ATS在IDC供配電系統切換過程中局部過熱的故障分析

張雨默　劉強　金婷　李偉　李德鋒

摘要：隨著信息技術的不斷發展，大數據、云計算、人工智能等前沿技術蓬勃發展，IDC數據中心作為重要的基礎設施，支撐著新興技術的運行應用，IDC數據中心電源系統作為數據中心運行的動力“心臟”，運行的穩定性直接影響業務的穩定性。本文針對IDC電源系統中典型設備ATS（自動轉換開關）的一起故障進行分析，詳細分析了故障原因并總結了維護要點。

關鍵詞：數據中心;電源系統;ATS;維護要點

中圖分類號：TM762.1：文獻標識碼：B

Fault analysis of ATS local overheating during switching of IDC power supply and distribution system

ABSTRACT：With the continuous development of information technology， big data， cloud computing， artificial intelligence and other cutting-edge technologies are booming. As an important infrastructure， IDC data center supports the operation and application of emerging technologies. As the power "heart" of data center operation， IDC data center power system directly affects the stability of business. This paper analyzes a fault of ATS （automatic transfer switch）， which is a typical equipment in IDC power supply system. It analyzes the fault causes in detail and summarizes the maintenance points.

KEY WORDS： IDC; Power system ; ATS; maintenance points

ATS（自動轉換器）是一種用于自動轉換兩路電源供給負載使用，將負載電力供應從一個電源自動轉換至另一個電源，保證負載供電連續，可靠運行1，目前工程上常用的ATS主要有PC級與CB級兩類，PC級ATS為電磁驅動式，具有轉換速度快

隨著供電系統規模不斷擴大，供電系統結構日趨復雜2，ATS使用場景及使用頻率增多，產生了一些新的故障類型3，4。本文結合ATS使用維護過程中發現的一次典型故障，通過理論分析與現場實際測試，總結研究了此次故障的原因并為ATS的維護提供了一些建議。

1 ?故障現場

某數據中心低壓配電系統大面積使用某知名品牌ATS，在進行巡檢過程中連續出現ATS切換時單項瞬時過熱問題。

三列低壓柜之間組網架構如圖所示，低壓柜之間通過母聯柜進行備用切換，ATS作為應急狀態下外接車載油機切換作用。

當對B列巡檢時，通過母聯柜將B列后端負載切換至C列，準備對B列設備進行停電巡檢作業，此時C列ATS負荷為B列負荷與C列原有負荷之和。

11月18日，維護人員對低壓供配電系統進行計劃巡檢，ATS轉換開關主用A相觸頭不明原因擊穿，導致缺相供電中斷。

12月10日，在對另一機房巡檢時，ATS轉換開關主用B相觸頭在帶載1800A（容量為3000A）時，出現溫升異常情況，平均溫度達到165℃，最高溫度達到202℃并伴有異味。

2 ?故障原因分析

2.1 ?11月8日故障原因分析

11月8日ATS出現A相擊穿時，現場巡檢人員通過紅外成像儀現場掃描，發現C列ATS 三相觸頭中A相局部最高溫度達到221℃，維護人員迅速進行倒回操作，經過一段時間后再次用紅外成像儀再次測試A相溫度恢復正常，將ATS切換至旁路，現場拆卸主路ATS觸頭。

ATS觸頭屬于免維護器件，又處于設備內部4，根據現場情況，初步分析造成其過熱原因有二種：1、負載切換瞬間電流沖擊過大，設備運行時間較長，觸頭耐受出現問題，出現局部過熱問題;2、觸頭接觸面由于長時間運行，拉弧次數較多，表面產生損傷，導致表面接觸電阻變大，當通過電流較大時，產生過熱問題5，6。

ATS額定電流為3000A，進行切換后ATS單相電流最大為1800A，在經過對其他兩列ATS在同等電流條件下測試發現，并未出現過熱現象，因此排除電流沖擊過大。

將ATS觸頭進行拆卸，發現局部有拉弧留下灼傷痕跡，表面留有黑色物質，懷疑為長時間拉弧導致觸頭受損，引發過熱，采用表面電阻儀對觸頭表面電阻進行測試，故障相電阻值明顯高于其他兩項。經維護人員更換觸頭并對觸頭角度進行調整后，再次進行測量，表面接觸電阻由242.4μΩ降至20.4μΩ，達到標準值。

更換過后，再次對此ATS進行測試，設備運行正常，經紅外成像儀掃描檢查，無高溫過熱現場，維護人員初步確定原因為ATS接觸面不良導致，但ATS接觸面不良根本原因無法做出結論。

