“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢及應(yīng)用研究

1　配置負(fù)載自動切換開關(guān)的必要性

當(dāng)今的市場經(jīng)濟和社會活動對信息網(wǎng)絡(luò)（互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、工業(yè)自動化控制網(wǎng)、政府的電子政務(wù)網(wǎng)站等）的依賴程度是如此之高，那怕是僅幾分鐘的“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”就可能會給公司，企業(yè)及行政管理機構(gòu)的銷售，經(jīng)營管理、社會生活的正常運行、聲譽、及公眾形象帶來難以估量的損失。鑒于公眾對“信息網(wǎng)絡(luò)”的正常運營服務(wù)所期望的高度“時效性”，為此要求負(fù)責(zé)向它供電的UPS供電系統(tǒng)必須具有提供100%”高可利用率”的供電能力。目前，常采用的技術(shù)措施之一是：在各種重要的信息網(wǎng)絡(luò)機房中、配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)， 從而為確保各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能安全、可靠地處理/傳輸/存儲數(shù)據(jù)和各種信息資料創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。多年來的運行實踐證明：“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)具有如下技術(shù)優(yōu)勢：

增強UPS供電系統(tǒng)的“容錯”功能：在由“N+1”臺UPS所構(gòu)成的UPS冗余并機系統(tǒng)的運行中，如果其中某臺UPS因故”出故障”時、剩下的N臺UPS具有足夠的”帶載能力”向后接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供純潔的、穩(wěn)壓的UPS逆變器電源，從而確保各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全運行。這意味著：對于這樣的帶“容錯”功能的UPS冗余供電系統(tǒng)而言，即使在遇到某臺UPS因故出故障時，它仍能向它的負(fù)載提供具有100%“高可利用率”的高品質(zhì)電源。

提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性：例如“1+1”并機系統(tǒng)的平均無故障工作時間（MTBF）是UPS單機6倍左右。如果再考慮到：當(dāng)今的中、大型UPS的MTBF值已高達40-50萬小時的話，“1+1”UPS冗余供電系統(tǒng)的MTBF值可達250萬小時左右。同普通市電電源的99.9%的“可利用率”相比，它可將UPS供電系統(tǒng)的”可利用率”提高到99.99997%以上。由此可見：它對提高供電系統(tǒng)的可靠性的作用是多么的巨大。

提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：它允許在UPS的逆變器電源供電的條件下、對位于UPS并機系統(tǒng)中的某臺UPS單機執(zhí)行”不帶電”的定期維護/故障檢修操作。

盡管在配置“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)后、可極大地改善信息網(wǎng)絡(luò)的供電環(huán)境。然而，近年來對當(dāng)今IDC機房的運行狀況的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：僅靠“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)并不可能100%地確保在它的輸出端、再也不會出現(xiàn)”停電”事故。相關(guān)的統(tǒng)計資料證明：由于UPS的機型選配不當(dāng)或輸入配電系統(tǒng)/輸出配電系統(tǒng)的設(shè)計不當(dāng)而造成在UPS冗余并機系統(tǒng)中、出現(xiàn)從幾十毫秒到幾秒的“短暫停電”或超過幾分鐘的“長時間停電”的事故仍然時有發(fā)生（注：發(fā)生這種故障的相對比例很低）。眾所周知：在“信息網(wǎng)絡(luò)”的運行中，如果遇到出現(xiàn)超過20毫秒以上的“瞬間供電中斷”故障發(fā)生時，就可能會導(dǎo)致服務(wù)器、小型計算機、網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備出現(xiàn)“開機自檢”誤動作（此時的服務(wù)器會在瞬間“自動關(guān)機”后，在極短的時間內(nèi)、自動執(zhí)行重新”開機啟動”操作。這樣一來，它必然會導(dǎo)致信息網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)和用戶的應(yīng)用軟件破壞及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失），從而致使“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”事故發(fā)生。相關(guān)的統(tǒng)計資料證明：一旦出現(xiàn)這種局面，要使信息網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)正常工作、往往需“耗時”短則幾十分鐘、長則到幾小時以上，從而致使“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”事故的影響面被急劇地擴大。例如：某電信公司的電信網(wǎng)絡(luò)在運行中，因UPS供電系統(tǒng)出現(xiàn)約3秒的“短暫供電中斷”而導(dǎo)致其計費系統(tǒng)及電話號碼的自動查詢等關(guān)鍵系統(tǒng)停止工作，從而造成高達數(shù)百萬元的營運損失及用戶的大量投訴。為消除這種不幸事故的發(fā)生、所釆用的有效技術(shù)途徑之一是配置如圖1所示的UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)。

圖1：　UPS“雙總線輸出”冗余供電系統(tǒng)控制柜圖

從UPS-A和UPS-B兩套UPS供電系統(tǒng)送出的兩路交流電源負(fù)責(zé)向各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電（注：在這里，UPS-A和B兩套系統(tǒng)既可以是UPS單機、也可以是“N+1”型UPS冗余并機系統(tǒng)。在工作實踐中，在重要的IDC機房中，常釆用“1+1”/“2+1” 型UPS冗余并機系統(tǒng)來作為它的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的供電電源）。位于UPS“雙總線輸出”供電系統(tǒng)的輸出端的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可分為三大類：

（a） 非關(guān)鍵性的設(shè)備（例：打印機、復(fù)印機及供瀏覽網(wǎng)絡(luò)用的PC機等）：

由于對非關(guān)鍵的設(shè)備而言，當(dāng)因電源問題而造成它們發(fā)生“停止工作”的故障時，一般說來、它僅會給用戶帶來工作不便/工作時間的浪費的煩惱，并不會造成重大的經(jīng)濟損失。因此，僅向它們提供單路供電電源。

