一種交流電源不間斷割接解決方案

王 虎

（中國移動通信集團安徽有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

數據中心、電信運營商機房內安裝有大量交流用電設備，要求7×24 h不間斷供電。設備上游安裝有大量不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）設備，在UPS設備替換、配電設備負荷轉移、供電路由變更時均要求進行不斷電在線割接[1]。目前，主流的交流電不斷電割接技術需要先將割接前后的電源調整為同一電源輸入，并將UPS設備全部設置為旁路供電模式，但大型數據中心、核心機樓均有多路市電輸入且配置多臺變壓器，無法保證相同電源間割接。此外，UPS設備設置為旁路模式將失去蓄電池后備保護，一旦割接過程中市電中斷，將直接導致用電設備宕機。而基于并網同步技術的交流電源不間斷割接解決方案具備輸入檢測、負載同步、輸出檢測、輸出控制、采樣跟蹤、故障保護以及操作提示等全面完善的應用功能，特別適用于大型數據中心、核心機樓等具備多路市電輸入、多臺變壓器以及多套UPS系統的割接場景[2]。

1 設計方案

該交流電源不間斷割接解決方案中，割接裝置可采集割接前后的電源電能參數，包括輸入電壓、輸入頻率、輸入相序以及輸入諧波含量等。裝置內部具有鎖相同步電路，可以在UPS正常逆變工作模式下完成割接操作，一旦割接過程中市電出現異常，蓄電池可作為后備保護，負載不會斷電，安全性較傳統UPS旁路模式割接大大提高，同時開創了不同交流電源間不斷電割接的技術先河。利用電源設備和中間分配柜的冗余開關將割接裝置接入系統，使割接前和割接后的電源設備并網且同時為用電設備供電，進而通過相應的倒閘操作實現割接全過程用電設備不斷電。

本文所提方案最大的優勢在于不要求割接前后電源必須相同，僅需相序一致即可進行割接操作。方案包括割接步驟提示功能，提示割接人員操作流程并有閉鎖保護，杜絕割接過程誤操作。與此同時，具備電源質量檢測告警系統，一旦割接過程中電源質量劣化或超出跟蹤范圍，便發出聲光告警終止割接操作。

2 割接裝置

2.1 裝置組成

不同源交流電在線割接裝置組成如圖1所示。

圖1 割接裝置外觀

割接前A/B/C/N相輸入端子通過電纜與割接后交流電源設備連接，同時用于接收割接后交流電源設備的輸入信息，包括電壓、頻率、相序以及諧波含量。割接后A/B/C/N相輸入端子通過電纜與用電設備前級配電柜空余端子連接，同時用于接收割接前交流電源設備的輸入信息，包括電壓、頻率、相序以及諧波含量。為了方便理解，后續將割接前的電源簡稱為第一電源，將割接后的電源簡稱為第二電源。

2.2 電路結構

割接電路設置于割接裝置內部，用于接收第一電源與第二電源的輸入信息，通過內部鎖相變換電路使第二電源輸出與第一電源設備同步，并在合閘按鈕按下時控制第一電源與第二電源導通，以實現兩路電源間的不斷電割接。割接裝置電路結構如圖2所示。

圖2 割接裝置電路結構

輸入檢測單元用于檢測第一電源輸入信息和第二電源設備輸入信息。為了實現對電能質量的準確檢測，采用基于時域的對稱分量檢測方法，將采樣波形轉換為時序分量信息后再進行判斷[3]。

在第一電源與第二電源不同步時，監控單元能夠發送同步控制信號給負載同步單元。此外，監控單元還能接收合閘觸發信號，在確定第一電源與第二電源設備同步時發送合閘命令給輸出控制單元。

負載同步單元用于接收監控單元的同步控制信號，根據同步控制信號及第一電源的當前信息，由過零點檢測電路、鎖相環電路、計數器邏輯電路以及相位檢測電路對第二電源的輸入信息進行處理，得到與第一電源同步的電能參數[4]。其中，電能參數包括輸入電壓、輸入頻率、輸入相序以及輸入諧波含量等。

輸出控制單元由交流接觸器與合閘信號控制組成，人工按下輸出合閘按鍵，當監控單元檢測第一電源與第二電源同步且具備合閘條件后發送合閘命令，此時交流接觸器閉合，第一電源與第二電源并聯供電。

采樣跟蹤單元用于在割接裝置內部交流接觸器合閘前檢測第一電源輸入信息，將結果發送給監控單元。與此同時，在內部交流接觸器合閘前后，檢測第一電源與第二電源是否同步，如果不同步則發送信號至保護單元[5]。

保護單元主要接收監控單元發送的電壓超范圍告警、頻率超范圍告警、相序接反告警以及諧波超范圍告警等不同步告警信號，執行相應的保護動作[6]。

3 割接步驟

該交流電源不間斷割接解決方案實現了在不斷電的情況下，將第一交流電源設備替換為第二交流電源設備，為用電設備供電。割接裝置接線如圖3所示。

圖3 割接裝置接線

在未割接前，第一交流電源設備通過電源分配柜與用電設備連接，為用電設備供電。割接裝置作為中間媒介實現不斷電割接，最終使第二交流電源設備替代第一交流電源設備來通過電源分配柜為用電設備供電。第一交流電源設備和第二交流電源設備分別具有蓄電池功能，均可以是UPS設備。本割接裝置輸入端子通過電纜與第二電源輸出端子連接，輸出端子通過電纜與輸出分配柜的空閑端子連接。電纜連接時端子對應的所有斷路器均斷開，能夠防止觸電。

步驟1：閉合第二電源輸出端子上的斷路器，此時割接裝置得電啟動，并檢測第二電源電能參數，若無告警則進入下一步。

步驟2：閉合電源分配柜輸入端子上的斷路器，通過電源分配柜與第一電源導通。但此時第一電源與第二電源還未同步，因此第二電源與電源分配柜之間還未導通。

步驟3：利用割接裝置確定第一電源與第二電源是否同步，若不同步，則對第二電源參數進行處理，使其跟蹤第一電源參數并鎖相，此時顯示屏提示割接裝置具備合閘條件。

步驟4：操作人員按下裝置合閘按鈕，內部接觸器吸合，此次第二電源經割接裝置轉換后與第一電源同步，同時為負載供電。

步驟5：斷開第一電源輸出端子上的斷路器，斷開電源分配柜輸入端子上的斷路器，此時第一電源完全與電源分配柜及負載脫離，第二電源通過割接裝置單獨為負載供電。由于割接裝置檢測不到第一電源參數，因此轉為直通模式供電。

步驟6：將電源分配柜左側電纜的一端由第一電源的輸出端子割接至第二電源的輸出端子，如圖4所示。

圖4 割接過程中的接線

步驟7：閉合第二電源輸出端子及電源分配柜輸入端子，此時第二電源分別通過割接裝置及直連電纜同時為用電設備供電。

步驟8：按下割接裝置上的分閘按鈕，裝置內部接觸器斷開。斷開第二電源端子、電源分配柜端子，此時割接裝置完全失電。將割接裝置兩端的電纜均拆除，從裝置中移除系統，從而完成割接。

4 結 論

綜上所述，提出不同交流電源間的不間隔割接技術，特別適用于大型數據中心、核心機樓等割接場景。主備UPS均在正常逆變工作模式下進行割接，割接過程簡單、安全性高。主功率電路接通及斷開由控制單元驅動交流接觸器動作來取代以往的人工操作，避免誤操作及人身傷害風險。程序內嵌割接步驟邏輯，違反邏輯將無法接通電路，避免系統短路或設備意外掉電，具有較強的實用性。