【IT168 资讯】转换开关功能

　　转换开关是数据中心的常见组件，用于执行下列功能：

　　1. 在市电电源出现故障时将UPS和其他负载从市电切换到发电机

　　2. 从出现故障的UPS模块切换到市电或其他UPS(取决于设计)

　　3. 将关键IT负载从一个UPS输出总线切换到双路供电系统中的另一个UPS输出总线

　　本白皮书只集中讨论第三个功能。如果所有 IT 负载都能够接受双输入电源供电(即双路)，那么就不需要采 用此应用方案了。实际上，大部分高端互联网络设备、存储设备和服务器确实具有完全冗余的输入电源和双电源线。然而，在任务关键设施中单路设备仍然占全部IT设备的大约10-20%。如果单路设备连接到双市电线 路环境的单市电线路，那么可能威胁到业务流程的整体可靠性。按照APC第48号白皮书“比较各种机架电 源冗余配置的可用性”，带有独立冗余市电线路的100% 双路数据中心的停机时间比单路设计的停机时间要少10000倍。通过缩短冗余市电线路与负载之间的距离，转换开关可以帮助缩小这个巨大差距。

　　转换开关的类型

　　适合作为电源选择器的转换开关主要有两种类型：静态转换开关和机电转换开关。两种开关都基于在主电源和备用电源之间转换的基本原理。虽然使用效果相同，但其实现方法却不同。每种类型的开关都有其独特的特性，适用于不同类型的应用环境。下面简要介绍了每一种类型的工作原理，附录 A 提供了更详细的说明。

　　静态转换开关 (STS)

　　应用环境

　　当今使用的静态转换开关的功率小至5 kVA，大至35 MVA。STS 装置可用于多种环境，包括市电线路、汽车制造厂、半导体制造厂、炼油厂和数据中心等。大多数此类开关都工作在100 - 300 kVA 范围内，而且通常占两个IT机架并排放置那么大的面积。在炼油厂等应用环境中，由于电网和电力架构的可靠性不如任务关键数据中心，对于静态开关在这些环境中的应用优势，很少存在争议。但是，任务关键数据中心的电力网和电力架构的可靠性要高得多。在此情况下，安装 STS 所造成可靠性的下降就完全抵消了它所带来的好处。图2 中显示了一个 200 kVA STS 的示例。这种容量的静态开关最适于大型三相单路(单电源)负载，如CNC 机械和其他关键生产设备。虽然目前也存在大型三相IT 设备(如存储设备)，但通常都是带有冗余电源的双路设备。对于双路设备，直接将双路市电电源连接到负载可以提供非常好的的电源可靠性和可用性。

　　工作在 5-10 kVA 范围内的静态开关通常设计为安装在标准19英寸(483 毫米)的IT 机柜中，如图3所示。这种类型的静态开关通常用于配线室和数据机房等IT环境中。使用小型开关可以避免发生一个 STS 出现故障而影响大部分数据中心的情况，并将停机风险转移到一个机架中的单路设备上。与较大容量STS不同，机架安装式(静态)开关具有可扩展性和灵活性。小型开关的交付周期很短，IT 管理者可以在需要时随时购买。而且，作为IT 技术更新项目，这些开关安装非常方便并可以随处移动。

　　操作

　　如其名称所示，静态开关不包含任何活动(机械动作)部件。半导体技术的应用使消除开关的活动(机械动 作)部件称为可能。单相 STS 中的“开关”其实是由两对被称为可控硅整流器 (SCR) 的半导体组成，可控硅整流器也称为晶闸管，是由测量电路进行控制的。如果电路检测到主电路超出容许值，它就将主路开关断开并接通备用线路的开关。切换过程通常约为 4 毫秒，根据两电源的状态，可能还会稍长一些。

　　故障模式

　　通常，系统越复杂，可能出现的故障模式就越多。与机电式转换开关相比，静态开关在以给定速度做出在两个电源间切换的决定时要考虑的因素更为复杂。

　　例如，控制器必须监视两侧电路的多个变量，包括相位、SCR的状态、电路断路器的状态、电压和电流等。

　　静态开关控制器故障

　　由于其复杂性，控制器是静态转换开关最关键的组件。如果控制器停止向SCR发送信号，SCR 默认保持断开状态，即不导电，这样就会停用负载。这就是几乎所有静态开关都内置冗余控制器和电源的原因。 各个SCR开关是单独控制的，因此控制器就有四种常见故障模式。

