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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(fù)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(dāng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)描述的相關(guān)開關(guān)設(shè)備中需要警告標(biāo)簽。當(dāng)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(rèn)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(dāng)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(rèn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)示警告標(biāo)簽。

圖2：IEC 62040-1：2008中所述的警告標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)，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(zhǔn)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(dāng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)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(yán)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(fù)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?fù)�，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(rèn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)》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(biāo)示要求遵守本標(biāo)準(zhǔn)，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(dāng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(fù)責(zé)。這些人可能不具備足夠的產(chǎn)品特定標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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。