張雨默　劉強(qiáng)　金婷　李偉　李德鋒

摘要：隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等前沿技術(shù)蓬勃發(fā)展，IDC數(shù)據(jù)中心作為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，支撐著新興技術(shù)的運(yùn)行應(yīng)用，IDC數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心運(yùn)行的動力“心臟”，運(yùn)行的穩(wěn)定性直接影響業(yè)務(wù)的穩(wěn)定性。本文針對IDC電源系統(tǒng)中典型設(shè)備ATS（自動轉(zhuǎn)換開關(guān)）的一起故障進(jìn)行分析，詳細(xì)分析了故障原因并總結(jié)了維護(hù)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)中心;電源系統(tǒng);ATS;維護(hù)要點(diǎn)

中圖分類號：TM762.1：文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)換器）是一種用于自動轉(zhuǎn)換兩路電源供給負(fù)載使用，將負(fù)載電力供應(yīng)從一個(gè)電源自動轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源，保證負(fù)載供電連續(xù)，可靠運(yùn)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(qū)動式，具有轉(zhuǎn)換速度快

隨著供電系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜2，ATS使用場景及使用頻率增多，產(chǎn)生了一些新的故障類型3，4。本文結(jié)合ATS使用維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)的一次典型故障，通過理論分析與現(xiàn)場實(shí)際測試，總結(jié)研究了此次故障的原因并為ATS的維護(hù)提供了一些建議。

1 ?故障現(xiàn)場

某數(shù)據(jù)中心低壓配電系統(tǒng)大面積使用某知名品牌ATS，在進(jìn)行巡檢過程中連續(xù)出現(xiàn)ATS切換時(shí)單項(xiàng)瞬時(shí)過熱問題。

三列低壓柜之間組網(wǎng)架構(gòu)如圖所示，低壓柜之間通過母聯(lián)柜進(jìn)行備用切換，ATS作為應(yīng)急狀態(tài)下外接車載油機(jī)切換作用。

當(dāng)對B列巡檢時(shí)，通過母聯(lián)柜將B列后端負(fù)載切換至C列，準(zhǔn)備對B列設(shè)備進(jìn)行停電巡檢作業(yè)，此時(shí)C列ATS負(fù)荷為B列負(fù)荷與C列原有負(fù)荷之和。

11月18日，維護(hù)人員對低壓供配電系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)劃巡檢，ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)主用A相觸頭不明原因擊穿，導(dǎo)致缺相供電中斷。

12月10日，在對另一機(jī)房巡檢時(shí)，ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)主用B相觸頭在帶載1800A（容量為3000A）時(shí)，出現(xiàn)溫升異常情況，平均溫度達(dá)到165℃，最高溫度達(dá)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(xiàn)A相擊穿時(shí)，現(xiàn)場巡檢人員通過紅外成像儀現(xiàn)場掃描，發(fā)現(xiàn)C列ATS 三相觸頭中A相局部最高溫度達(dá)到221℃，維護(hù)人員迅速進(jìn)行倒回操作，經(jīng)過一段時(shí)間后再次用紅外成像儀再次測試A相溫度恢復(fù)正常，將ATS切換至旁路，現(xiàn)場拆卸主路ATS觸頭。

ATS觸頭屬于免維護(hù)器件，又處于設(shè)備內(nèi)部4，根據(jù)現(xiàn)場情況，初步分析造成其過熱原因有二種：1、負(fù)載切換瞬間電流沖擊過大，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間較長，觸頭耐受出現(xiàn)問題，出現(xiàn)局部過熱問題;2、觸頭接觸面由于長時(shí)間運(yùn)行，拉弧次數(shù)較多，表面產(chǎn)生損傷，導(dǎo)致表面接觸電阻變大，當(dāng)通過電流較大時(shí)，產(chǎn)生過熱問題5，6。

ATS額定電流為3000A，進(jìn)行切換后ATS單相電流最大為1800A，在經(jīng)過對其他兩列ATS在同等電流條件下測試發(fā)現(xiàn)，并未出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，因此排除電流沖擊過大。

將ATS觸頭進(jìn)行拆卸，發(fā)現(xiàn)局部有拉弧留下灼傷痕跡，表面留有黑色物質(zhì)，懷疑為長時(shí)間拉弧導(dǎo)致觸頭受損，引發(fā)過熱，采用表面電阻儀對觸頭表面電阻進(jìn)行測試，故障相電阻值明顯高于其他兩項(xiàng)。經(jīng)維護(hù)人員更換觸頭并對觸頭角度進(jìn)行調(diào)整后，再次進(jìn)行測量，表面接觸電阻由242.4μΩ降至20.4μΩ，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值。

更換過后，再次對此ATS進(jìn)行測試，設(shè)備運(yùn)行正常，經(jīng)紅外成像儀掃描檢查，無高溫過熱現(xiàn)場，維護(hù)人員初步確定原因?yàn)锳TS接觸面不良導(dǎo)致，但ATS接觸面不良根本原因無法做出結(jié)論。