　　1) 在首选开关应断开时，控制器指示将其闭合。如果首选电源无法承担负载，则会导致负载停用。

　　2) 在首选开关应闭合时，控制器指示将其断开。如果备用开关处于断开状态或备用电源无法承担负载，则会导致负载停用。

　　3) 在备用开关应断开时，控制器指示将其闭合。如果备用电源无法承担负载，则会导致负载停用。

　　4) 在备用开关应闭合时，控制器指示将其断开。如果首选开关处于断开状态或首选电源无法承担负载，则会导致负载停用。

　　SCR 组件故障

　　SCR 十分可靠，但是在出故障时，98% 的故障会是短路故障。在发生短路故障时，如果为该开关供电的电源掉电，则将导致负载停用。检测短路的SCR十分困难，因为短路SCR 和正常 SCR 间的阻抗(电压 降)差值通常小于0.5 伏。这增加了控制器的复杂性。

　　输出断路器故障

　　如果输出断路器在不应该断开时断开，则会造成负载停用。有些情况下，会使用两个输出断路器来消除单个故障点，但这使得断路器的配合十分困难。

　　人为错误故障

　　人为错误是一种常见的故障模式，对于大多数任务关键环境更是如此。由于静态开关的复杂性，及其与不同输入电源的互动关系，有很多方式会引入人为错误。常见情况有：

　　- 如果静态开关设置不当，在特殊应用环境下可能导致错误的互动操作。

　　- STS 旁路断路器的误操作。例如，如果有人在首选电源不可用时闭合首选旁路断路器，则会导致负载停用。

　　- 不正确的维护步骤 最后，应特别注意：不管故障模式如何，与小型开关相比，大型转换开关会造成设施内更大范围的负载停用。

　　机电开关或自动转换开关 (ATS)

　　应用环境

　　受高功率容量的继电器的物理尺寸限制，在此应用环境中使用的大部分机电式转换开关(也称为自动转换开关(ATS))都不能转换高于10 kVA的功率。这也是这些机架安装式自动转换开关趋向于采用1U高度的原因。与机架安装式STS类似，机架安装式 ATS也可以将转换故障隔离到一个机架，而不会波及几十或几百个机架。同样，机架安装式 ATS具有可扩展性和灵活性。然而，由于体积更小、重量更轻，机架安装式ATS的安装比机架安装式STS更容易。

　　操作

　　机电开关组合利用了电气和机械设备的特性。与 STS 类似，这些开关都具有监视两个输入电源的控制器。机电开关使用继电器作为负载转换装置。继电器是一种由磁力控制开关闭合的机械开关。当控制器检测到主电源超出容许值时，将停止向继电器供电，此时弹簧将推动开关接通辅助电源。此类型转换开关的总转换时间介于8 到16毫秒之间。

　　故障模式

　　与静态转换开关相比，机电开关体积更小、结构更简单。这主要是由于机电开关更易于控制且不要求电源之间同步。由于继电器的物理运动，机电开关的故障模式多为于硬件故障。

　　继电器熔接故障

　　一种可能的故障模式是继电器与触点熔接在一起。在进行高压转换时产生的高温电弧会将金属表面熔接在一起。在三相继电器中，可能会有一个或多个继电器开关出现此故障。

　　控制器故障

　　尽管在较低功率容量下很少发生此故障，但还是有可能发生控制器切换错误。例如，在主电源侧功率超出容许值时，控制器可能会切换到根本没有供电的辅助电源侧。

　　控制器电源故障

　　控制器电源也可能导致控制器的误动作。如果电源电压不稳，控制器的动作具有不可预见性或可能根本不动作。

　　断路器故障

　　还有一种很重要的故障模式，那就是保护转换开关输出的断路器本身的缺陷，需要特别注意。这些断路器经常是不可靠的商品部件，且是单故障点。