（b） 釆用“1+1”式冗余供電的、帶“雙電源輸入端”的關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（例：服務(wù)器、磁盤陣列機、網(wǎng)關(guān)等）：

對于帶“雙電源輸入”的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言，從UPS-A和B的輸出配電柜所輸出的兩路UPS電源被分別送到這種設(shè)備的兩個輸入端上。在這樣的冗余式“雙路交流電源”供電設(shè)計的條件下，當(dāng)遇到某套UPS供電系統(tǒng)因故出現(xiàn)“停電”事故時，它也能確保這些IT設(shè)備的正常運行。通過對當(dāng)今的信息網(wǎng)絡(luò)機房的調(diào)查發(fā)現(xiàn)：因各類用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置水平/更新的速度的不同、所釆用的“雙電源輸入”供電的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在總網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置中所占的比例大約在30% 到90%之間（注：對于某些重要的服務(wù)器而言，它們甚至釆用“2+1”冗余式的“叁電源輸入”供電設(shè)計方案）。

（c） 帶”單電源輸入端”的關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：

為確保向位于“信息網(wǎng)絡(luò)”中的關(guān)鍵“單電源輸入”供電的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供365*24小時的高品質(zhì)UPS電源，就需要配置一種“負(fù)載自動切換開關(guān)”（LTM：Load Transfer Module）。分別來自兩套UPS并機系統(tǒng)A和B輸出端的兩路“逆變器電源”被送到“負(fù)載自動切換開關(guān)（LTM開關(guān)）”的兩個輸入端上。在此，用戶可以通過調(diào)整它的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的辦法，將其中的一路UPS電源設(shè)置為“優(yōu)先供電電源”、將另一路UPS電源設(shè)置為“備用電源”。正常工作時，“單電源輸入”的負(fù)載同用戶所指定的承擔(dān)“優(yōu)先供電”任務(wù)的UPS電源相接通。當(dāng)這路“優(yōu)先供電電源”因故“出故障”時，LTM開關(guān)將立即把用戶的負(fù)載切換到處于正常工作狀態(tài)下的“備用UPS逆變器電源”上。因此，利用這種”負(fù)載自動切換開關(guān)”就能消除可能出現(xiàn)在UPS并機系統(tǒng)的輸出端與用戶負(fù)載端之間的“單點瓶頸”故障隱患。這樣一來，就能向用戶的關(guān)鍵負(fù)載提供具有100%”高可利用率”供電特性的高品質(zhì)的電源供應(yīng)， 從而為”信息網(wǎng)絡(luò)”能長期地、安全地和可靠地運行創(chuàng)造出優(yōu)良的電源運行環(huán)境。

有鑒于此，配置“負(fù)載自動切換開關(guān)”后、它將有助于UPS的輸出線路能順利地完成的如下調(diào)控任務(wù)：

（1） 提高UPS供電系統(tǒng)的可利用率：它能消除從UPS輸出配電柜到用戶負(fù)載端之間所可能出現(xiàn)的”單點瓶頸”故障隱患，達到能最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因”輸入停電”而出現(xiàn)”網(wǎng)絡(luò)癱瘓”故障的發(fā)生的幾率的目的。

（2） “擇優(yōu)供電”功能，提高UPS供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量：用戶可以通過對輸入到”負(fù)載自動切換開關(guān)”上的兩路交流源的電壓和頻率設(shè)置”不同級別”的工作窗口大小的辦法，將具有最高供電質(zhì)量的那路UPS電源送到用戶的負(fù)載上。

（3） 提高UPS供電系統(tǒng)的可維護性：當(dāng)某套UPS供電系統(tǒng)因故需要執(zhí)行”停電”維護或檢修時，可通過重新選擇“優(yōu)先供電電源”的辦法、將用戶的負(fù)載自動切換到原來的“備用電源”上，從而達到在繼續(xù)向負(fù)載提供高品質(zhì)的UPS逆變器電源的同時、將原來處于“優(yōu)先供電電源”工作狀態(tài)的那套UPS供電系統(tǒng)置于“停電”和“脫機”的工作狀態(tài)之下，以便為操作人員提供一個執(zhí)行安全維修/檢修操作的優(yōu)良工作環(huán)境。

（4） 增強UPS供電系統(tǒng)的“故障隔離”功能：從上所述可知，造成”負(fù)載自動切換開關(guān)”執(zhí)行切換操作的前提條件是：從”優(yōu)先供電電源”送到LTM開關(guān)的輸入端上的電源、一定是因故曾經(jīng)出現(xiàn)過”停電”或”嚴(yán)重超限”事故。眾所周知：能導(dǎo)致產(chǎn)生這種事故的原因、此時它所應(yīng)執(zhí)行的調(diào)控功能有：

當(dāng)承擔(dān)“優(yōu)先供電電源”任務(wù)的那套UPS電源因故出現(xiàn)“停電”、“嚴(yán)重過壓/欠壓“故障”時，對于設(shè)計合理的“負(fù)載自動切換開關(guān)”來說，要求它必須自動執(zhí)行“先斷后通”的快速切換操作、以便在確保后接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全運行的同時、還能有效地防止上述故障從”優(yōu)先供電電源”系統(tǒng)擴散到另一套處于正常工作狀態(tài)下的“備用電源”供電系統(tǒng)上。

