摘要：如果您企業的數據中心不能保證24/7全天候提供服務，那么您的業務可能不會保持長期正常的運轉。我們生活在一個始終不間斷運營的商業環境中，最終用戶需要隨時隨地的訪問他們所需要的應用程序。
如果您企業的數據中心不能保證24/7全天候提供服務，那么您的業務可能不會保持長期正常的運轉。我們生活在一個始終不間斷運營的商業環境中，最終用戶需要隨時隨地的訪問他們所需要的應用程序。
您企業需要增強數據中心的彈性和可靠性。本文中，我們將與您分享有關不間斷電源(UPS)安裝的安全要求和技巧，以及提高電源可靠性的一些技巧。
在今天的24/7全天候運營的商業大環境中，“永遠保持在線運行”的業務環境、可靠性和韌性始終是關鍵任務設施的首要任務。然而，這方面的目標極有可能受到這些設施的日常使用和運行的實際方面的威脅。
有鑒于此，來自Eaton公司的業界專家們將在本文中為您提供對數據中心配電系統的全面了解;其借鑒了該公司在這些領域多年的經驗，提供了教科書可能無法提供的相關設計指導和實用性的提示，但卻有助于顯著提升您企業系統的可靠性、電源可用性和正常運行時間，同時確保安全性和對于相關標準的遵守。
數據中心配電系統作為一個整體是從可用電源延伸而來的——其通常往往是從變壓器、發電機和不間斷電源(UPS)輸入，然后通過交換設備、斷路器進入到所支持的ICT、冷卻設備和相關負載進行輸出。因此，我們不僅要了解與電力設備的每個項目相關的問題，還有必要了解這些項目是如何相互影響的。而鑒于這些項目之間的相互影響還可能隨著數據中心負載的變化而變化的本質屬性，使得我們對于這方面需要特別注意。
在正常運行和發生故障的兩種情況下，保持安全和消除人員和設備的風險無疑是至關重要的。同時還需要考慮電弧，注意其危險性及如何緩解。在本文中，我們將看到同時具備變壓器和發電機的電力系統的設計應該能夠處理過載的電流和短路條件以及額定運行，尤其注意三極和四極開關的影響、靜態旁路、不同的斷路器類型和選擇性問題。與此同時，電力基礎設施未來增長的相關影響也被考慮了——當模塊被添加到可擴展系統時，發生故障情況和選擇性問題應如何解決?還討論了如何最大限度地減少人為誤差所造成的影響，并回顧了通過互鎖實現的保護。
文章中還探討了必須防止靜態開關故障引起的反向饋電電流;借助現代UPS系統減輕這些現象，以及過載條件，特別是階躍變化，以及整流器電流限制。文中還涉及到相關的國際安全立法。在正常運行、維護期間及發生故障的不同條件下的UPS操作的詳細考慮因素;系統的可用性和對關鍵負載的保護及安全性的影響將凸顯在開始任何新的UPS安裝或升級之前，咨詢經驗豐富的UPS供應商的可行性。
雖然本文第一部分著眼于配電，但其重點是UPS。而在接下來的幾個部分中，則涵蓋了UPS和配電主題;饋線和優化，三極和四極開關和選擇性問題。總的來說，本文將為大家提供關于如何提高數據中心可靠性和安全性的相關知識，以及如何防止不必要的停機中斷。
在動態環境中保持最新狀態
最關鍵應用程序的管理人員發現自己需要不斷地在可靠性與投資之間進行最佳平衡。伴隨著新課題的出現，相關的焦點也隨之出現頻繁的變化;這方面的例子包括抗震性、環境硫磺污染、EMI、散熱、職責的轉換等等。
反向饋電保護(Backfeed protection) 立法
反向饋電保護是由《IEC 62040-1:2008不間斷電源系統(UPS) 標準》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》所規定的。該標準也是歐洲規范，并規定了帶有法律強制性要求，以確保UPS安裝過程中維修人員的安全。該標準允許反向饋電保護的兩種替代方案;在UPS內安裝一款內部反向饋電隔離裝置，或安裝外部輸入線路隔離裝置，只在UPS內部執行反饋檢測和控制，同時在安全標準描述的相關開關設備中需要警告標簽。當輸入電源丟失時，反饋保護裝置必須在15秒內通過分離的方式將電源中任何永久連接的UPS的輸出隔離，以防止在上游導致可能的危險電壓。請注意， “反饋”這一術語和本文中涉及到的人員安全和危險電壓或能量要求，并不是有時被誤認為的反向功率流。
