如果您企業(yè)的數(shù)據(jù)中心不能保證24/7全天候提供服務(wù)，那么您的業(yè)務(wù)可能不會保持長期正常的運轉(zhuǎn)。我們生活在一個始終不間斷運營的商業(yè)環(huán)境中，最終用戶需要隨時隨地的訪問他們所需要的應(yīng)用程序。

您企業(yè)需要增強數(shù)據(jù)中心的彈性和可靠性。本文中，我們將與您分享有關(guān)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(yè)大環(huán)境中，“永遠保持在線運行”的業(yè)務(wù)環(huán)境、可靠性和韌性始終是關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施的首要任務(wù)。然而，這方面的目標極有可能受到這些設(shè)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(yè)界專家們將在本文中為您提供對數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)的全面了解；其借鑒了該公司在這些領(lǐng)域多年的經(jīng)驗，提供了教科書可能無法提供的相關(guān)設(shè)計指導(dǎo)和實用性的提示，但卻有助于顯著提升您企業(yè)系統(tǒng)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(guān)標準的遵守。

數(shù)據(jù)中心配電系統(tǒng)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(fā)電機和不間斷電源（UPS）輸入，然后通過交換設(shè)備、斷路器進入到所支持的ICT、冷卻設(shè)備和相關(guān)負載進行輸出。因此，我們不僅要了解與電力設(shè)備的每個項目相關(guān)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(shù)據(jù)中心負載的變化而變化的本質(zhì)屬性，使得我們對于這方面需要特別注意。

在正常運行和發(fā)生故障的兩種情況下，保持安全和消除人員和設(shè)備的風(fēng)險無疑是至關(guān)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(fā)電機的電力系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)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(guān)的影響、靜態(tài)旁路、不同的斷路器類型和選擇性問題。與此同時，電力基礎(chǔ)設(shè)施未來增長的相關(guān)影響也被考慮了——當模塊被添加到可擴展系統(tǒng)時，發(fā)生故障情況和選擇性問題應(yīng)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(xiàn)的保護。

文章中還探討了必須防止靜態(tài)開關(guān)故障引起的反向饋電電流；借助現(xiàn)代UPS系統(tǒng)減輕這些現(xiàn)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(guān)的國際安全立法。在正常運行、維護期間及發(fā)生故障的不同條件下的UPS操作的詳細考慮因素；系統(tǒng)的可用性和對關(guān)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(jīng)驗豐富的UPS供應(yīng)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(yōu)化，三極和四極開關(guān)和選擇性問題�？偟膩碚f，本文將為大家提供關(guān)于如何提高數(shù)據(jù)中心可靠性和安全性的相關(guān)知識，以及如何防止不必要的停機中斷。

在動態(tài)環(huán)境中保持最新狀態(tài)

最關(guān)鍵應(yīng)用程序的管理人員發(fā)現(xiàn)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(xiàn)，相關(guān)的焦點也隨之出現(xiàn)頻繁的變化；這方面的例子包括抗震性、環(huán)境硫磺污染、EMI、散熱、職責(zé)的轉(zhuǎn)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(tǒng)（UPS） 標準》的第1部分：《UPS使用的一般要求和安全要求》所規(guī)定的。該標準也是歐洲規(guī)范，并規(guī)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(nèi)安裝一款內(nèi)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(nèi)部執(zhí)行反饋檢測和控制，同時在安全標準描述的相關(guān)開關(guān)設(shè)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(nèi)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(dǎo)致可能的危險電壓。請注意， “反饋”這一術(shù)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(dǎo)體和晶閘管的靜態(tài)開關(guān)以及相關(guān)聯(lián)的控制和緩沖電路可能不能為上游電氣網(wǎng)絡(luò)的安全維護提供足夠的隔離，即使其正如企業(yè)所預(yù)期的那樣工作。當靜態(tài)開關(guān)晶閘管的門極信號（gate signal）關(guān)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(tǒng)，而不僅僅是經(jīng)常被認為的故障情況。

圖1：具有內(nèi)部反饋保護裝置的UPS與左側(cè)靜態(tài)旁路開關(guān)串聯(lián)；外部輸入線隔離裝置的原理在右邊實現(xiàn)。

如果依賴于一款外部設(shè)備，則該要求將涉及到安裝，而不是產(chǎn)品本身。在這種情況下，履行最低立法要求的責(zé)任在于電氣承包商或安裝業(yè)主，他們對UPS設(shè)備和安裝產(chǎn)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(fēng)險，UPS產(chǎn)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(guān)設(shè)備接入點和開關(guān)設(shè)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(guān)時一起使用。

一些UPS型號有內(nèi)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(yīng)商的不同UPS型號產(chǎn)品是否具備內(nèi)部設(shè)備會根據(jù)版本的不同而變化。因此，在選擇UPS產(chǎn)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(chǎn)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(jié)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(tǒng)增加“隱藏成本”。該設(shè)備將需要與開關(guān)設(shè)備內(nèi)的UPS相同或相似的組件，以響應(yīng)主電源狀態(tài)進而控制其開關(guān)。一款電動機斷路器或與過流保護串聯(lián)的接觸器是實現(xiàn)此目的的典型方法。