當(dāng)因故在“負(fù)載自動切換開關(guān)”的后接負(fù)載端出現(xiàn)“短路”/“嚴(yán)重過載”故障時，它不僅具備有“禁止切換”的保護功能。而且，還具備能承受往巨大的短路電流“沖擊”的能力。這樣一來，就能將短路故障的影響范圍局限在最小范圍之內(nèi)，將可能造成的損失降低到最小的程度上。

（5） 釆用模塊化的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、降低它的平均維修時間（MTTR）：鑒于“負(fù)載自動切換開關(guān)”是處于“上接”兩路冗余輸入電源、“下接”各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的樞紐供電位置上及重要的信息網(wǎng)絡(luò)必須向用戶提供365*24小時的不間斷的互聯(lián)網(wǎng)增值服務(wù)的實際需求，不僅將它的各個關(guān)鍵部件（例：“可控硅”切換模塊、斷路器開關(guān)部件）設(shè)計成允許值班人員執(zhí)行“帶電、熱插拔”操作的模塊化結(jié)構(gòu)。而且，還釆用將“弱電”控制部件同“強電”切換部件進行徹底“電隔離”的機械設(shè)計方案，從而達到消除因“人為誤操作”而導(dǎo)致誘發(fā)其它的災(zāi)難性的故障的發(fā)生的目的。

2　負(fù)載自動切換開關(guān)（LTM開關(guān)）的型號

目前在市場上銷售的負(fù)載自動切換開關(guān)的品種，可大體分為三大類：

a） 由可控硅所構(gòu)成的三相、大功率STS靜態(tài)開關(guān)（Static Transfer Switch）式的負(fù)載自動切換開關(guān)：其典型的標(biāo)稱輸出電流有：60A、100A、160A、250A、400A、600A、800A、1000A和1200A的開關(guān)（注：少數(shù)廠家的STS產(chǎn)品是用在400V工作電壓時的標(biāo)稱輸出功率KVA來進行標(biāo)注的）;

b） 由兩組大功率的快速繼電器構(gòu)成的中功率、SS（SmartSwitch）智能式的負(fù)載自動切換開關(guān)（SS型開關(guān)）：它包括三相25A和50A的開關(guān)及單相16A、25A和50A的開關(guān);

c） 由一個中間繼電器所組成的小功率冗余開關(guān)（Redundant Switch）式的負(fù)載自動切換開關(guān)：其品種為：單相10A、16A（注：這是60Hz時的參數(shù)。如果在50Hz下運行時，其額定工作電流僅為：8A、13A）。

下面將以艾默生公司的STS型的靜態(tài)開關(guān)為例，對三相、大功率的負(fù)載自動切換開關(guān)的工作特性進行分析和討論。

3　大功率STS型負(fù)載自動切換開關(guān)（LTM開關(guān)）的工作原理

艾默生公司的STS-2型自動切換開關(guān)的控制框圖被示于圖2中。它是以“反向并聯(lián)可控硅”為核心部件所組成的大功率的”靜態(tài)開關(guān)”式的負(fù)載自動切換開關(guān)。有關(guān)它的各種工作特性將分析如下：

3.1　STS型自動切換開關(guān)的主控切換通道：

（1） 自動切換供電通道：由輸入電源1、外置斷路器開關(guān)Ka、斷路器開關(guān)CB1、STS1和公用輸出開關(guān)CB3組成它的第1條供電通道。由輸入電源2、外置斷路器開關(guān)Kb、斷路器開關(guān)CB2、STS2和公用輸出開關(guān)CB3組成其第2條供電通道。其中的STS1和STS2”靜態(tài)開關(guān)”均是由反向并聯(lián)的”SCR可控硅”來構(gòu)成自動切換開關(guān)的”可控交流供電通道”。當(dāng)我們將輸入電源1和輸入電源2分別選定為LTM開關(guān)的“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”時，在來自邏輯控制板的SCR的柵極觸發(fā)信號的調(diào)控下，STS1和STS2將分別處于”導(dǎo)通”狀態(tài)和”關(guān)斷”狀態(tài)。在此條件下，輸入電源1就將通過Ka、CB1、STS1和CB3通道向后接負(fù)載供電。反之，如果將輸入電源2選定為它的“優(yōu)先供電電源”時、輸入電2就將通過Kb、CB2、STS2和CB3供電通道向后接負(fù)載供電。

（2） 維修旁路供電通道：它是由兩組帶二匙二鎖的”機電互鎖”功能的CB1、CB2、CB3、CB4和CB5等斷路器開關(guān)所組成的兩條維修旁路來組成的。設(shè)置維修旁路的目的是：（?。?確保LTM開關(guān)在連續(xù)地向后接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的條件下，能對它內(nèi)部的”STS功率切換”部件或”斷路器開關(guān)” 等部件執(zhí)行”脫機”式的更換操作; （ⅱ）防止因”誤操作”而致使兩路交流輸入電源同時被”誤接通”、并進而造成在它的輸出端出現(xiàn)”停電” 等不幸事故的發(fā)生（注：為進一步提高LTM開關(guān)的”容錯”功能，艾默生公司還能提供帶雙”公共輸出開關(guān)”CB3和CB3A的產(chǎn)品）。