重要的是要理解，包括半導體和晶閘管的靜態開關以及相關聯的控制和緩沖電路可能不能為上游電氣網絡的安全維護提供足夠的隔離，即使其正如企業所預期的那樣工作。當靜態開關晶閘管的門極信號(gate signal)關閉并且不通過電源時，電路可能會在上游泄漏一些電壓和電流，其足以對人員造成危害。因此，反向饋電保護主要是在正常運行條件下用于UPS系統，而不僅僅是經常被認為的故障情況。
圖1：具有內部反饋保護裝置的UPS與左側靜態旁路開關串聯;外部輸入線隔離裝置的原理在右邊實現。
如果依賴于一款外部設備，則該要求將涉及到安裝，而不是產品本身。在這種情況下，履行最低立法要求的責任在于電氣承包商或安裝業主，他們對UPS設備和安裝產品的特定安全標準要求可能缺乏足夠的了解。
如果外部連接的反饋保護裝置在存儲能量模式下工作，則可能會受到來自UPS的危險電壓的影響。為了讓維修人員知曉這種風險，UPS產品安全標準要求用戶在UPS和外部反饋保護裝置之間的所有開關設備接入點和開關設備上均需明確標示警告標簽。
圖2：IEC 62040-1：2008中所述的警告標簽，與外部反饋保護裝置以及在永久連接的UPS上游使用四極開關時一起使用。
一些UPS型號有內部反饋保護作為標準，但其他UPS型號則沒有。在某些情況下，來自同一家供應商的不同UPS型號產品是否具備內部設備會根據版本的不同而變化。因此，在選擇UPS產品，并驗證是否必須將反饋保護裝置安裝到UPS電源中時，必須小心留意。
對于某些UPS產品型號而言，依靠外部反向饋電保護可能會影響UPS供電配置。其可以強制使用雙饋電源，為整流器和旁路供電，而不是采用在許多情況下可以接受的單一饋電，同時節省成本。
還值得一提的是，在UPS外部的反饋保護裝置將為UPS系統增加“隱藏成本”。該設備將需要與開關設備內的UPS相同或相似的組件，以響應主電源狀態進而控制其開關。一款電動機斷路器或與過流保護串聯的接觸器是實現此目的的典型方法。
這些可能會對批準的開關設備的類型產生影響，并帶來額外的成本。在安裝外部反饋保護裝置和相關的控制線路時，也會存在與設計、協調、人力和材料相關的成本。
使用具備安裝就緒且經過了工廠測試的內部反饋保護裝置的UPS產品有助于確保安全要求是由UPS供應商來履行，而不是依靠他人來處理;這使得解決方案對企業客戶而言更容易。
對容錯的影響
在UPS系統中，反饋保護的主要目的是防止當供電從UPS中移除，并且UPS正在以存儲能量模式運行時，在上游發生危險電壓。由于在實踐中，反饋保護將UPS系統輸出與輸入電源隔離，并與靜態開關串聯，因此也可用于另一目的;具體來說，將系統中的故障靜態開關隔離開來。
這種反向保護的輔助功能有助于提高系統的彈性，并且在考慮UPS系統中的反饋保護時，其通常成為更廣泛討論的話題。然而，應該強調的是，如前所述，反饋保護是為了確保人員安全和強制性的要求。
隔離故障旁路電路的功能可以使UPS系統在線，并保護關鍵工作負載，即使是有故障的靜態開關;從系統中消除單點故障并增加容錯能力。因此，在UPS的二次使用反饋保護功能，以減少故障靜態開關的影響是非常受歡迎的。
單一UPS系統中的反饋保護
如圖3所示，Eaton公司所提供的三相UPS設備包括一款內部反饋保護裝置作為標準。其包括一款內部反饋接觸器(K5)，可在靜態開關內自動防止故障情況。