2.2 ?12月8日故障原因分析

12月10日維護人員在對另一相同組網架構機房進行巡檢時，再次出現類似高溫現象。維護人員進一步深入排查、剖析此問題，通過對故障現場進行仔細檢查，并使用塞尺并進行現場測量，確認產生高溫B相動靜觸頭接觸角度與出廠標準設置值存在偏差，造成動靜觸頭接觸面積不足。經過廠家維護人員現場對動、靜觸頭接觸角度進行調節，并使用塞尺、接觸電阻測試儀等工具進行校準、測試，并現場進行倒換測試試驗，觸頭高溫現場消除，設備運行正常。

圖4 ? 現場調解觸頭接觸面角度

2.3 ?接觸電阻作用原理及影響因素

當兩個金屬導體相接處時，在接觸區域內存在一個附加電阻，稱為接觸電阻，接觸電阻大小主要由三部分組成：收縮電阻、表面膜電阻、導體固有電阻。

收縮電阻：當電流通過導體之間接觸面時，由于電流線收縮呈現出來的電阻，受電流大小影響。

表面膜電阻：接觸表面膜層及其他污染物所構成的膜層電阻，受貯存和使用操作環境影響。

可知，接觸電阻的主要影響因素為接觸面正壓力、接觸器件材料、表面環境狀態、通電電壓、電流等影響。

在粗略計算下，接觸電阻Rj按照Rj=ρL/S進行估算，ρ為導體電阻率，L為長度，S為截面積。

此故障中，由于動靜觸頭接觸面積不足，存在縫隙，導致S變小，經現場測量與技術指標對比，此3000（A）ATS理論接觸面積為825（mm）2（75mm*11mm），但現場實際接觸面積約為2/5，約為330（mm）2，導致接觸電阻變大，同時，由于縫隙存在接觸面電阻率ρ同樣將產生較大增幅。根據焦耳定律Q=I2Rt，當電流、時間都不變時，熱量隨電阻增加而增加。在熱量承受能力不變情況下，此故障ATS的額定電流應約為1581A（此數值為假設ρ不變，實際電流值將小于此數值），遠小于1800A。

由于ATS接觸面不良，導致觸頭額定電流數值下降，設備處于長期性能劣化狀態下運行，接觸表面電阻率ρ增大，Rj增大，Q增大，如此往復，形成惡性循環，當需對低壓柜進行巡檢作業，切換兩列之間負載，導致ATS負載電流急劇增加，最終導致觸頭高溫，擊穿。

3 ?維護措施及建議

3.1 ?故障總結

1、經現場分析及實際測試，認為此ATS在出廠過程中動靜觸頭校準存在一定問題，實際情況與設備出廠報告不符。

2.設備在入網使用前并未進行相應的大電流耐受測試工作，導致此問題一直沒有暴露。

3.2 ?維護建議

1、在電力設備入網前，必須進行嚴格的滿載測試，保證設備在規定時間內能夠運行正常并記錄測試各項數據7。

2、在ATS日常使用維護過程中，應該保證使用環境及設備周圍環境的干凈、溫、濕度數值在建議范圍內8。

3、對于觸頭類免維護器件加強日常巡檢過程溫升測試，可采用紅外成像儀對設備各個角度進行溫升檢測，或者采用智能采集手段，通過加裝溫感探頭進行觸頭溫升檢測記錄9，同時可定期采用塞尺等測量工具對觸頭間接觸面積進行測量并記錄。

4、重點關注各類高低壓設備負載激增情況下各關鍵器件的性能變化，做到防患于未然。

5、高低壓設備巡檢工作應按照相應維護規程嚴格進行，做好每項測試并記錄存檔。

4 ?結論

本文通過分析與論證，詳細闡述了某數據中心ATS觸頭過熱擊穿故障，并找出故障根本原因，通過問題總結并結合維護經驗，提出5種預防此類問題的建議，解決了實際生產問題，為ATS在數據中心供配電系統穩定運行與實際維護積累了寶貴經驗9。

參考文獻

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[9]徐其勤，孫惠民. 數據中心機房配電系統的問題及改進.電子世界與軟件工程，2020，9

作者簡介：

張雨默：（1989.7 --），吉林省舒蘭市 ，學歷：碩士 ， ?畢業院校：吉林大學 ，漢 ，男，職稱：工程師 ， 研究方向： ?高低壓，配電，中國移動吉林公司網管中心初級工程師，主要從事通信電力維護管理等方面的研究工作。

劉強：中國移動吉林公司網管中心助理工程師，主要從事通信電力維護管理、機房建設等方面研究及工程工作。

金婷：中國移動吉林公司網管中心中級工程師，主要從事通信電力維護管理、機房建設等方面研究及工程工作。

李偉：吉林省電力有限公司梨樹供電公司副高級工程師，長期從事電力通信網的運維檢修、網絡規劃、新技術演進發展等方面的研究工作。

李德鋒：中國移動吉林公司網管中心高級工程師，長期從事通信電力管理工作， 進行通信電源的整體規劃、涉及、建設等總體管理研究工作。