（3） “熱插拔”更換操作：為確保在向后接負(fù)載不間斷地供電的條件下，能對“負(fù)載自動切換開關(guān)”執(zhí)行“帶電式”的“熱插拔”操作。所有STS功率切換模塊及斷路器開關(guān)都釆用“可熱插拔”的、模塊化的設(shè)計方案。在此條件下，操作人員就可根據(jù)從它的LCD顯示屏上所獲得的故障信息、釆用“帶電”式“熱插拔”操作的辦法、迅速和準(zhǔn)確地更換掉相關(guān)的“有故障”的部件，從而達到縮短平均維修時間（MTTR）的目的。

3.2 STS型負(fù)載自動切換開關(guān)的邏輯控制部件：

為確保UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)能獲得“信息網(wǎng)絡(luò)”級的高可靠性，在這種STS型負(fù)載自動切換開關(guān)的控制電路中釆用如下多重冗余設(shè)計方案來增強它的”容錯”功能（見圖3）：

i. 釆用全數(shù)字的DSP調(diào)控技術(shù)及CANBUS數(shù)字通信技術(shù)，大大地提高它的調(diào)控精度和響應(yīng)速度;

ii.為確保DSP芯片和可控硅驅(qū)動電路能穩(wěn)定和可靠地運行， 對負(fù)責(zé)向它供電的直流輔助電源釆用下述的多重冗余設(shè)計方案：（?。┯蓛陕肪哂衅骄鶡o故障工作時間高達230萬小時的“N+1”UPS冗余并機系統(tǒng)+EMC輸入濾波器所組成的電路向兩套具有“雙路交流輸入端”供電特性的直流輔助電源1和2提供冗余式的“凈化”電源。（ⅱ）從兩套冗余式的直流電源所輸出的兩路DC電源以“雙母線”的形式向3個邏輯控制板及可控硅驅(qū)動板提供它們所需的控制電源;

iii.為確保SCR型“可控硅功率模塊”能準(zhǔn)確無誤地運行，由3塊邏輯控制板來共同對它提供”2+1” 冗余式的”柵極觸發(fā)”調(diào)控信號;

iv.為確保LTM開關(guān)能準(zhǔn)確無誤地執(zhí)行切換操作，對于它內(nèi)部的“2+1” 冗余式的邏輯控制板來說，還對“負(fù)載自動切換開關(guān)”的兩路輸入電源和輸出電源的如下運行參數(shù)、執(zhí)行不間斷的高精度的監(jiān)控及數(shù)據(jù)釆樣操作：相序、頻率、相位差、快速“過壓及欠壓”（脈寬《4ms的瞬態(tài)浪涌/電壓下陷）、緩慢“過壓及欠壓”、峰值電流Ipk、KVA、KW、Pf、直流電源的冗余度、風(fēng)扇的冗余度等。

v.為提高LTM開關(guān)的可靠性，在它的所有的“弱電”邏輯控制部件同“強電”功率部件之間的機械設(shè)計上、都釆用“分開隔離安裝”的配置方案。對于這樣的LTM開關(guān)來說，只要有一路輸入電源工作正常，位于它內(nèi)部的所有“可維護的電氣部件“均可在向負(fù)載連續(xù)供電的條件下、執(zhí)行熱插拔式的“更換”操作。

在此基礎(chǔ)上，當(dāng)今的STS型“負(fù)載自動切換開關(guān)”的平均無故障工作時間（MTBF）已高達100萬小時以上。顯然，這樣的MTBF值是遠(yuǎn)高于當(dāng)今UPS工業(yè)所制造出的UPS單機的MTBF值（40-50萬小時）的。

圖三　帶多重冗余設(shè)計的STS邏輯控制裝置

4　負(fù)載自動切換開關(guān)能執(zhí)行安全切換操作的前提條件

4.1 兩路輸入的交流電源必須處于“相互同步入鎖”工作狀態(tài)

長期的運行實踐表明：為確保UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)能安全可靠地運行，負(fù)責(zé)向“負(fù)載自動切換開關(guān)”供電的兩路交流電源必須處于“相互入鎖”的工作狀態(tài)。這意味著：當(dāng)“負(fù)載自動切換開關(guān)”在執(zhí)行切換操作的瞬間，期望兩路交流電源之間的相位差盡可能地接近于零（見圖4a）。在這里，為討論方便計，將輸入電源1和電源2分別指定為“優(yōu)先供電電源”和“備用電源”、并且假定電源1和電源2是處于同頻率、同相位的理想運行狀態(tài)之下的，當(dāng)電源1因故出現(xiàn)停電或“過壓/欠壓”故障時，“負(fù)載自動切換開關(guān)”就會自動執(zhí)行如圖4a所示的“同相”切換操作，從而確保信息網(wǎng)絡(luò)的安全運行。反之，如果在要求它執(zhí)行切換操作的瞬間、不能確保電源1和電源2是處于“同相位”的工作狀態(tài)的話（注：此時，即使這兩路交流電源的頻率和電壓幅值都相等的），“此時的”負(fù)載自動切換開關(guān)就會因兩路輸入電源之間的相位差過大、而被置于“禁止切換”操作的工作狀態(tài)之下，從而造成在“負(fù)載自動切換開關(guān)”輸出端出現(xiàn)“停電”故障、并進而導(dǎo)致“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”故障發(fā)生。