2.2 ?12月8日故障原因分析

12月10日維護(hù)人員在對另一相同組網(wǎng)架構(gòu)機(jī)房進(jìn)行巡檢時(shí)，再次出現(xiàn)類似高溫現(xiàn)象。維護(hù)人員進(jìn)一步深入排查、剖析此問題，通過對故障現(xiàn)場進(jìn)行仔細(xì)檢查，并使用塞尺并進(jìn)行現(xiàn)場測量，確認(rèn)產(chǎn)生高溫B相動靜觸頭接觸角度與出廠標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置值存在偏差，造成動靜觸頭接觸面積不足。經(jīng)過廠家維護(hù)人員現(xiàn)場對動、靜觸頭接觸角度進(jìn)行調(diào)節(jié)，并使用塞尺、接觸電阻測試儀等工具進(jìn)行校準(zhǔn)、測試，并現(xiàn)場進(jìn)行倒換測試試驗(yàn)，觸頭高溫現(xiàn)場消除，設(shè)備運(yùn)行正常。

圖4 ? 現(xiàn)場調(diào)解觸頭接觸面角度

2.3 ?接觸電阻作用原理及影響因素

當(dāng)兩個(gè)金屬導(dǎo)體相接處時(shí)，在接觸區(qū)域內(nèi)存在一個(gè)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(dǎo)體固有電阻。

收縮電阻：當(dāng)電流通過導(dǎo)體之間接觸面時(shí)，由于電流線收縮呈現(xiàn)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(gòu)成的膜層電阻，受貯存和使用操作環(huán)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(huán)境狀態(tài)、通電電壓、電流等影響。

在粗略計(jì)算下，接觸電阻Rj按照Rj=ρL/S進(jìn)行估算，ρ為導(dǎo)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(dǎo)致S變小，經(jīng)現(xiàn)場測量與技術(shù)指標(biāo)對比，此3000（A）ATS理論接觸面積為825（mm）2（75mm*11mm），但現(xiàn)場實(shí)際接觸面積約為2/5，約為330（mm）2，導(dǎo)致接觸電阻變大，同時(shí)，由于縫隙存在接觸面電阻率ρ同樣將產(chǎn)生較大增幅。根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt，當(dāng)電流、時(shí)間都不變時(shí)，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(yīng)約為1581A（此數(shù)值為假設(shè)ρ不變，實(shí)際電流值將小于此數(shù)值），遠(yuǎn)小于1800A。

由于ATS接觸面不良，導(dǎo)致觸頭額定電流數(shù)值下降，設(shè)備處于長期性能劣化狀態(tài)下運(yùn)行，接觸表面電阻率ρ增大，Rj增大，Q增大，如此往復(fù)，形成惡性循環(huán)，當(dāng)需對低壓柜進(jìn)行巡檢作業(yè)，切換兩列之間負(fù)載，導(dǎo)致ATS負(fù)載電流急劇增加，最終導(dǎo)致觸頭高溫，擊穿。

3 ?維護(hù)措施及建議

3.1 ?故障總結(jié)

1、經(jīng)現(xiàn)場分析及實(shí)際測試，認(rèn)為此ATS在出廠過程中動靜觸頭校準(zhǔn)存在一定問題，實(shí)際情況與設(shè)備出廠報(bào)告不符。

2.設(shè)備在入網(wǎng)使用前并未進(jìn)行相應(yīng)的大電流耐受測試工作，導(dǎo)致此問題一直沒有暴露。

3.2 ?維護(hù)建議

1、在電力設(shè)備入網(wǎng)前，必須進(jìn)行嚴(yán)格的滿載測試，保證設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)能夠運(yùn)行正常并記錄測試各項(xiàng)數(shù)據(jù)7。

2、在ATS日常使用維護(hù)過程中，應(yīng)該保證使用環(huán)境及設(shè)備周圍環(huán)境的干凈、溫、濕度數(shù)值在建議范圍內(nèi)8。

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

4、重點(diǎn)關(guān)注各類高低壓設(shè)備負(fù)載激增情況下各關(guān)鍵器件的性能變化，做到防患于未然。

5、高低壓設(shè)備巡檢工作應(yīng)按照相應(yīng)維護(hù)規(guī)程嚴(yán)格進(jìn)行，做好每項(xiàng)測試并記錄存檔。

4 ?結(jié)論

本文通過分析與論證，詳細(xì)闡述了某數(shù)據(jù)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(jié)并結(jié)合維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，提出5種預(yù)防此類問題的建議，解決了實(shí)際生產(chǎn)問題，為ATS在數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行與實(shí)際維護(hù)積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)9。

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作者簡介：

張雨默：（1989.7 --），吉林省舒蘭市 ，學(xué)歷：碩士 ， ?畢業(yè)院校：吉林大學(xué) ，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(wǎng)管中心初級工程師，主要從事通信電力維護(hù)管理等方面的研究工作。

劉強(qiáng)：中國移動吉林公司網(wǎng)管中心助理工程師，主要從事通信電力維護(hù)管理、機(jī)房建設(shè)等方面研究及工程工作。

金婷：中國移動吉林公司網(wǎng)管中心中級工程師，主要從事通信電力維護(hù)管理、機(jī)房建設(shè)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(wǎng)的運(yùn)維檢修、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、新技術(shù)演進(jìn)發(fā)展等方面的研究工作。

李德鋒：中國移動吉林公司網(wǎng)管中心高級工程師，長期從事通信電力管理工作， 進(jìn)行通信電源的整體規(guī)劃、涉及、建設(shè)等總體管理研究工作。