如果一款靜態開關發生故障，將其驅動到不需要的導電狀態，則將在UPS輸出和電源之間供電;電源可以在任一方向上根據變頻器及輸入電源之間的電壓差和相位移動進行傳輸。
這種意外的電流可能導致UPS系統過載，激活變頻器的電流限制，并且由于各種原因導致旁路跳閘甚至關閉。因此，故障可能對系統運行和可靠性產生重大影響。
圖3：具有靜態開關和內部反饋保護(K5)的UPS
當UPS不處于旁路模式且靜態旁路開關未打開時，反饋檢測電路和UPS固件可以檢測旁路線路中的電流。然后打開內部反饋接觸器以隔離故障并防止UPS輸出和電源之間的電力流動，從而允許UPS在雙轉換模式下仍繼續運行，即使是在靜態開關故障時。
警報將通知現場人員，或者遠程監控站(如果使用的話)檢測到了單元中的缺陷，將以激活一系列計劃中的糾正措施。
并聯UPS系統中的反饋保護
UPS在UPS系統中并聯，以獲得更高的可用性或更大的容量。圖4顯示了具有內部反向饋電接觸器K5的分布式旁路配置的并聯UPS系統。
在其中一個靜態開關中所出現的故障將潛在地允許并聯的逆變器在系統輸出和電源之間饋送或抽取電流。因此，單個靜態旁路開關中的故障最終可能導致系統中的嚴重故障。但是，由于電路故障導致的電流流失可以被檢測到，并且在相關聯的UPS模塊內部的反饋接觸器會自動打開，允許系統保持雙重轉換操作，以保護負載。
并聯系統的靜態旁路線路具有冗余性，因為一個靜態旁路故障不會阻止其他旁路線路的運行。在冗余并行系統中，靜態旁路故障不會以任何方式影響系統的旁路能力;然而，在容量并行系統中，旁路容量將略有降低。
一些并聯UPS系統使用集中旁路拓撲，其中系統旁路模塊(SBM)為所有并聯UPS單元提供了一條通用的旁路線路，如圖4所示。
SBM與UPS的內部旁路開關一樣，包括反并聯連接的晶閘管。因此，服務人員存在相同的安全隱患，可能會發生類似的故障機制;因此，反饋保護對于集中式旁路系統同樣重要，也是強制性的要求。在并聯UPS系統中，內部反饋保護意味著分布式旁路系統中的每個靜態開關都包括反饋接觸器，因此可以保持配置冗余。相比之下，具有外部反饋接觸器通常意味著僅為多個靜態開關安裝一個接觸器，因此其中一個開關的故障或將導致連接到公共反饋接觸器的所有靜態旁路線路的全部損失。在一些模塊化UPS設計中使用了類似的實施方案，其中一個反饋電源接觸器用于多個或所有靜態開關。對系統冗余和彈性的影響可能更大。
有一種觀點認為，反饋保護裝置本身可能會降低系統的可靠性，因為它是一個組件，就也可能會出現故障失敗。
這是非常真實的，但有很多因素要考慮。這些因素包括組件通常如何發生故障失敗，其在系統中如何使用以及可能的影響。
如果反饋接觸器故障關閉，并且在供電丟失時不打開，那么直到靜態旁路開關發生故障，都不會影響UPS系統的運行;需要發生第二次故障才會影響UPS系統的運行。該系統將幾乎像一個沒有反饋保護的系統。無論如何，這種故障失敗是罕見的。
另一種更典型的故障模式是反饋接觸器未按照適當需求被打開或關閉。在實踐中，這意味著如果有相應的需要時，旁路線路不可用。只有一條靜態旁路線路的系統將失去所有旁路容量;那些具有多個靜態旁路，而且每個都有自己的反饋接觸器的，僅會損失部分容量。
請注意，只有當主旁路電源可用時，UPS旁路線路才可用——旁路管路可用性不能高于其供電。顯然，具有相關控制電路的反饋保護裝置的可靠性遠遠高于主電源，因此對旁路線路總體可用性的影響可以忽略不計。
具有反饋保護和短路靜態開關檢測的UPS可以隔離故障的靜態旁路開關，任何時候這都是系統的關鍵故障，并將消除系統中的單點故障。這種優勢勝過由反饋保護引起的對旁路可用性的邊際影響，并提高整體系統的彈性。