這些可能會對批準的開關(guān)設(shè)備的類型產(chǎn)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(guān)的控制線路時，也會存在與設(shè)計、協(xié)調(diào)、人力和材料相關(guān)的成本。

使用具備安裝就緒且經(jīng)過了工廠測試的內(nèi)部反饋保護裝置的UPS產(chǎn)品有助于確保安全要求是由UPS供應(yīng)商來履行，而不是依靠他人來處理；這使得解決方案對企業(yè)客戶而言更容易。

對容錯的影響

在UPS系統(tǒng)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(fā)生危險電壓。由于在實踐中，反饋保護將UPS系統(tǒng)輸出與輸入電源隔離，并與靜態(tài)開關(guān)串聯(lián)，因此也可用于另一目的；具體來說，將系統(tǒng)中的故障靜態(tài)開關(guān)隔離開來。

這種反向保護的輔助功能有助于提高系統(tǒng)的彈性，并且在考慮UPS系統(tǒng)中的反饋保護時，其通常成為更廣泛討論的話題。然而，應(yīng)該強調(diào)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(tǒng)在線，并保護關(guān)鍵工作負載，即使是有故障的靜態(tài)開關(guān)；從系統(tǒng)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(tài)開關(guān)的影響是非常受歡迎的。

單一UPS系統(tǒng)中的反饋保護

如圖3所示，Eaton公司所提供的三相UPS設(shè)備包括一款內(nèi)部反饋保護裝置作為標準。其包括一款內(nèi)部反饋接觸器（K5），可在靜態(tài)開關(guān)內(nèi)自動防止故障情況。

如果一款靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障，將其驅(qū)動到不需要的導(dǎo)電狀態(tài)，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(jù)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(dǎo)致UPS系統(tǒng)過載，激活變頻器的電流限制，并且由于各種原因?qū)е屡月诽�閘甚至關(guān)閉。因此，故障可能對系統(tǒng)運行和可靠性產(chǎn)生重大影響。

圖3：具有靜態(tài)開關(guān)和內(nèi)部反饋保護（K5）的UPS

當UPS不處于旁路模式且靜態(tài)旁路開關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)換模式下仍繼續(xù)運行，即使是在靜態(tài)開關(guān)故障時。

警報將通知現(xiàn)場人員，或者遠程監(jiān)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(lián)UPS系統(tǒng)中的反饋保護

UPS在UPS系統(tǒng)中并聯(lián)，以獲得更高的可用性或更大的容量。圖4顯示了具有內(nèi)部反向饋電接觸器K5的分布式旁路配置的并聯(lián)UPS系統(tǒng)。

在其中一個靜態(tài)開關(guān)中所出現(xiàn)的故障將潛在地允許并聯(lián)的逆變器在系統(tǒng)輸出和電源之間饋送或抽取電流。因此，單個靜態(tài)旁路開關(guān)中的故障最終可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的嚴重故障。但是，由于電路故障導(dǎo)致的電流流失可以被檢測到，并且在相關(guān)聯(lián)的UPS模塊內(nèi)部的反饋接觸器會自動打開，允許系統(tǒng)保持雙重轉(zhuǎn)換操作，以保護負載。

并聯(lián)系統(tǒng)的靜態(tài)旁路線路具有冗余性，因為一個靜態(tài)旁路故障不會阻止其他旁路線路的運行。在冗余并行系統(tǒng)中，靜態(tài)旁路故障不會以任何方式影響系統(tǒng)的旁路能力；然而，在容量并行系統(tǒng)中，旁路容量將略有降低。

一些并聯(lián)UPS系統(tǒng)使用集中旁路拓撲，其中系統(tǒng)旁路模塊（SBM）為所有并聯(lián)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(nèi)部旁路開關(guān)一樣，包括反并聯(lián)連接的晶閘管。因此，服務(wù)人員存在相同的安全隱患，可能會發(fā)生類似的故障機制；因此，反饋保護對于集中式旁路系統(tǒng)同樣重要，也是強制性的要求。在并聯(lián)UPS系統(tǒng)中，內(nèi)部反饋保護意味著分布式旁路系統(tǒng)中的每個靜態(tài)開關(guān)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(tài)開關(guān)安裝一個接觸器，因此其中一個開關(guān)的故障或?qū)��?dǎo)致連接到公共反饋接觸器的所有靜態(tài)旁路線路的全部損失。在一些模塊化UPS設(shè)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(tài)開關(guān)。對系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性，因為它是一個組件，就也可能會出現(xiàn)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(fā)生故障失敗，其在系統(tǒng)中如何使用以及可能的影響。

