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数据中心提供商,2016年数据中心发展十大预测
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UPS安全设置供给,开关设备数据主导

开关设备对于数据中心正常运行时间的重要性,开关设备数据中心

在支持数据中心正常运行的所有电气和系统组件中,开关设备通常不被人重视,隐藏在数据中心设施的角落中。但是,如今数字化的快速发展正在改变开关设备的重要性,数据中心设施管理人员必须注意开关设备发挥的重要作用。

随着企业利用移动计算、物联网(IoT)等其他力量产生的海量数据来推动竞争优势,数据中心的作用从未如此重要,因为系统正常运行时间对业务成功越来越重要。业务中断不仅会影响生产力,还会造成重大的财务和声誉损失,影响市场地位。

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虽然发电机在发生短时间的电力干扰的情况下提供备用电源,但是最佳的设备正常运行时间需要可靠的配电系统,其中开关设备是最重要的。开关设备由用于控制、保护和隔离电气设备的电气隔离开关、保险丝和断路器组成,这与电力供应的可靠性直接相关,为整个数据中心设施供电。在很多情况下,电网和柴油发电机的电源都是通过并由开关设备控制的。因此,开关设备的停机时间意味着就是数据中心的停机时间。

开关设备的重要性日益突出

从历史上看,尤其是在数据中心领域中,开关设备主要提供短路保护功能,使其成为整个设施基础设施中相对被动的部分。设备管理人员只有在发生故障时才与设备进行交互,这种情况很少发生。但这些正式在变化。

随着数据消费的爆炸性增长以及数据中心的物理和计算规模的扩大(美国在超大规模数据中心的数量领先世界),对主动式能源保护和电气可靠性的需求也越来越强烈,这使得整个数据中心(包括开关设备)变得更具互动性和适应性。随着自动转换能力等新技术的进步,开关设备可以(而且必须)处理更多的电气操作,并在被要求操作时必须成功运行。例如,当恶劣天气导致电力设施停电时,开关设备负责自动重新配置配电线路以从电网切换到辅助的电力来源,即发电机。

那么,有着巨大的权力就需要承担巨大的责任。但是这种模式转变是困难的。在传统上使用开关设备很少,如果有的话,许多数据中心设施管工作人员可能没有意识到或解决设备转换的重要性。随着美国数据中心设施基础设施迅速老化,业务预算紧缩,员工和支持人数减少,正在进行的开关设备维护工作正在推迟,使电网的性能面临着一定的风险。这可能会造成在整个数据中心设施中出现故障、中断或电弧闪光问题的可能性。

维护的必要性

由于电气开关设备通常被认为是一个低维护量的产品,它通常是配电系统中最容易被忽视的部件。但是,与任何人工制造的设备一样,开关设备也面临一定的操作限制,需要定期维护以避免故障。就像人们为汽车或飞机提供服务一样,开关设备也必须得到维护,其使用周期与其环境成正比,以及如何处理。

巨大的电能不仅能够通过,而且还可以通过开关设备进行有效的路由和重新路由。这会给电气部件带来压力,特别是在环境不理想的情况下,例如当温度超出最佳性能区域、空气质量差或设备暴露在过度潮湿的环境中(值得注意的是,尽管数据中心内的机架和服务器环境受到严格管制,开关设备通常位于数据中心设施的其他部分,通常不具有相同的环境控制水平)。根据开关设备的类型,一些技术可能更容易受到环境的影响(空气绝缘开关最容易受到影响,惰性气体绝缘和屏蔽固体绝缘开关受到的影响最少)。

在制定开关设备维护计划时,首先要确定维修包括哪些内容:设备周围的环境和设备的职责。典型的问题包括:

  • 是否有空气污染物?
  • 是否有腐蚀性环境?
  • 是否有啮齿动物进入的可能性?
  • 温度和湿度是否符合要求?
  • 开关切换有多频繁?
  • 设备上的电流是多少?与设备的额定值有多接近?
  • 正在切换什么水平的电流?

开关设备创新提高可靠性、节省时间和费用

随着行业的不断发展,成功的企业应将开关设备视为竞争优势,使其能够提供最高水平的电力可用性,同时节省时间和费用。

最近在开关设计方面的创新使数据中心人员能够安装和运行具有持续性能和较低风险的中压网络。例如,在美国引入屏蔽式固体绝缘开关设备(2SIS)技术带来了前所未有的可靠性和安全性,通过将固体材料封装在一个屏蔽绝缘的主要电路部件提供保护以防止内部电弧。这种设计大大减少对系统的损害的可能性,保护带电导体免受可能导致故障的灰尘、水分、湿度和其他环境因素的影响,降低了维护人员触电、弧闪危险、电弧放电危险的风险。