在此條件下，如果因故致使”負(fù)載自動切換開關(guān)”執(zhí)行”誤切換操作”或不顧后果地強迫它執(zhí)行切換操作的話，就有可能因為在兩路交流電源之間作”異相切換操作”時所產(chǎn)生的”瞬態(tài)電壓值”相差過大（見圖4b）而導(dǎo)致出現(xiàn)如下更加嚴(yán)重的故障發(fā)生：

i. LTM開關(guān)的供電線路中的上游側(cè)的“斷路器開關(guān)”跳閘，造成對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的大面積的停電;

ii.分別來自兩套UPS電源的電源1和電源2因出現(xiàn)“輸出過流”故障而同時進入“自動關(guān)機”狀態(tài);

iii.因在“切換操作瞬間”所形成的“瞬態(tài)浪涌電壓過高”而損壞網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（例：燒毀網(wǎng)路中某些服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)等）或致使部份的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因執(zhí)行“重新開機啟動”的誤操作而進入“網(wǎng)絡(luò)癱瘓”狀態(tài)。

解決上述矛盾的技術(shù)措施之一是：在兩套UPS供電系統(tǒng)之間配置“負(fù)載同步控制器” LBS（ Load Bus Synchronizer）， 從而確保從兩套UPS供電系統(tǒng)所輸出的電源總是處于相互同步跟蹤的“入鎖狀態(tài)”之中。

4.2 執(zhí)行“先斷后開”的切換操作：從上面的分析可知：只有當(dāng)“優(yōu)先供電電源”因故出現(xiàn)停電/電壓或頻率“超限”故障時，才需要”負(fù)載自動切換開關(guān)“執(zhí)行切換操作。顯然，在此瞬間，“優(yōu)先供電電源”肯定是處于故障工作狀態(tài)之下的。為防止在兩路輸入電源之間、因出現(xiàn)過大的“交叉性”的和破壞性的“環(huán)流”而致使原來處于正常工作狀態(tài)的“備用電源”也被拖入到“自動關(guān)機”/“被損壞”的不幸事件的發(fā)生。在“負(fù)載自動切換開關(guān)”的設(shè)計中，釆用的是“先斷后開”的切換操作方式、其典型的切換操作時間為：4ms左右（它包括故障診斷時間和切換操作時間）。這就意味著：當(dāng)出現(xiàn)上述故障時，處于“優(yōu)先供電”通道上的STS-1開關(guān)應(yīng)該首先被“關(guān)斷”。然后，再將處于“備用供電”通道上的另一個STS-2開關(guān)后“接通”，從而達到消除位于“負(fù)載自動切換開關(guān)”的上游側(cè)的兩路交流電源之間出現(xiàn)交叉性的“環(huán)流”的可能性（注：“環(huán)流”是指在兩套交流電源之間流動的”破壞性電流”，它不是流進網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的有用負(fù)載電流）。

在此需特別說明的是，此時易產(chǎn)生如下誤解：既然LTM開關(guān)已釆用“先斷后通”的切換方式，似乎就沒有必要再要求送到“負(fù)載自動切換開關(guān)”上的兩路交流電源一定是處于“相互同步入鎖”狀態(tài)之下。然而，回答是原否定的。其原因是：為確保信息網(wǎng)絡(luò)的安全運行（注：網(wǎng)絡(luò)設(shè)備允許的瞬間供電中斷時間為20ms左右），“負(fù)載自動切換開關(guān)”的切換時間被限定在4-5ms左右。根據(jù)可控硅的工作原理，對于原來處于導(dǎo)通狀態(tài)的可控硅來說，一旦它被置于觸發(fā)導(dǎo)通狀態(tài)之后、即使把送到它的柵極上的“觸發(fā)脈沖”撤除掉后、它將繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)、直至到輸入電源的電壓下降到“過零點”為止。對于呈現(xiàn)電感性的供電線路而言，還要求流過可控硅中的“滯后電流”而言，還要求下降到可控硅的截止電流以下。因此，對于50Hz的供電電源來說，仍有處于“優(yōu)先供電通道”上和”備用電源供電通道”上的兩對SCR可控硅同時處于導(dǎo)通狀態(tài)的可能性（其重疊導(dǎo)通時間在0-5ms的范圍之間）。正是基于上述原因，確保UPS雙總線輸出系統(tǒng)的安全運行所需的條件仍然是：兩路交流電源應(yīng)該處于”相互入鎖”狀態(tài)之中。

5　大功率負(fù)載自動切換開關(guān)各種工作模式

5.1 正常工作模式和自動切換工作模式：

如圖5a所示，來自兩套UPS并機供電系統(tǒng)的電源1和電源2被分別送到4個“負(fù)載自動切換開關(guān)”LTM1、2、3、4的兩個輸入端上（為便于負(fù)載均衡供電及有利于增強”故障隔離”功能，在該“雙總線輸出”供電系統(tǒng)中、配置有4個的LTM開關(guān)。此時，用戶可在STS型“負(fù)載自動切換開關(guān)”的控制面板的LCD監(jiān)示屏上、釆用“人—機對話”的菜單操作的方法來確定將那套UPS并機系統(tǒng)的輸出電源作為它們的”優(yōu)先供電電源”。例如：在這里，我們將送到LTM1和2開關(guān)上的輸入電源1和電源2分別選定為它們的”優(yōu)先供電電源”和”備用供電電源”， 將送到LTM3和4開關(guān)的電源2和電源1分別選定為它們的”優(yōu)先供電電源”和”備用供電電源”。在此條件下，只要”優(yōu)先供電電源”的電壓和頻率在其所允許的工作范圍之內(nèi)時，電源1將分別通過LTM1和LTM2開關(guān)向后接負(fù)載提供I1和I2電流; 電源2分別通過LTM3和LTM4開關(guān)向后接負(fù)載提供I3和I4電流。在LTM開關(guān)的運行中，當(dāng)因故致使輸入電源1發(fā)生故障時（例：發(fā)生電源1“停電”或頻率/“電壓超限”故障時），LTM1和2開關(guān)就會自動地以“先斷后通”的工作方式、在3-5ms的時間內(nèi)，將用戶的負(fù)載同原來處于”備用供電電源”狀態(tài)的電源2相接通（見圖5b）， 從而確保信息網(wǎng)絡(luò)的安全運行（注：對于當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來說，它們所允許的瞬間供電中斷時間約為20ms左右。因此，上述的3-5ms的切換時間是絕對不會影響到信息網(wǎng)絡(luò)的正常運行的）。