如果反饋接觸器故障關(guān)閉，并且在供電丟失時不打開，那么直到靜態(tài)旁路開關(guān)發(fā)生故障，都不會影響UPS系統(tǒng)的運行；需要發(fā)生第二次故障才會影響UPS系統(tǒng)的運行。該系統(tǒng)將幾乎像一個沒有反饋保護的系統(tǒng)。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(guān)閉。在實踐中，這意味著如果有相應(yīng)的需要時，旁路線路不可用。只有一條靜態(tài)旁路線路的系統(tǒng)將失去所有旁路容量；那些具有多個靜態(tài)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(guān)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(tài)開關(guān)檢測的UPS可以隔離故障的靜態(tài)旁路開關(guān)，任何時候這都是系統(tǒng)的關(guān)鍵故障，并將消除系統(tǒng)中的單點故障。這種優(yōu)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(tǒng)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(shè)備和設(shè)備安裝的強制性要求。UPS系統(tǒng)的設(shè)計必須安全；唯一的問題是如何實現(xiàn)安全設(shè)計，以提高系統(tǒng)級彈性的形式實現(xiàn)最大的額外收益。

IEC 62040-1：2008——2013修改件

《IEC 62040-1：2008不間斷電源系統(tǒng)（UPS） 標準》的第1部分：《UPS使用的一般要求和安全要求》為UPS產(chǎn)品及其安裝提供了強制性的安全相關(guān)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(jù)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(jù)UPS制造商聲明的預(yù)期短路電流的價值，可以在特定條件下經(jīng)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(yīng)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(chǎn)品的安全和安裝。所選設(shè)備的額定值必須等于或超過UPS安裝中發(fā)現(xiàn)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(nèi)部電路和組件的安全水平。 SCPD可以是UPS的內(nèi)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(shè)存在這樣的路徑的話。這個低阻抗路徑既可以是UPS的內(nèi)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(tài)旁路開關(guān)電路；如果其是UPS的一個組成部分，或基于UPS產(chǎn)品標準所出售的UPS系統(tǒng)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(guān)柜組件的一部分時，它將自動落入開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品類別和相關(guān)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(shè)所有電路都將共享故障電流，則不能在系統(tǒng)級別評估安全性，因為在維修活動和調(diào)試期間或者系統(tǒng)的某些部件出現(xiàn)故障或不運行時，產(chǎn)品和人員的安全也必須得到保證。換句話說，并聯(lián)更多的UPS單元或靜態(tài)開關(guān)不會降低對各個靜態(tài)開關(guān)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(fā)電機與變壓器并聯(lián)運行，導(dǎo)致更高的故障電流水平，則必須選擇額定值以適應(yīng)此條件，并且必須連同UPS的合規(guī)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(nèi)。無論如何，UPS供應(yīng)商可以宣稱比所需數(shù)字更高的數(shù)字；從應(yīng)用程序的角度來看，這些也是可取的。

符合安全要求的UPS產(chǎn)品必須通過由UPS供應(yīng)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(jié)束時，產(chǎn)品需要被證實滿足了以下標準的合規(guī)性：

a）UPS不得發(fā)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(fā)射出的金屬顆粒

b）從帶電部件到UPS底盤或外殼不得發(fā)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(dǎo)體不得從其終端連接器拔出，不得損壞導(dǎo)體或?qū)�體絕緣體

f）UPS應(yīng)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(yīng)商將對所選SCPD進行產(chǎn)品測試。UPS供應(yīng)商有責(zé)任選擇保護裝置，并根據(jù)需要進行測試來驗證設(shè)計。如果使用外部保護裝置，UPS供應(yīng)商應(yīng)說明設(shè)備類型。只有當保護裝置經(jīng)由UPS供應(yīng)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(yīng)商依靠UPS供電開關(guān)設(shè)備內(nèi)的外部短路保護裝置，則UPS系統(tǒng)安全要求落在設(shè)備安裝方面，并由其設(shè)計人員、電氣承包商和業(yè)主負責(zé)。這些人可能不具備足夠的產(chǎn)品特定標準和要求的相關(guān)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(shè)備。

圖6：如上所述，UPS的耐受額定電流適用于UPS靜態(tài)旁路電路，無論是在UPS內(nèi)還是作為集中式系統(tǒng)級旁路。如果這是UPS（系統(tǒng)）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(guān)設(shè)備要求。

從一開始，UPS故障電流額定值就必須大于現(xiàn)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(chǔ)設(shè)施的可能。并聯(lián)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(guī)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(jīng)批準的類型，并且將來不應(yīng)替換為其他類型，例如在開關(guān)設(shè)備組件上執(zhí)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(chǔ)設(shè)施的安全要求。然而，很少有人意識到UPS產(chǎn)品特定的安全要求，造成了這些方面可能被忽視的風(fēng)險。

為了降低安全相關(guān)要求中的錯誤風(fēng)險，指定和使用具有內(nèi)部SCPD并且具有高故障電流水平的，經(jīng)過了實驗室測試的產(chǎn)品可能是有益的。市場上有具備內(nèi)部SCPD且高達100 kA額定值的UPS產(chǎn)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(chǎn)品技術(shù)專家的UPS供應(yīng)商們將通過在產(chǎn)品中內(nèi)置安全和驗證的設(shè)計來保護自己。他將放心，產(chǎn)品和安裝符合了所有法律監(jiān)管的強制性要求。