设备成本也是一个关键因素,可以通过承诺采用更新的设备来弥补。现代的基础设施允许使用更小的设备,从而能够在较小的空间内提供相同的功率。现代化技术也是高度模块化的,需要较少的维护和不太复杂的维护,大大降低了相关成本。此外,在更换电力基础设施的同时,可以评估增加配电电压,这也大大节省了成本(减少电缆尺寸、减少电缆长度、减少导管/托盘、减少安装的工作量)。

结论

数据中心内的任何配电和备用系统中,开关设备往往是价值最受低估的组件。但是,随着老化的电气设备需要维护,将重要的数据中心性能置于风险之中,数据中心设施管理人员是否真的能够忽略这个经常被忽视的组件,以确保正常运行时间?

数据中心电力故障的影响可能会以多种方式使企业付出代价,虽然不间断电源(UPS)和发电机等备用系统在需要关闭主电源或发生单点故障时提供备用电源,但现代开关设备是一个可靠的电力网络的核心和灵魂,必须妥善维护。

在支持数据中心正常运行的所有电气和系统组件中,开关设备通常不被人…

在今天的24/7全天候运营的商业大环境中,“永远保持在线运行”的业务环境、可靠性和韧性始终是关键任务设施的首要任务。然而,这方面的目标极有可能受到这些设施的日常使用和运行的实际方面的威胁。

数据中心配电系统作为一个整体是从可用电源延伸而来的——其通常往往是从变压器、发电机和不间断电源(UPS)输入,然后通过交换设备、断路器进入到所支持的ICT、冷却设备和相关负载进行输出。因此,我们不仅要了解与电力设备的每个项目相关的问题,还有必要了解这些项目是如何相互影响的。而鉴于这些项目之间的相互影响还可能随着数据中心负载的变化而变化的本质属性,使得我们对于这方面需要特别注意。

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这种反向保护的辅助功能有助于提高系统的弹性,并且在考虑UPS系统中的反馈保护时,其通常成为更广泛讨论的话题。然而,应该强调的是,如前所述,反馈保护是为了确保人员安全和强制性的要求。

还值得一提的是,在UPS外部的反馈保护装置将为UPS系统增加“隐藏成本”。该设备将需要与开关设备内的UPS相同或相似的组件,以响应主电源状态进而控制其开关。一款电动机断路器或与过流保护串联的接触器是实现此目的的典型方法。

对于某些UPS产品型号而言,依靠外部反向馈电保护可能会影响UPS供电配置。其可以强制使用双馈电源,为整流器和旁路供电,而不是采用在许多情况下可以接受的单一馈电,同时节省成本。

图6:如上所述,UPS的耐受额定电流适用于UPS静态旁路电路,无论是在UPS内还是作为集中式系统级旁路。如果这是UPS(系统)的组成部分,它也适用于机械旁路。通常使用外部维护旁路;如果是这样的话,其必须遵循低压开关设备要求。

当使用限制短路电流ICC额定值时,UPS供应商将对所选SCPD进行产品测试。UPS供应商有责任选择保护装置,并根据需要进行测试来验证设计。如果使用外部保护装置,UPS供应商应说明设备类型。只有当保护装置经由UPS供应商说明,并通过测试进行了验证,其才能够被使用。

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图1:具有内部反馈保护装置的UPS与左侧静态旁路开关串联;外部输入线隔离装置的原理在右边实现。

《IEC 62040-1:2008不间断电源系统(UPS)
标准》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》为UPS产品及其安装提供了强制性的安全相关要求。CE标示要求遵守本标准,并具有法律效力。最新要求,IEC
62040-1:2008——2013修订版,于2016年2月起正式成为强制性要求。这要求UPS制造商声明:

这是非常真实的,但有很多因素要考虑。这些因素包括组件通常如何发生故障失败,其在系统中如何使用以及可能的影响。

b)从带电部件到UPS底盘或外壳不得发出电弧

反向馈电保护是由《IEC 62040-1:2008不间断电源系统(UPS)
标准》的第1部分:《UPS使用的一般要求和安全要求》所规定的。该标准也是欧洲规范,并规定了带有法律强制性要求,以确保UPS安装过程中维修人员的安全。该标准允许反向馈电保护的两种替代方案;在UPS内安装一款内部反向馈电隔离装置,或安装外部输入线路隔离装置,只在UPS内部执行反馈检测和控制,同时在安全标准描述的相关开关设备中需要警告标签。当输入电源丢失时,反馈保护装置必须在15秒内通过分离的方式将电源中任何永久连接的UPS的输出隔离,以防止在上游导致可能的危险电压。请注意,
“反馈”这一术语和本文中涉及到的人员安全和危险电压或能量要求,并不是有时被误认为的反向功率流。

在测试结束时,产品需要被证实满足了以下标准的合规性:

符合安全要求的UPS产品必须通过由UPS供应商(制造商)进行的测试来验证。测试是强制性的,仅有两个例外,即:要么声明的耐受电流额定值≤10
kA要么峰值通过的电流被SCPD限制在≤17 kA.