圖五　負(fù)載自動切換開關(guān)（LTM）的控制原理圖

5.2 “手動/自動返回式切換”工作模式：

在“負(fù)載自動切換開關(guān)”因故執(zhí)行從“優(yōu)先供電電源”→“備用供電電源”切換操作之后，當(dāng)承擔(dān)“優(yōu)先供電電源”任務(wù)的輸入電源1恢復(fù)正常工作時（它的電壓、頻率及同“備用供電電源”之間的“相位差”均符合所規(guī)定的窗口要求），則必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹皶r間延遲”后、才允許LTM開關(guān)根據(jù)用戶所設(shè)置的不同的返回式切換工作模式來分別執(zhí)行手動或自動的返回式切換操作。此時，它可根據(jù)用戶的愿望被分別設(shè)置成自動復(fù)位（Reset）或手動復(fù)位（Reset）兩種工作模式。例如：如果LTM1和2開關(guān)被設(shè)置成自動復(fù)位（Reset）工作模式的話，當(dāng)“優(yōu)先供電電源”恢復(fù)正常工作狀態(tài)后，連接在LTM1和2開關(guān)的后面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將會自動地重新恢復(fù)到由電源1供電的正常工作狀態(tài)（見圖5a）。在這里，為返回式切換操作設(shè)置一定的時間延遲的目的是：防止因“優(yōu)先供電電源”在尚未進入穩(wěn)定工作狀態(tài)時、因倉促執(zhí)行切換操作而誘發(fā)“負(fù)載自動切換開關(guān)”頻繁地執(zhí)行“誤切換操作”的弊端。在實踐中，LTM開關(guān)的典型的切換“延時時間”為：3秒左右，其可調(diào)范圍為：1—60秒。反之，如果LTM開關(guān)被設(shè)置成手動復(fù)位（Reset）工作模式的話，當(dāng)“優(yōu)先供電電源”恢復(fù)正常工作狀態(tài)后，則要求用戶通過在LTM1和2開關(guān)的LCD屏上、發(fā)出執(zhí)行手動切換操作的指令，它才會執(zhí)行返回式切換操作。否則，這些“負(fù)載自動切換開關(guān)”的后接負(fù)載將被繼續(xù)鎖定在” 被禁止切換”的工作狀態(tài)之中（見圖5b），繼續(xù)由原定的“備用電源”供電。

5.3 “禁止切換”工作模式

當(dāng)出現(xiàn)在LTM開關(guān)的負(fù)載端的嚴(yán)重過流/短路故障在“未排除”前、為防止因它執(zhí)行“誤切換”操作而將上述故障的影響面擴散到另一套處于“備份供電”工作狀態(tài)的UPS并機供電系統(tǒng)的不幸事故發(fā)生。在LTM開關(guān)的運行中、當(dāng)在其輸出端因故出現(xiàn)嚴(yán)重的“輸出過載”/“輸出短路”故障時，負(fù)責(zé)向這路”出現(xiàn)短路故障”的負(fù)載供電任務(wù)的LTM開關(guān)將被置于”禁止”作仼何切換操作的鎖定狀態(tài)之中，以便將短路故障的影響面縮小到最小的范圍之內(nèi)。

如圖5c所示，在UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)的運行中，當(dāng)因故在LTM2開關(guān)的后接負(fù)載中、產(chǎn)生“輸出短路”/嚴(yán)重過載/“過高”峰值電流的“浪涌”等故障之一時，由上述故障所誘發(fā)出的故障現(xiàn)象是：輸入電源1因“輸出電流”急劇增大而致使其“輸出電壓值”下降到極低值。在此條件下，位于同一“優(yōu)先供電電源”供電通道上的其它的負(fù)載自動換開關(guān)是否允許執(zhí)行切換操作、將取決它的輸出電流是否發(fā)生過“異常增大”的現(xiàn)象。如圖5c所示， LTM1開關(guān)通過檢測自已的輸出電流大小發(fā)現(xiàn)、并鑒定出”短路”故障不是發(fā)生在它的輸出端上，這是因為它所檢測到的輸出電流I1很小的緣故。此時，處于輸出電流“無異常增大”工作狀態(tài)下的LTM1開關(guān)將通過執(zhí)行自動切換操作而從“備用電源”2源源不斷地獲得電源供應(yīng)。與此相反，LTM2開關(guān)由于檢測到其輸出電流I2出現(xiàn)急劇增大現(xiàn)象而判斷出：短路故障是發(fā)生在它的輸出電路中。此時，處于輸出電流“異常增大”工作狀態(tài)下的LTM2將被鎖定在”禁止切換”工作模式下。這樣一來，就能實現(xiàn)負(fù)載自動切換開關(guān)對“故障的隔離”調(diào)控功能， 從而將這種“短路故障”的影響面局限在LTM2開關(guān)的后接負(fù)載側(cè)的有限的范圍之內(nèi)。在此條件下，LTM2開關(guān)將根據(jù)故障電流I2的大小和di/dt增長速率的不同而分別執(zhí)行如下操作：

