关于通信电源级ATS极数选择的应用探讨

12011．10．10中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛关于通信电源级ATS极数选择的应用探讨电源所刘驰王海东【摘要】：双电源自动（ATS）转换开关是低压电气系统中重要的组成部分，是市电油机切换、双路电源倒换必不可少的设备。目前通信电源级所使用的转换开关多为PC级ATS。且主要是欧美国家的一些产品，如美国的ASCO、GE，法国的施奈德等品牌。其产品也是分不同类型容量供用户选择，通信局房中选择合适的自动转换开关，是提高供电系统安全、可靠的重要环节。【关键词】：接地方式TN-SN线一级配电二级配电零线电流1.概述随着3G、TD－LTE、IDC等通信业务的发展和增长，通信机房需要不断满足日益增长的业务需求。而用电负荷也出现了高密度化，供电系统容量也越来越大。每年中国移动需要投入大量资金用于机房土建建设、配套设施。以往通信局站只需配置一套低压配电系统，市电与油机电源的切换也只需配置1或2台ATS。而目前的一些通信机房楼或者枢纽楼，少则配置3、4套低压配电系统，多则配置5、6套低压配电系统，甚至更多，而且容量也较以前大很多，一般多为3000A以上的转换开关。而且，还有机房的二级配电系统，同样需要两路电源切换的ATS。综合ASCO7000系列、GEZTS系列和施奈德WOTPC系列等PC级ATS开关，其同品牌、同功能、同容量四极开关与三极开关的比较，（一）开关本体尺寸，四极开关比三极开关尺寸要大很多，因为多数ATS开关需要与国内盘厂进行配套生产，选择四极开关后，大容量的ATS柜尤其深度会比普通配电柜长400mm以上，这样对土建的要求就比较高，也增加了施工的难度，同时也影响了配电机房的美观性，当采用三极开关后，则大大改善上述因素。（二）开关报价，据了解四极开关比三极开关的价格将上浮约15～中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛225％，以施奈德WOTPC-3000系列为例，三极开关报价约30万/台，四极开关报价约36万/台。对于中国移动整体的基础设施建设需求而言，其投资还是非常巨大的。所以合理的选择通信电源级ATS，是有着重要的意义。2．影响ATS极数选择的原则对于极数的选择，首先明确影响ATS极数选择的原则，即系统的接地方式和接地故障检测，还有应急电源（一般是柴油机）需要和市电隔离三个方面。（1）IT系统必须选择3PATS。（2）《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-2008），规范中7.5.3条款规定“TN-C-S,TN-S系统中的电源转换开关,应该采用切断相导体和中性线导体的四极开关。”和“正常供电电源与备用发电机之间，其电源转换开关应采用四极开关”。（2）如果ATS前端具有4P接地故障保护，中线是不能有重叠或者短接的，因为重叠或者短接会产生回路，导致接地故障误动或者无法正常动作。（3）由于接地制式的习惯，国内要求柴油机侧使用4P断路器和4P自动转换开关ATS，这样可以在柴油机工作时，有效隔离开柴油机和市电的中线及相线，保证柴油机不会往正常的市电系统里倒送电。3．3PATS和4PATS的接地方式根据上述原则我们试着探讨通信电源级ATS极数的选择，在通信系统采用三相五线制，将市电油机自动切换的开关，称为一级配电ATS转换开关，电力机房的二次配电系统使用的两路倒换的开关，称为二级配电ATS转换开关。那么我们首先需要知道3PATS和4PATS的接地方式和特点，如下图所示：3.13PATS的接地方式注：共用零线中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛3当出现故障时三极开关接地系统，将使漏电检测失效，如下图所示：3.24PATS的接地方式四极开关不会使接地保护失效，如下图所示：4．一级配电ATS转换开关的选择4.1相关标准的要求中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛4根据《民用建筑电气设计规范》（JGJ/T16-2008），规范中7.5.3条款规定“正常供电电源与备用发电机之间，其电源转换开关应采用四极开关”。（IEC465.1.5条规定，同上）4.2ATS对油机零线接地的要求因为根据“通信电源设备安装工程设计规范”相关规范要求，通信用低压配电系统必须采用TN-S接地方式，变压器侧中性线直接接地。如果采用3PATS，则常用电源和备用电源的零线是接在一起连通的。此时无论如何切换，市电侧或是油机侧，零线均无腾空的可能。在三极切换时，油机中性点是通过变压器接地的，油机零线无须单独接地。