将以艾默生公司的STS型的静态开关为例，对三相、大功率的负载自动切换开关的工作特性进行分析和讨论。
　　
3　大功率STS型负载自动切换开关(LTM开关)的工作原理

　　艾默生公司的STS-2型自动切换开关的控制框图被示于图2中。它是以“反向并联可控硅”为核心部件所组成的大功率的”静态开关”式的负载自动切换开关。有关它的各种工作特性将分析如下：

3.1　STS型自动切换开关的主控切换通道：

　　(1) 自动切换供电通道：由输入电源1、外置断路器开关Ka、断路器开关CB1、STS1和公用输出开关CB3组成它的第1条供电通道。由输入电源2、外置断路器开关Kb、断路器开关CB2、STS2和公用输出开关CB3组成其第2条供电通道。其中的STS1和STS2”静态开关”均是由反向并联的”SCR可控硅”来构成自动切换开关的”可控交流供电通道”。当我们将输入电源1和输入电源2分别选定为LTM开关的“优先供电电源”和“备用电源”时，在来自逻辑控制板的SCR的栅极触发信号的调控下，STS1和STS2将分别处于”导通”状态和”关断”状态。在此条件下，输入电源1就将通过Ka、CB1、STS1和CB3通道向后接负载供电。反之，如果将输入电源2选定为它的“优先供电电源”时、输入电2就将通过Kb、CB2、STS2和CB3供电通道向后接负载供电。
　　(2) 维修旁路供电通道：它是由两组带二匙二锁的”机电互锁”功能的CB1、CB2、CB3、CB4和CB5等断路器开关所组成的两条维修旁路来组成的。设置维修旁路的目的是：(ⅰ) 确保LTM开关在连续地向后接的网络设备供电的条件下，能对它内部的”STS功率切换”部件或”断路器开关” 等部件执行”脱机”式的更换操作; (ⅱ)防止因”误操作”而致使两路交流输入电源同时被”误接通”、并进而造成在它的输出端出现”停电” 等不幸事故的发生(注：为进一步提高LTM开关的”容错”功能，艾默生公司还能提供带双”公共输出开关”CB3和CB3A的产品)。
　　(3) “热插拔”更换操作：为确保在向后接负载不间断地供电的条件下，能对“负载自动切换开关”执行“带电式”的“热插拔”操作。所有STS功率切换模块及断路器开关都釆用“可热插拔”的、模块化的设计方案。在此条件下，操作人员就可根据从它的LCD显示屏上所获得的故障信息、釆用“带电”式“热插拔”操作的办法、迅速和准确地更换掉相关的“有故障”的部件，从而达到缩短平均维修时间(MTTR)的目的。