ATS在IDC供配电系统切换过程中局部过热的故障分析

2020-01-27张雨默刘强金婷李伟李德锋

锦绣·中旬刊 2020年8期

张雨默　刘强　金婷　李伟　李德锋

摘要：随着信息技术的不断发展，大数据、云计算、人工智能等前沿技术蓬勃发展，IDC数据中心作为重要的基础设施，支撑着新兴技术的运行应用，IDC数据中心电源系统作为数据中心运行的动力“心脏”，运行的稳定性直接影响业务的稳定性。本文针对IDC电源系统中典型设备ATS（自动转换开关）的一起故障进行分析，详细分析了故障原因并总结了维护要点。

关键词：数据中心;电源系统;ATS;维护要点

中图分类号：TM762.1：文献标识码：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（自動转换器）是一种用于自动转换两路电源供给负载使用，将负载电力供应从一个电源自动转换至另一个电源，保证负载供电连续，可靠运行1，目前工程上常用的ATS主要有PC级与CB级两类，PC级ATS为电磁驱动式，具有转换速度快

随着供电系统规模不断扩大，供电系统结构日趋复杂2，ATS使用场景及使用频率增多，产生了一些新的故障类型3，4。本文结合ATS使用维护过程中发现的一次典型故障，通过理论分析与现场实际测试，总结研究了此次故障的原因并为ATS的维护提供了一些建议。

1 故障现场

某数据中心低压配电系统大面积使用某知名品牌ATS，在进行巡检过程中连续出现ATS切换时单项瞬时过热问题。

三列低压柜之间组网架构如图所示，低压柜之间通过母联柜进行备用切换，ATS作为应急状态下外接车载油机切换作用。

当对B列巡检时，通过母联柜将B列后端负载切换至C列，准备对B列设备进行停电巡检作业，此时C列ATS负荷为B列负荷与C列原有负荷之和。

11月18日，维护人员对低压供配电系统进行计划巡检，ATS转换开关主用A相触头不明原因击穿，导致缺相供电中断。

12月10日，在对另一机房巡检时，ATS转换开关主用B相触头在带载1800A（容量为3000A）时，出现温升异常情况，平均温度达到165℃，最高温度达到202℃并伴有异味。

2 故障原因分析

2.1 11月8日故障原因分析

11月8日ATS出现A相击穿时，现场巡检人员通过红外成像仪现场扫描，发现C列ATS 三相触头中A相局部最高温度达到221℃，维护人员迅速进行倒回操作，经过一段时间后再次用红外成像仪再次测试A相温度恢复正常，将ATS切换至旁路，现场拆卸主路ATS触头。

ATS触头属于免维护器件，又处于设备内部4，根据现场情况，初步分析造成其过热原因有二种：1、负载切换瞬间电流冲击过大，设备运行时间较长，触头耐受出现问题，出现局部过热问题;2、触头接触面由于长时间运行，拉弧次数较多，表面产生损伤，导致表面接触电阻变大，当通过电流较大时，产生过热问题5，6。

ATS额定电流为3000A，进行切换后ATS单相电流最大为1800A，在经过对其他两列ATS在同等电流条件下测试发现，并未出现过热现象，因此排除电流冲击过大。

将ATS触头进行拆卸，发现局部有拉弧留下灼伤痕迹，表面留有黑色物质，怀疑为长时间拉弧导致触头受损，引发过热，采用表面电阻仪对触头表面电阻进行测试，故障相电阻值明显高于其他两项。经维护人员更换触头并对触头角度进行调整后，再次进行测量，表面接触电阻由242.4μΩ降至20.4μΩ，达到标准值。

更换过后，再次对此ATS进行测试，设备运行正常，经红外成像仪扫描检查，无高温过热现场，维护人员初步确定原因为ATS接触面不良导致，但ATS接触面不良根本原因无法做出结论。

2.2 12月8日故障原因分析

12月10日维护人员在对另一相同组网架构机房进行巡检时，再次出现类似高温现象。维护人员进一步深入排查、剖析此问题，通过对故障现场进行仔细检查，并使用塞尺并进行现场测量，确认产生高温B相动静触头接触角度与出厂标准设置值存在偏差，造成动静触头接触面积不足。经过厂家维护人员现场对动、静触头接触角度进行调节，并使用塞尺、接触电阻测试仪等工具进行校准、测试，并现场进行倒换测试试验，触头高温现场消除，设备运行正常。

图4 现场调解触头接触面角度

2.3 接触电阻作用原理及影响因素

当两个金属导体相接处时，在接触区域内存在一个附加电阻，称为接触电阻，接触电阻大小主要由三部分组成：收缩电阻、表面膜电阻、导体固有电阻。

收缩电阻：当电流通过导体之间接触面时，由于电流线收缩呈现出来的电阻，受电流大小影响。

表面膜电阻：接触表面膜层及其他污染物所构成的膜层电阻，受贮存和使用操作环境影响。

可知，接触电阻的主要影响因素为接触面正压力、接触器件材料、表面环境状态、通电电压、电流等影响。

在粗略计算下，接触电阻Rj按照Rj=ρL/S进行估算，ρ为导体电阻率，L为长度，S为截面积。

此故障中，由于动静触头接触面积不足，存在缝隙，导致S变小，经现场测量与技术指标对比，此3000（A）ATS理论接触面积为825（mm）2（75mm*11mm），但现场实际接触面积约为2/5，约为330（mm）2，导致接触电阻变大，同时，由于缝隙存在接触面电阻率ρ同样将产生较大增幅。根据焦耳定律Q=I2Rt，当电流、时间都不变时，热量随电阻增加而增加。在热量承受能力不变情况下，此故障ATS的额定电流应约为1581A（此数值为假设ρ不变，实际电流值将小于此数值），远小于1800A。

由于ATS接触面不良，导致触头额定电流数值下降，设备处于长期性能劣化状态下运行，接触表面电阻率ρ增大，Rj增大，Q增大，如此往复，形成恶性循环，当需对低压柜进行巡检作业，切换两列之间负载，导致ATS负载电流急剧增加，最终导致触头高温，击穿。

3 维护措施及建议

3.1 故障总结

1、经现场分析及实际测试，认为此ATS在出厂过程中动静触头校准存在一定问题，实际情况与设备出厂报告不符。

2.设备在入网使用前并未进行相应的大电流耐受测试工作，导致此问题一直没有暴露。

3.2 维护建议

1、在电力设备入网前，必须进行严格的满载测试，保证设备在规定时间内能够运行正常并记录测试各项数据7。

2、在ATS日常使用维护过程中，应该保证使用环境及设备周围环境的干净、温、湿度数值在建議范围内8。

3、对于触头类免维护器件加强日常巡检过程温升测试，可采用红外成像仪对设备各个角度进行温升检测，或者采用智能采集手段，通过加装温感探头进行触头温升检测记录9，同时可定期采用塞尺等测量工具对触头间接触面积进行测量并记录。

4、重点关注各类高低压设备负载激增情况下各关键器件的性能变化，做到防患于未然。

5、高低压设备巡检工作应按照相应维护规程严格进行，做好每项测试并记录存档。

4 结论