图3:具有静态开关和内部反馈保护(K5)的UPS

实际上,UPS供应商必须说明UPS输入终端允许的最大允许故障电流水平,以维持UPS产品的安全和安装。所选设备的额定值必须等于或超过UPS安装中发现的故障电流水平,并且在任何情况下不得超过这些声明值。

如果UPS供应商依靠UPS供电开关设备内的外部短路保护装置,则UPS系统安全要求落在设备安装方面,并由其设计人员、电气承包商和业主负责。这些人可能不具备足够的产品特定标准和要求的相关知识,以确保保护装置的正确使用,并且从未被替换为具有较少保护和具有较高的通过能量的设备。

您企业需要增强数据中心的弹性和可靠性。本文中,我们将与您分享有关不间断电源(UPS)安装的安全要求和技巧,以及提高电源可靠性的一些技巧。

d)任何外壳门不得快速打开(因为可能造成人身伤害),只能通过其正常闩锁来防止

  • 短时耐受电流(ICW):短时电流的有效值由UPS制造商声明,可以根据当前电流和时间定义在特定条件下进行,而不造成损坏,

隔离故障旁路电路的功能可以使UPS系统在线,并保护关键工作负载,即使是有故障的静态开关;从系统中消除单点故障并增加容错能力。因此,在UPS的二次使用反馈保护功能,以减少故障静态开关的影响是非常受欢迎的。

一些并联UPS系统使用集中旁路拓扑,其中系统旁路模块(SBM)为所有并联UPS单元提供了一条通用的旁路线路,如图4所示。

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单一UPS系统中的反馈保护

UPS在UPS系统中并联,以获得更高的可用性或更大的容量。图4显示了具有内部反向馈电接触器K5的分布式旁路配置的并联UPS系统。

使用具备安装就绪且经过了工厂测试的内部反馈保护装置的UPS产品有助于确保安全要求是由UPS供应商来履行,而不是依靠他人来处理;这使得解决方案对企业客户而言更容易。

对容错的影响

并联UPS系统中的反馈保护

作为法律要求,UPS的安装必须满足人员和基础设施的安全要求。然而,很少有人意识到UPS产品特定的安全要求,造成了这些方面可能被忽视的风险。

c)组件,例如用于安装带电部件的母线支架不得远离其初始位置

鉴于标准中的要求仅适用于UPS的低阻抗路径,假设存在这样的路径的话。这个低阻抗路径既可以是UPS的内部旁路电路,也可以是多个UPS的大型通用旁路。它包括从旁路输入终端到UPS输出终端的静态旁路开关电路;如果其是UPS的一个组成部分,或基于UPS产品标准所出售的UPS系统组件,那么其也可以延伸到UPS机械(维护)旁路电路。当外部维护旁路用作低压开关柜组件的一部分时,它将自动落入开关设备产品类别和相关要求。

反向馈电保护(Backfeed protection) 立法

文章中还探讨了必须防止静态开关故障引起的反向馈电电流;借助现代UPS系统减轻这些现象,以及过载条件,特别是阶跃变化,以及整流器电流限制。文中还涉及到相关的国际安全立法。在正常运行、维护期间及发生故障的不同条件下的UPS操作的详细考虑因素;系统的可用性和对关键负载的保护及安全性的影响将凸显在开始任何新的UPS安装或升级之前,咨询经验丰富的UPS供应商的可行性。

e)导体不得从其终端连接器拔出,不得损坏导体或导体绝缘体

从一开始,UPS故障电流额定值就必须大于现场最坏的情况。对于多个馈电,必须允许可能的并行运行电源以及将来更改和升级到上游电气基础设施的可能。并联多个器件不会降低每个单元的故障电流要求。任何影响故障电流水平的安装变更后,都必须重新评估UPS的合规性。如果使用外部SCPD来保护UPS,这一点尤为重要。这些必须是经批准的类型,并且将来不应替换为其他类型,例如在开关设备组件上执行更改和升级时。

虽然本文第一部分着眼于配电,但其重点是UPS.而在接下来的几个部分中,则涵盖了UPS和配电主题;馈线和优化,三极和四极开关和选择性问题。总的来说,本文将为大家提供关于如何提高数据中心可靠性和安全性的相关知识,以及如何防止不必要的停机中断。

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