安建珍，康志林，康学福
（1．天水师范学院电子信息与电气工程学院，甘肃 天水 741000；
2．甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741000）
随着科学技术的不断进步和经济社会的不断发展，数据中心的建设潮流势不可挡。5G时代下数据中心的发展，一方面终端的能力越来越强，实时计算需求向用户侧下沉，边缘计算崛起；
另一方面非实时大并发的计算和冷存储需求仍供不应求。在基础设施建设方面，贴近用户而分散部署是一个发展方向，规模大而集中部署是另一个发展方向。聚焦于大规模数据中心，负载基本上是IT负载、动力负载、照明负载等，70%以上为IT负载。从外部市电至最后用电的服务器需要经过多级配电和变电。为解决串联系统（单供电路）可用性低的问题并提高复杂供配电系统的可维护性、自动化水平及智能化程度，需要性价比更高的能源作为主用电源，而且备用电源和应急电源状态应可知可控。
数据中心设计规范要求供配电系统应该具有冗余和容错能力。自动转换开关电器（ATSE）担负着增强数据中心安全性的职责，其一旦失效或需要维护时，都会给数据中心供配电系统带来断电的风险。处于两路电源系统汇集点处（单节点）的旁路转换开关电器（BTSE）能够给供配电系统提供冗余能力，因此，其很好地实现了供配电系统的连续供电和可靠运行。另外，考虑到电源切换过程中可能出现N线短时间丧失、三相不平衡或类似情况下中性点漂移、加在单相IT负载上的电压突然变高或变低等情况，旁路转换开关电器（BTSE）应具有中性线重叠等功能。
数据中心应按照GB 50174-2017《数据中心设计规范》的规定划分为A、B、C三类级别，主要是根据数据中心的使用性质、管理要求、重要性来确定所属级别[1]。A级的可靠性和可用性等级最高，是“容错”系统；
B级居中，是“冗余”系统；
C级最低，仅满足基本需要。考虑数据中心的可靠性和可用性、建设成本、维护方便等因素，现阶段大多会选择建设B级数据中心。本文围绕B级数据中心供配电系统的设计，重点对适用于B级数据中心供配电系统的主要电器即一种旁路转换开关的功能和应用进行探索研究。
根据《数据中心规范》附录A：各级数据中心技术要求，将B级数据中心的供配电系统技术要求总结如下：B级数据中心供电电源宜由双重电源供电；
B级数据中心变压器应满足冗余要求，宜N+1冗余；
不间断电源系统（UPS系统）宜N+1冗余；
不间断电源系统应设置自动转换旁路和手动维修旁路。如图1所示为B级数据中心的一种供配电系统即市电+油机 ATSE二选一切换低压机组的切换方案。
图1 市电+油机ATSE二选一切换低压机组的切换方案
中国工程建设协会标准T／CECS 486-2017《数据中心供配电设计规程》中要求B级数据中心供电电源宜由双重电源供电、满足冗余要求并宜N+1冗余[2]，这就要求配电系统中的自动转换开关电器（ATSE）应具有旁路功能并能实现不间断供电。
从供电可靠性考虑，常用电源与备用电源之间的切换当采用自动转换开关电器时，自动转换开关电器宜具有旁路功能，以保证自动转换开关电器在检修或故障时，不会影响常用电源与备用电源之间的切换。其具体要求包括：一是自动转换开关要满足两路电源的切换功能，针对供配电系统电源来说最好选择PC级自动转换开关电器，使用类别不低于AC-33iA，短时耐受等技术参数应达到GB 14048．11-2016《低压开关设备和控制设备第6-1部分多功能电器转换开关电器》相关条款的要求；
二是自动转换开关应具备旁路功能，应符合中国电器工业协会标准T／CEEIA 302-2018《旁路转换开关电器及成套设备》的规定。带有旁路功能的自动转换开关电器（BTSE）的电气符号图如图2所示。
图2 旁路转换开关电器（BTSE）电气符号图
旁路转换开关电器具有完全的冗余功能，其开关结构由自动转换开关和旁路转换开关两大部分组成。在不需要旁路转换开关介入的时候，自身应具有两路电源之间的转换功能。按照技术参数符号及技术条件要求，产品结构型式应为抽屉式。当自动转换开关需要退出供配电系统时，旁路转换开关应投入供配电系统起作用，这时将严格按照操作流程进行。保证操作流程顺利进行的是旁路转换开关的机械连锁机构和电气连锁机构。智能控制器实时监控电源端的电能状况和旁路转换开关电器的状况及位置情况，每一步都应按照流程图进行，否则将无法操作并可能触发系统报警，这个操作流程还可以保证双旁路转换在同侧有效。
在国家标准GB 50174-2017《数据中心设计规范》条款 5．7-（4）中，要求供电电源转换过程不应造成IT设备中性线对地电压的悬浮，就是说若电源侧的ATS在转换过程中不能维持中性线连续导通，则在ATS转换过程中会出现UPS（高频）及其负载设备中性线不接地的状况。此时，如果UPS的三相负载严重不平衡、谐波电流过大或检修操作不当，则会引起中性点电位严重漂移，就能导致服务器等重要网络设备损坏，从而导致严重后果[2]。
相关试验结果表明，影响UPS中性点电压漂移的因素如下：
（1）ATSE的N极结构决定是否会发生漂移，如果ATSE的N极完全重叠，则中性点电压不漂移。如果ATSE的N极开路转换，则中性点电压会漂移。
（2）ATSE的暂态停留时间影响漂移电压的持续时间，暂态停留时间与漂移电压的持续时间正相关。
（3）负载相数、负载率影响漂移电压的大小，三相负载时最大，两相时居中，单相时最小，负载率与漂移电压的大小正相关。
所以，旁路转换开关电器应该具备中性线重叠功能，其中性线重叠动作示意图如图3所示。这种结构的旁路转换开关电器能保证常用电源的N相和备用电源的N相有一定的重叠闭合时间，以防止电压漂移的发生。
图3 中性线重叠动作示意图
实际试验结果表明，相极和N极断开与闭合是不同步的，有先后动作关系。转换开始时相极比N极先打开，在转换到另一侧时，相极比N极后闭合。其次，在转换过程中相极有一段时间断开，但N极一直闭合，2N极有一定时间的重叠，先合后分，保证2N没有断开的时间段。
旁路转换开关电器的功能要求非常明确，其可靠的电气性能是重点。目前比较成熟的旁路转换开关电器结构型式主要有两大类：一类为上下结构，也就是自动转换开关在下面，中间为机械连锁和电气连锁机构，上面为旁路转换开关；
另一类为前后结构，前面为自动转换开关，后面为旁路转换开关，机械连锁和电气连锁机构设计在两侧。自动转换开关和旁路转换开关必须达到供配电系统要求的技术性能指标，并符合国家标准GB14048．11-2016和行业标准T／CEEIA-302-2018相关要求。自动转换开关应为PC级抽屉式结构，退出系统维修更换不影响系统主持工作。机械连锁机构设计为手动操作，手动操作优先级别最高，可靠性更高。旁路转换开关也是PC级结构，转换动作机构可以设计为电动操作、手动操作或远程控制，最好为手动操作。机械连锁和电气联锁保证旁路开关同侧转换，也就是常用电源冗余，或者备用电源冗余。完整的机械和电气设计可确保系统功能齐全、动作安全和性能可靠。
可以看出，数据中心的建设越来越复杂，供配电系统的要求越来越严格，对旁路转换开关电器的规范也越来越明确，开关电器制造商应按照相关标准和规范要求，生产出更高质量、更高性能、更高可靠性的智能电器，为数据中心的建设提供保障。
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