最后，個人偏好不是決定因素。確保維修人員的安全是UPS設備和設備安裝的強制性要求。UPS系統的設計必須安全;唯一的問題是如何實現安全設計，以提高系統級彈性的形式實現最大的額外收益。圖4：左側是分布式旁路配置中的并行UPS系統，右側是集中旁路系統。這兩個例子都有內部反饋保護裝置;UPS單元內的接觸器(K5)和用于大型集中旁路的隔離器/開關(無跳閘單元)的電動機空氣斷路器(FBP)。
IEC 62040-1:2008——2013修改件
《IEC 62040-1:2008不間斷電源系統(UPS) 標準》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》為UPS產品及其安裝提供了強制性的安全相關要求。CE標示要求遵守本標準，并具有法律效力。最新要求，IEC 62040-1:2008——2013修訂版，于2016年2月起正式成為強制性要求。這要求UPS制造商聲明：
● 短時耐受電流(ICW)：短時電流的有效值由UPS制造商聲明，可以根據當前電流和時間定義在特定條件下進行，而不造成損壞，
或者
● 額定限制短路電流(ICC)：根據UPS制造商聲明的預期短路電流的價值，可以在特定條件下經受對短路保護裝置(SCPD)的總運行時間(清除時間)。
實際上，UPS供應商必須說明UPS輸入終端允許的最大允許故障電流水平，以維持UPS產品的安全和安裝。所選設備的額定值必須等于或超過UPS安裝中發現的故障電流水平，并且在任何情況下不得超過這些聲明值。
當使用條件短路電流ICC額定值時，通過短路保護裝置(SCPD)(通常為保險絲)將故障電流降低到UPS內部電路和組件的安全水平。 SCPD可以是UPS的內部部分，也可以是UPS的上游電源中的外部。
鑒于標準中的要求僅適用于UPS的低阻抗路徑，假設存在這樣的路徑的話。這個低阻抗路徑既可以是UPS的內部旁路電路，也可以是多個UPS的大型通用旁路。它包括從旁路輸入終端到UPS輸出終端的靜態旁路開關電路;如果其是UPS的一個組成部分，或基于UPS產品標準所出售的UPS系統組件，那么其也可以延伸到UPS機械(維護)旁路電路。當外部維護旁路用作低壓開關柜組件的一部分時，它將自動落入開關設備產品類別和相關要求。
該標準還要求每個旁路電路必須在可用故障電流水平下保持獨立安全。假設所有電路都將共享故障電流，則不能在系統級別評估安全性，因為在維修活動和調試期間或者系統的某些部件出現故障或不運行時，產品和人員的安全也必須得到保證。換句話說，并聯更多的UPS單元或靜態開關不會降低對各個靜態開關或UPS單元的要求。
圖5：UPS的耐受額定電流必須匹配或超過安裝中的可用故障電流。在上述示例中，UPS承受電流要求是基于主電源可用的故障電流。如果發電機與變壓器并聯運行，導致更高的故障電流水平，則必須選擇額定值以適應此條件，并且必須連同UPS的合規性一起驗證，以及將來的可能的安裝變化。
在標準中給出了故障電流水平的最低要求，但這些要求可以略低于實際安裝中通常所見，特別是在較大的UPS單元內。無論如何，UPS供應商可以宣稱比所需數字更高的數字;從應用程序的角度來看，這些也是可取的。
符合安全要求的UPS產品必須通過由UPS供應商(制造商)進行的測試來驗證。測試是強制性的，僅有兩個例外，即：要么聲明的耐受電流額定值≤10 kA要么峰值通過的電流被SCPD限制在≤17 kA。
在測試結束時，產品需要被證實滿足了以下標準的合規性：
a)UPS不得發出火焰、熔融金屬或燃燒顆粒，除了當清除故障時通常從斷路器所發射出的金屬顆粒
b)從帶電部件到UPS底盤或外殼不得發出電弧
c)組件，例如用于安裝帶電部件的母線支架不得遠離其初始位置
d)任何外殼門不得快速打開(因為可能造成人身傷害)，只能通過其正常閂鎖來防止
e)導體不得從其終端連接器拔出，不得損壞導體或導體絕緣體
f)UPS應成功通過電氣強度試驗
