ATS在IDC供配電系統(tǒng)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(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、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)中心運行的動力“心臟”，運行的穩(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)）的一起故障進行分析，詳細分析了故障原因并總結(jié)了維護要點。

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

中圖分類號：TM762.1：文獻標(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)換兩路電源供給負載使用，將負載電力供應(yīng)從一個電源自動轉(zhuǎn)換至另一個電源，保證負載供電連續(xù)，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(qū)動式，具有轉(zhuǎn)換速度快

隨著供電系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，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)場實際測試，總結(jié)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(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，在進行巡檢過程中連續(xù)出現(xiàn)ATS切換時單項瞬時過熱問題。

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)柜進行備用切換，ATS作為應(yīng)急狀態(tài)下外接車載油機切換作用。

當(dāng)對B列巡檢時，通過母聯(lián)柜將B列后端負載切換至C列，準(zhǔn)備對B列設(shè)備進行停電巡檢作業(yè)，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(tǒng)進行計劃巡檢，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，在對另一機房巡檢時，ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)主用B相觸頭在帶載1800A（容量為3000A）時，出現(xiàn)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(xiàn)A相擊穿時，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相局部最高溫度達到221℃，維護人員迅速進行倒回操作，經(jīng)過一段時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、負載切換瞬間電流沖擊過大，設(shè)備運行時間較長，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間運行，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，產(chǎn)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(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行測試，故障相電阻值明顯高于其他兩項。經(jīng)維護人員更換觸頭并對觸頭角度進行調(diào)整后，再次進行測量，表面接觸電阻由242.4μΩ降至20.4μΩ，達到標(biāo)準(zhǔn)值。

更換過后，再次對此ATS進行測試，設(shè)備運行正常，經(jīng)紅外成像儀掃描檢查，無高溫過熱現(xiàn)場，維護人員初步確定原因為ATS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日維護人員在對另一相同組網(wǎng)架構(gòu)機房進行巡檢時，再次出現(xiàn)類似高溫現(xiàn)象。維護人員進一步深入排查、剖析此問題，通過對故障現(xiàn)場進行仔細檢查，并使用塞尺并進行現(xiàn)場測量，確認產(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)過廠家維護人員現(xiàn)場對動、靜觸頭接觸角度進行調(diào)節(jié)，并使用塞尺、接觸電阻測試儀等工具進行校準(zhǔn)、測試，并現(xiàn)場進行倒換測試試驗，觸頭高溫現(xiàn)場消除，設(shè)備運行正常。

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)兩個金屬導(dǎo)體相接處時，在接觸區(qū)域內(nèi)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(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，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。

在粗略計算下，接觸電阻Rj按照Rj=ρL/S進行估算，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，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(yīng)約為1581A（此數(shù)值為假設(shè)ρ不變，實際電流值將小于此數(shù)值），遠小于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)需對低壓柜進行巡檢作業(yè)，切換兩列之間負載，導(dǎo)致ATS負載電流急劇增加，最終導(dǎo)致觸頭高溫，擊穿。

3 ?維護措施及建議

3.1 ?故障總結(jié)

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

2.設(shè)備在入網(wǎng)使用前并未進行相應(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 ?維護建議

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

2、在ATS日常使用維護過程中，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、對于觸頭類免維護器件加強日常巡檢過程溫升測試，可采用紅外成像儀對設(shè)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(guān)注各類高低壓設(shè)備負載激增情況下各關(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)維護規(guī)程嚴格進行，做好每項測試并記錄存檔。

4 ?結(jié)論

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

參考文獻

[1] 陳偉.數(shù)據(jù)中心中壓ATS自動投切系統(tǒng)分析[J].通信電源技術(shù)，2020，7

[2] 王其英.云機房供配電系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計與運維[M]. 中國電力出版社 ，2016

[3] 宋曉偉，曹連兵，郝彬，景傳剛.數(shù)據(jù)中心10KV電源切換技術(shù)應(yīng)用分析.電氣應(yīng)用，2019，11

[4] 劉景久. 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的應(yīng)用及投切問題.電子測試，2019，23

[5] 焦?jié)蓮?，候彥農(nóng). 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的應(yīng)用及投切問題.電子世界，2016，13

[6] 袁濤，謝攀，龔藝. ATS研究及在電信行業(yè)的應(yīng)用.信息通信技術(shù)，2020，1

[7]肖瑞文. IDC機房基礎(chǔ)建設(shè)的要素探究.通訊世界，2020，6

[8]李燕. 數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)發(fā)展趨勢分析.工程建設(shè)與設(shè)計，2020，10

[9]徐其勤，孫惠民. 數(shù)據(jù)中心機房配電系統(tǒng)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(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管理等方面的研究工作。

劉強：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管理、機房建設(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管理、機房建設(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)的運維檢修、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、新技術(shù)演進發(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。