當(dāng)負(fù)載故障為短路/嚴(yán)重過載時，它會利用由電源1所提供的能量將位于LTM2開關(guān)后面的斷路器開關(guān)置于”脫扣跳閘”狀態(tài)或燒毀保險絲的辦法來排除故障（如圖5d所示，此時的I2=0）。顯然，一旦出現(xiàn)這種局面，在查出、并排除相應(yīng)的故障之后，再經(jīng)過適當(dāng)?shù)摹睍r間延時”之后、LTM2開關(guān)就能夠重新恢復(fù)到它的正常工作狀態(tài)。

當(dāng)負(fù)載側(cè)的故障為峰值很高的“浪涌電流”時，一旦瞬態(tài)浪涌消失后、并經(jīng)適當(dāng)?shù)难訒r后，LTM1開關(guān)就能通過自動地執(zhí)行返回式切換操作而恢復(fù)到正常工作狀態(tài)（見圖5a）。

5.4 “禁止自動返回”工作模式：

為防止因輸入電源供電質(zhì)量不高而造成的LTM開關(guān)頻繁地執(zhí)行切換操作，并進而導(dǎo)致?lián)p壞它的SCR型“靜態(tài)開關(guān)”的事故發(fā)生（注：在執(zhí)行切換操作的期間，無法保證雙路輸入電源的電壓、頻率和相位都是相同的）。在LTM開關(guān)的運行中，如果在5分鐘的時間內(nèi)、執(zhí)行切換操作的次數(shù)超過5次以上時，它就會進入“禁止自動返回”工作模式。

在此條件下，LTM開關(guān)將一直處在由“備用電源”向負(fù)載供電的狀態(tài)。除非同時滿足如下兩個條件：“優(yōu)先供電電源”能恢復(fù)到穩(wěn)定的正常工作狀態(tài); 操作人員執(zhí)行Reset操作。

5.5 “緊急切換”工作模式：

為確保對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的連續(xù)性、防止因人為“誤操作”或設(shè)備“誤動作”而導(dǎo)致在負(fù)載自動切換開關(guān)（LTM）的后接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置中、出現(xiàn)的供電中斷的故障隱患。當(dāng)LTM開關(guān)在其輸出端檢測到它的輸出電源”消失”時、它將會在《5ms的時間間隔內(nèi)，無條件地自動執(zhí)行切換操作，從而將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備于同另一路正常工作的”備用電源”相接通的工作狀態(tài)之下。執(zhí)行這種緊急切換操作的唯一限制條件是：不應(yīng)該在LTM開關(guān)的輸出端上、存在“短路”故障。

5.6 “維修旁路供電”工作模式：

眾所周知：在UPS雙總線輸出供電系統(tǒng)中、配置負(fù)載自動切換開關(guān)的主要目的是：確保向網(wǎng)絡(luò)設(shè)置提供100%高可利用率的UPS電源。為此，在這種LTM開關(guān)中配置有如圖2所示的由CB1、CB4、CB3和CB2、CB5、CB3所分別組成的釆用“兩匙兩鎖”結(jié)構(gòu)設(shè)計的、帶“機、電互鎖”保護功能的兩條維修旁路供電通道，以便在需要對LTM開關(guān)執(zhí)行維修操作時、能確保在對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不間斷地提供“優(yōu)先供電電源”供電的同時，防止”備用電源”被誤連接到同一網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的事故發(fā)生。例如：在輸入電源1被選定為LTM開關(guān)的“優(yōu)先供電電源”的條件下、當(dāng)因故需要對這個LTM開關(guān)中的“STS1靜態(tài)開關(guān)”式功率切換模塊進行檢修時， 則可通過如下的操作步驟、將LTM開關(guān)從正常的”自動切換”工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變成“維修旁路供電”狀態(tài)：

（1）　確認(rèn)“優(yōu)先供電電源”（電源1）處于正常供電狀態(tài);

（2）　從CB5斷路器開關(guān)的插孔中的取出“互鎖鑰匙”K3、并將該鑰匙K3插入CB4開關(guān)的鑰匙孔中;

（3）　關(guān)斷”備用電源”（電源2）的輸入開關(guān)CB2;

（4）　在CB2開關(guān)上、施轉(zhuǎn)并取出”互鎖鑰匙”K2;

（5）　在將“互鎖鑰匙”K2插入CB4開關(guān)的“鑰匙孔”中后，再施轉(zhuǎn)這個“互鎖鑰匙”K2、直至將它的“鑰匙桿”置于縮回到CB4開關(guān)的“鑰匙孔”中的狀態(tài)之下;

（6）　閉合CB4開關(guān)， 讓“優(yōu)先供電電源”直接地通過CB4開關(guān)向后接負(fù)載供電;

（7）　關(guān)斷電源1的輸入開關(guān)CB1;

（8）　從CB1開關(guān)的“鑰匙孔”中取出“互鎖鑰匙”K1、并將該鑰匙K1插入CB5開關(guān)的“鑰匙孔”中;

（9）　關(guān)斷CB3開關(guān)。至此，電源1將直接經(jīng)過CB4開關(guān)向后接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電;