當使用限制短路電流ICC額定值時，UPS供應商將對所選SCPD進行產品測試。UPS供應商有責任選擇保護裝置，并根據需要進行測試來驗證設計。如果使用外部保護裝置，UPS供應商應說明設備類型。只有當保護裝置經由UPS供應商說明，并通過測試進行了驗證，其才能夠被使用。
如果UPS供應商依靠UPS供電開關設備內的外部短路保護裝置，則UPS系統安全要求落在設備安裝方面，并由其設計人員、電氣承包商和業主負責。這些人可能不具備足夠的產品特定標準和要求的相關知識，以確保保護裝置的正確使用，并且從未被替換為具有較少保護和具有較高的通過能量的設備。
圖6：如上所述，UPS的耐受額定電流適用于UPS靜態旁路電路，無論是在UPS內還是作為集中式系統級旁路。如果這是UPS(系統)的組成部分，它也適用于機械旁路。通常使用外部維護旁路;如果是這樣的話，其必須遵循低壓開關設備要求。
從一開始，UPS故障電流額定值就必須大于現場最壞的情況。對于多個饋電，必須允許可能的并行運行電源以及將來更改和升級到上游電氣基礎設施的可能。并聯多個器件不會降低每個單元的故障電流要求。任何影響故障電流水平的安裝變更后，都必須重新評估UPS的合規性。如果使用外部SCPD來保護UPS，這一點尤為重要。這些必須是經批準的類型，并且將來不應替換為其他類型，例如在開關設備組件上執行更改和升級時。
作為法律要求，UPS的安裝必須滿足人員和基礎設施的安全要求。然而，很少有人意識到UPS產品特定的安全要求，造成了這些方面可能被忽視的風險。
為了降低安全相關要求中的錯誤風險，指定和使用具有內部SCPD并且具有高故障電流水平的，經過了實驗室測試的產品可能是有益的。市場上有具備內部SCPD且高達100 kA額定值的UPS產品。這些超出了標準的最低要求，并且允許它們在幾乎任何安裝中使用，對于第一天安裝使用或之后的變更的供電沒有特殊要求。這樣，作為產品技術專家的UPS供應商們將通過在產品中內置安全和驗證的設計來保護自己。他將放心，產品和安裝符合了所有法律監管的強制性要求。
結論
本文從回顧《IEC 62040-1:2008不間斷電源系統(UPS) 標準》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》的相關規定入手，展開探討。說明當輸入電源丟失時，永久連接的UPS的輸出必須在15秒內與電源隔離。這可以保護人員免受危險電壓或能量的損害;事實上，反饋保護在正常運行和發生故障的條件下都在運行。
反向饋電保護可以提高系統彈性，盡管這作為強制性要求是為遵循安全機制所帶來的次要影響。 UPS可以檢測反饋電流，并在發出報警時打開內部反饋連接器。這允許UPS繼續采用雙轉換模式，顯著提高系統運行和可靠性。
在本文中，我們還了解到如何將反饋保護應用于分布式和集中式的多UPS配置，同時保持相同級別的安全性、系統冗余性和可用性。討論了UPS供應商和UPS內部已安裝反饋保護對于用戶的優勢。
本文還回顧了IEC 62040-1：2008 -2013修訂版，要求UPS制造商聲明UPS的額定短時耐受電流或額定限制短路電流。如果使用外部短路保護裝置，整個系統安全的責任便轉移給了可能不具備必要的技術和法律知識的企業用戶。而通過使用具有內置保護功能的UPS則可以避免這些問題。
總的來說，我們強烈建議企業用戶提前咨詢一家完善的UPS供應商。 這不僅有助于消除企業用戶因缺乏對所有相關要求的了解而導致的違規行為，同時還確保利用現代UPS技術為企業用戶提供每一項利益; 進而保證了人員和設備在正常運行、維護和發生故障的條件下均能夠享有他們有權享有的安全，同時系統彈性和可用性也保持在最高水平。
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