油机只需做PE接地即可。但如果采用四极切换，则油机零线必须单独接地，若不单独接地，则油机的中性点就处于腾空的状态，当油机供电时中性点有可能产生漂移现象，对人身和设备的安全带来严重的隐患。4.3UPS负载的影响目前通信负载越来越多采用UPS供电，而UPS输出的中性线同输入中性线直通，通过变压器（或油机）接地。如果UPS输入电源在市电和发电机之间切换时，引起UPS输入中性线断开，导致UPS负载侧的中性线不接地，导致零位漂移，后果是损坏负载，造成重大影响和经济损失。如下图所示不平衡负载：不平衡负载4.4一级配电ATS转换开关的选择在两路电源的自动转换中，ATS是一个很重要的用电设备，当4P自动转换开关电器（ATS）包括4P断路器在转换或者分断电路时，由于机械机构的同期性无法百分百保证，如果发生中性线先于相线分开或后于相线合上，而且持续时间较长，称之为中性线“悬空”，对于三相不平衡负载的配电系统会由于中性线的“悬空”产生瞬间的暂态过电压中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛5从而影响系统的绝缘安全性并产生暂态冲击，有可能导致二次电子设备受到影响。因此在规范里对4P低压开关电器的中性线做了“先合后分”的推荐。但是要求中性线要和相线具备一致性，可以同时分断两路电源。综上所述，首先要满足相关标准的要求，即在市电电源、油机电源切换的一级配电ATS转换开关选择四极转换开关，另一方面，考虑零线中断后可能造成的隐患，宜选择带零线重叠切换的四极开关。原理如下图：在非转换期，ATS是4极开关，两输入电源完全分离（相线和中性线）在转换时，N线动触头先转换，接触到另一电源的N线并保持连接两电源N线；相线动触头是“先分后合”的转换至另一侧电源；负载N线同时接两电源的N线。此时ATS是4极开关：相线完全转换到备用电源，N线也与主用电源分离并只接备用电源。5．二级配电ATS转换开关的选择5.1二级配电ATS的重要性电力机房二级配电系统，其负荷重要性比较高，需要双路供电，负载主要包括开关电源输入屏、UPS输入屏、机房空调输入屏等。均为通信保证的一级重要负荷。双电源供电安全设计是非常重要的。5.2通信机房供电及接地方式随着供电技术、供电设备的更新，目前通信机房的供电系统一般采用双路市电电源引入局房，变压器及低压配电系统则多采用2N、N+1的运行方式，备用油机电源采用N、N＋1的运行方式。其供电系统的安全、可靠性已经比之前有了很大的提高。二级配电ATS的选择也必须与之相匹配。中国移动通信集团设计院有限公司第十七届新技术论坛6而通信机房的接地系统采用TN-S系统，其优势恰恰在于一旦设备出现外壳带电，能将漏电电流上升为短路电流，这个电流很大，是TT系统的几倍，低压断路器的脱扣器会立即跳闸，使故障设备断电，确保设备及人员安全。其原因在于电气设备的外露可导电部分通过PE线直接与系统接地点相连，当发生设备短路或漏电时，短路电流经金属导线构成闭合回路。形成金属性单相短路，从而产生足够大的短路电流，使保护装置能可靠动作，将故障电流切除。通信局房采用TN－S的接地系统，我们不希望在油机切换后，由于各种原因所产生的中心线断开，而相线自成回路，而产生的零地电压升高，零线电流通过多个回路回到中性点，这样离散电流产生将危害整个供电系统及人身安全。5.3二级配电系统的出线方式一般通信机房的配电系统，在进线开关选择四级断路器，配四段保护。馈电分路选择三极断路器，配二段保护或三段保护，二级配电系统引入两个不同的馈电分路，二级配电ATS的作用即是两路电源的自动倒换。5.4二级配电系统ATS的选择我们试将二级配电ATS做为负载的一部分，油机电源与市电电源的N线已经在该一级配电ATS转换开关处实现了分断。而一级配电选择带中性线重叠切换的ATS转换开关，二级配电系统转换开关可以使用三级的ATS转换开关。从另外的角度看，如果一级配电ATS转换开关选择普通的四极ATS转换开关，则需视具体的供电系统方式和接地系统方式来选择合理的二级配电ATS转换开关，建议选用四极ATS转换开关。当然如果是非常重要的通信枢纽大楼或者重要的数据中心，其二级配电ATS转换开关宜选用带中性线重叠四极转换开关。6小结对于双电源转换开关极数的选择与系统所采用的何种接地方式是至关重要的，即使一级配电ATS选用四极开关，如果油机中性线不接地，那么实际检测油机的中性点零地电压时，有的高达百伏。所以通信局房首先要保证接地系统的安全可靠；其次，在分配UPS负载时尽量做到三相平衡。一级配电ATS优先选择带中性线重叠切换的四极开关，则二级配电ATS即可选择三极开关。这样即保证供电系统的安全可靠，同时机房的配套建设上能节省更多的投资。合理选择ATS对通信局房的建设有着重要的作用。