旁路轉換開關在數據中心的應用探索

安建珍，康志林，康學福

（1．天水師范學院電子信息與電氣工程學院，甘肅 天水 741000；2．甘肅電器科學研究院，甘肅 天水 741000）

隨著科學技術的不斷進步和經濟社會的不斷發展，數據中心的建設潮流勢不可擋。5G時代下數據中心的發展，一方面終端的能力越來越強，實時計算需求向用戶側下沉，邊緣計算崛起；另一方面非實時大并發的計算和冷存儲需求仍供不應求。在基礎設施建設方面，貼近用戶而分散部署是一個發展方向，規模大而集中部署是另一個發展方向。聚焦于大規模數據中心，負載基本上是IT負載、動力負載、照明負載等，70%以上為IT負載。從外部市電至最后用電的服務器需要經過多級配電和變電。為解決串聯系統（單供電路）可用性低的問題并提高復雜供配電系統的可維護性、自動化水平及智能化程度，需要性價比更高的能源作為主用電源，而且備用電源和應急電源狀態應可知可控。

數據中心設計規范要求供配電系統應該具有冗余和容錯能力。自動轉換開關電器（ATSE）擔負著增強數據中心安全性的職責，其一旦失效或需要維護時，都會給數據中心供配電系統帶來斷電的風險。處于兩路電源系統匯集點處（單節點）的旁路轉換開關電器（BTSE）能夠給供配電系統提供冗余能力，因此，其很好地實現了供配電系統的連續供電和可靠運行。另外，考慮到電源切換過程中可能出現N線短時間喪失、三相不平衡或類似情況下中性點漂移、加在單相IT負載上的電壓突然變高或變低等情況，旁路轉換開關電器（BTSE）應具有中性線重疊等功能。

1 B級數據中心基本要求和配電系統架構

數據中心應按照GB 50174-2017《數據中心設計規范》的規定劃分為A、B、C三類級別，主要是根據數據中心的使用性質、管理要求、重要性來確定所屬級別[1]。A級的可靠性和可用性等級最高，是“容錯”系統；B級居中，是“冗余”系統；C級最低，僅滿足基本需要。考慮數據中心的可靠性和可用性、建設成本、維護方便等因素，現階段大多會選擇建設B級數據中心。本文圍繞B級數據中心供配電系統的設計，重點對適用于B級數據中心供配電系統的主要電器即一種旁路轉換開關的功能和應用進行探索研究。

根據《數據中心規范》附錄A：各級數據中心技術要求，將B級數據中心的供配電系統技術要求總結如下：B級數據中心供電電源宜由雙重電源供電；B級數據中心變壓器應滿足冗余要求，宜N+1冗余；不間斷電源系統（UPS系統）宜N+1冗余；不間斷電源系統應設置自動轉換旁路和手動維修旁路。如圖1所示為B級數據中心的一種供配電系統即市電+油機 ATSE二選一切換低壓機組的切換方案。

圖1 市電+油機ATSE二選一切換低壓機組的切換方案

中國工程建設協會標準T／CECS 486-2017《數據中心供配電設計規程》中要求B級數據中心供電電源宜由雙重電源供電、滿足冗余要求并宜N+1冗余[2]，這就要求配電系統中的自動轉換開關電器（ATSE）應具有旁路功能并能實現不間斷供電。

2 帶有旁路功能的自動轉換開關電器（BTSE）

從供電可靠性考慮，常用電源與備用電源之間的切換當采用自動轉換開關電器時，自動轉換開關電器宜具有旁路功能，以保證自動轉換開關電器在檢修或故障時，不會影響常用電源與備用電源之間的切換。其具體要求包括：一是自動轉換開關要滿足兩路電源的切換功能，針對供配電系統電源來說最好選擇PC級自動轉換開關電器，使用類別不低于AC-33iA，短時耐受等技術參數應達到GB 14048．11-2016《低壓開關設備和控制設備第6-1部分多功能電器轉換開關電器》相關條款的要求；二是自動轉換開關應具備旁路功能，應符合中國電器工業協會標準T／CEEIA 302-2018《旁路轉換開關電器及成套設備》的規定。帶有旁路功能的自動轉換開關電器（BTSE）的電氣符號圖如圖2所示。