（10） 將處于“斷電”工作狀態(tài)下的“STS1靜態(tài)開關(guān)”功率模塊取出、并執(zhí)行“脫機”維修操作。

5.7 “手動切換操作”工作模式：

只要輸入到LTM開關(guān)上的兩路電源的電壓、頻率、相位差在所允許的范圍內(nèi)，用戶都可按需在“優(yōu)先供電電源”和“備用供電電源”之間執(zhí)行“手動切換”操作。例如：當(dāng)需要緊急排除故障或要求在”不停電”的條件下執(zhí)行調(diào)機操作時，就需要執(zhí)行手動切換操作。此時，如果遇到這兩路輸入電源之間的相位差的窗口較大時，則需要在LCD顯示屏上、通過菜單操作將輸入到LTM開關(guān)的兩路電源之間的相位差范圍擴大到±30o。相反，在正常操作時，LTM開關(guān)所允許的相位差僅為《±15o。

當(dāng)我們在執(zhí)行“手動切換”操作時，根據(jù)兩路輸入電源是否能滿足“相互同步入鎖”條件的不同、而可能出現(xiàn)如下幾種截然不同的切換操作狀態(tài)：

5.7.1 “同步入鎖”切換操作：當(dāng)兩路輸入電源的電壓、頻率、相位差都在LTM開關(guān)所允許的切換窗口范圍之內(nèi)時，LTM開關(guān)執(zhí)行自動切換的操作的時間《1ms。

5.7.2 “異步差頻入鎖”切換操作：當(dāng)兩路輸入電源的電壓在LTM開關(guān)所允許的切換窗口范圍之內(nèi)、但頻率不相同的條件下運行時，此時兩個電源之間的相位差將會周期性地按照這兩路電源之間的差頻的節(jié)拍（注：它們之間相位差Δф從0o逐漸增大到180o、然后再從從180o逐漸下降到0o）而進入或離開LTM開關(guān)所允許的”入鎖切換”窗口的范圍之內(nèi)。這樣一來，LTM開關(guān)執(zhí)行自動切換操作的”時間延遲”的長短將會呈現(xiàn)出很大的隨機性。因為，此時的LTM開關(guān)需要花時間去等待Δф重新進入允許執(zhí)行”差頻入鎖”切換操作的窗口范圍。因此，在此條件下，有可能出LTM開關(guān)執(zhí)行”手動切換”操作所需的等待時間超過20ms的情況發(fā)生。在某些LTM開關(guān)的設(shè)計中，為防止LTM開關(guān)因執(zhí)行切換操作的”等待時間”過長而影響UPS供電系統(tǒng)的正常運行，往往會規(guī)定一個最長的等待時限（例如：3分鐘）。一旦，超過這個時限，LTM開關(guān)將進入”禁止切換”的鎖定工作狀態(tài)之下。

5.7.3 “同頻異相”禁止切換狀態(tài)：當(dāng)兩路輸入電源的電壓在LTM開關(guān)所允許的切換窗口范圍之內(nèi)、頻率相同，但相位差Δф超過LTM開關(guān)所允許的切換窗口范圍的條件下運行時，此時的LTM開關(guān)將會一直被鎖定在”禁止切換”的工作狀態(tài)之中。

從上所述可知：為LTM開關(guān)創(chuàng)造出能順利地執(zhí)行”自動切換操作”的優(yōu)良運行環(huán)境，在兩套UPS供電系統(tǒng)之間配置負(fù)載同步控制器（LBS）是其必備的條件之一（有關(guān)LBS的工作原理、“異步差頻入鎖”調(diào)控及 “同頻異相入鎖”調(diào)控的分析請見：”雙總線輸出供電系統(tǒng)用負(fù)載同步控制器”的另一篇文章）。

5.8 可控硅故障保護工作模式

在負(fù)載自動切換開關(guān)的控制電路中、配置有如下功能完善的可控硅（SCR）保護電路：一旦發(fā)生SCR的“開路”或“短路”故障時，它可以確保在不間斷地向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供電的條件下，自動檢測出“故障元件”、發(fā)出報警信號、并釆用相應(yīng)的“故障隔離”保護措施。

（1） 可控硅“短路故障”保護功能：LTM開關(guān)不停地監(jiān)測著它的各個SCR型靜態(tài)開關(guān)的實時運行狀態(tài)（見圖2）。當(dāng)發(fā)生“短路故障”的STS1開關(guān)出現(xiàn)在“優(yōu)先供電通道”上時，負(fù)載自動切換開關(guān)就會在發(fā)出報警信號的同時，將處于“備用電供電通道”上的輸入斷路器開關(guān)CB2置于“脫扣跳閘”狀態(tài)，從而達到防止兩路交流輸入電源可能被直接地”接通的事故”發(fā)生的目的。反之，當(dāng)發(fā)生“短路故障”的STS2開關(guān)出現(xiàn)在“備用電供電通道”上時，負(fù)載自動切換開關(guān)會在發(fā)出報警信號的同時，將處于“優(yōu)先供電通道”上的輸入斷路器開關(guān)CB1置于“脫扣跳閘”狀態(tài)。

（2） 可控硅“開路故障”保護功能：在LTM開關(guān)的運行中，如果遇到它的SCR型靜態(tài)開關(guān)發(fā)生開路故障時、在邏輯控制板的調(diào)控下，LTM開關(guān)會執(zhí)行如下操作：在發(fā)出故障報警信號的同時，通過自動執(zhí)行切換操作、將用戶的負(fù)載連接到另一路正常工作的輸入電源上。

（3） 可控硅開路/短路故障鎖定：當(dāng)LTM開關(guān)在運行中、出現(xiàn)上述故障之一時，所有的報警信號將被”鎖存”在存貯器內(nèi)。并且，只有在值班人員排除故障后，才有可能通過Reset復(fù)位操作來消除故障報警信號。