圖2 旁路轉換開關電器（BTSE）電氣符號圖

旁路轉換開關電器具有完全的冗余功能，其開關結構由自動轉換開關和旁路轉換開關兩大部分組成。在不需要旁路轉換開關介入的時候，自身應具有兩路電源之間的轉換功能。按照技術參數符號及技術條件要求，產品結構型式應為抽屜式。當自動轉換開關需要退出供配電系統時，旁路轉換開關應投入供配電系統起作用，這時將嚴格按照操作流程進行。保證操作流程順利進行的是旁路轉換開關的機械連鎖機構和電氣連鎖機構。智能控制器實時監控電源端的電能狀況和旁路轉換開關電器的狀況及位置情況，每一步都應按照流程圖進行，否則將無法操作并可能觸發系統報警，這個操作流程還可以保證雙旁路轉換在同側有效。

3 具有中性線重疊功能的旁路轉換開關

在國家標準GB 50174-2017《數據中心設計規范》條款 5．7-（4）中，要求供電電源轉換過程不應造成IT設備中性線對地電壓的懸浮，就是說若電源側的ATS在轉換過程中不能維持中性線連續導通，則在ATS轉換過程中會出現UPS（高頻）及其負載設備中性線不接地的狀況。此時，如果UPS的三相負載嚴重不平衡、諧波電流過大或檢修操作不當，則會引起中性點電位嚴重漂移，就能導致服務器等重要網絡設備損壞，從而導致嚴重后果[2]。

相關試驗結果表明，影響UPS中性點電壓漂移的因素如下：

（1）ATSE的N極結構決定是否會發生漂移，如果ATSE的N極完全重疊，則中性點電壓不漂移。如果ATSE的N極開路轉換，則中性點電壓會漂移。

（2）ATSE的暫態停留時間影響漂移電壓的持續時間，暫態停留時間與漂移電壓的持續時間正相關。

（3）負載相數、負載率影響漂移電壓的大小，三相負載時最大，兩相時居中，單相時最小，負載率與漂移電壓的大小正相關。

所以，旁路轉換開關電器應該具備中性線重疊功能，其中性線重疊動作示意圖如圖3所示。這種結構的旁路轉換開關電器能保證常用電源的N相和備用電源的N相有一定的重疊閉合時間，以防止電壓漂移的發生。

圖3 中性線重疊動作示意圖

實際試驗結果表明，相極和N極斷開與閉合是不同步的，有先后動作關系。轉換開始時相極比N極先打開，在轉換到另一側時，相極比N極后閉合。其次，在轉換過程中相極有一段時間斷開，但N極一直閉合，2N極有一定時間的重疊，先合后分，保證2N沒有斷開的時間段。

4 BTSE旁路轉換開關的可靠性分析

旁路轉換開關電器的功能要求非常明確，其可靠的電氣性能是重點。目前比較成熟的旁路轉換開關電器結構型式主要有兩大類：一類為上下結構，也就是自動轉換開關在下面，中間為機械連鎖和電氣連鎖機構，上面為旁路轉換開關；另一類為前后結構，前面為自動轉換開關，后面為旁路轉換開關，機械連鎖和電氣連鎖機構設計在兩側。自動轉換開關和旁路轉換開關必須達到供配電系統要求的技術性能指標，并符合國家標準GB14048．11-2016和行業標準T／CEEIA-302-2018相關要求。自動轉換開關應為PC級抽屜式結構，退出系統維修更換不影響系統主持工作。機械連鎖機構設計為手動操作，手動操作優先級別最高，可靠性更高。旁路轉換開關也是PC級結構，轉換動作機構可以設計為電動操作、手動操作或遠程控制，最好為手動操作。機械連鎖和電氣聯鎖保證旁路開關同側轉換，也就是常用電源冗余，或者備用電源冗余。完整的機械和電氣設計可確保系統功能齊全、動作安全和性能可靠。

5 結論

可以看出，數據中心的建設越來越復雜，供配電系統的要求越來越嚴格，對旁路轉換開關電器的規范也越來越明確，開關電器制造商應按照相關標準和規范要求，生產出更高質量、更高性能、更高可靠性的智能電器，為數據中心的建設提供保障。