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谈信息中心供电系统的运维管理(下)

二、运维人员应具备的素质


       运维管理是需要人去做的,如何才能管理好一个数据中心,才能充分发挥数据中心的作用,使之能更好地为云计算提供强大的支持能力。运维人员应具备什么样的素质才能做到这一点呢?一般说需具备以下三个方面的条件。


       1、深厚的理论基础


       这部分知识来源于学习和不断地研究,比如看书和培训。有了这样的理论基础也就减少了对问题分析的盲目性。否则碰到问题就不知所措,无从下手。如图1所示是某数据中心


图1  某数据中心供配电结构原理图

 

供配电结构原理图。如图所示,两台120kVA UPS并联后送到两个配电柜,每个配电柜各有35个16A的微型断路器。一天夜里1# 配电柜突然有八个输出断路器跳闸。后来检查结果是一个IT电源输入短路,两个IT电源输入保险丝烧断。这就提出了如下的问题:


        (1) 为什么三个电源故障导致八个断路器跳闸?


        (2) 因为是一个电源短路为什么八个断路器跳闸?


        (3) 为什么跳闸都发生在1# 配电柜,而2# 配电柜没有任何反应?


         以上的几个问题如何解释?这里面包含了理论、经验和对电路与器件的了解。


       又如,某化工单位在定期为240kVA  UPS电池放电时,由于负载太小,只好将电池组取下来用假负载放电。放电后又将电池组接回原处,合闸后机器突然爆炸和起火。专家检查后发现电池的极性连接正确,但所有逆变器功率器件和整流器后面的所有电解电容器统统烧毁!于是专家还是就作出了是“机器质量问题”的结论。结果代理商赔了一台新机器。是机器本身的质量问题吗?为什么电池放电前机器一直运行正常,而放电后就起火爆炸呢?就算是质量问题也不会在同一时间所有这些器件都达到报废的程度!这又如何解释?如此等等,如果不站在理论的高度上去分析,单凭经验和直观视觉就一头雾水,就不能做出公允的判断。“机器质量问题”的结论肯定是错的,错在哪里?错就在不懂UPS的结构原理。


       又如,某机关数据中心购置了4台200kVA  UPS做2′(1 1)连接,如图2所示。机器安装后在考机期间,为了检测在市电转换时的输出不间断功能,就在转换开关ZB1由市电1向市电2切换瞬间分路断路器ZB2和ZB2跳闸,两路并联UPS1和UPS2各坏了1台,检查发现都是可控硅整流器烧毁和控制电路板受损。按道理说由市电1切到市电2是一个很


图2  2′(1 1)连接供电系统

 

普通的操作,即是UPS最普通的功能之一,为什么会出现如此情况?而且修好后不到一年又一次市电停电停电时,UPS转为电池供电模式,待市电恢复后UPS的输入电压就不能投入了,一直是逆变器供电。为什么?为了工作再不受影响,用户只好将其淘汰!为什么会这样?调查得知该机器是打着进口品牌的国产品,而且该生产者是一个国内不知名的小厂。在用户购置该UPS的时候,国内知名的几家UPS制造商也刚刚达到生产该容量的水平,且大都是仿制。不用说这一家也是仿制。问题是为什么的仿制就会出现如此多的问题呢?技术分析留待后面,这里只分析产品和知名厂家的不同,其不同就是仿制技术水平的差别(这可从UPS故障后两个月以后才修复看出技术水平不佳)、生产平台的差别(机内布线和控制电路板外观粗燥)、元器件等级的差别(更换故障部件不是一次成功)、检测手段的差别(出厂产品做市电切换是常规手段,这次故障说明产品出厂时连最常规的实验都没做)等。由于用户缺乏这方面的知识,没有向厂家提出采取相应的应对措施,才会很快又出现第二次故障。


        2、丰富的实践经验


       理论来自学习,但必须和实践经验相结合。一般说经验多数来自教训,所谓失败是成功之母就是这个道理。这里所说的经验是经过反复实践证明的,是经得住考验的。往往好多所谓经验并不是真正的经验而是经历。比如不少人认为零地电压干扰负载,并能举出一些实际例子加以证明。比如举例者说:一次,机器系统工作异常,经查找发现零地电压大于1V,于是就将电源的零线和地线短接,结果异常消除了。当问及是否又将零地短接线断开时,其回答是:“既然工作正常了还断开做什么?”首先这个经验是不完全,只做了一半。一个完整的经验应该是:零线和地线短接后异常消除,接着再将零地短接线断开,如果此时系统工作又出现异常,就说明是零地电压干扰系统;如果将零地短接线断开后系统仍正常工作,就不能说明零地电压干扰系统。这里的误区是当事者听信了传说‘零地电压干扰负载’的影响,在他的心目中已有这个印象,这次的经历正好迎合了这种心理,所以就错误地认为这就是经验。


       大都有这样的经历:比如原来的显像管老式电视机,看的时间长了就会出先这样的毛病:电视机正在收看节目时突然影像没有了,一般的做法是拍打几下电视机外壳,大都是影像出现了。有了这一次的经验,以后只要影像没有了就去拍打外壳。可说是有了多次‘经验’。难道就可以说这个电视机所以经常出现黑屏就是因为‘欠打’吗?很明显这是误解。总有一天将电视机拍打的彻底黑屏为止,或烧掉。


       3、很强的责任心


       这一点尤为重要,技术好并不代表责任心强。比如某金融数据中心一位技术很好的运维工程师,开始的确是严格按照机房守则每两小时抄一次UPS显示屏上的数据,几个月下来显示屏上的数据总也不变,他都背熟了。从此开始机房就再也不去了,按照记忆每两小时填一次表。突然一天半夜机房内市电故障停电,UPS转为电池模式继续为机房IT系统供电,这位工程师早晨上班后仍按习惯没有去机房巡视,就直接将记忆中的数据填入表中,几小时后由于电池的储能枯竭致使UPS输出停电,机房设备全部停止运行。可惜的是后备发电机控制屏的开机旋钮指在“手动”位置上,本来可以避免的故障就这样出现了,给单位造成了严重损失。


       再者,责任心强如果制度定得不合适也会导致故障。如在前面“深厚的理论基础”中提到的例子,这位工程师责任心是很强,做到了定时为电池放电保养,但由于制度定的不细使得只有一个人的情况下单独操作,结果由于误操作而导致故障。在对待高压(不论是直流还是交流)情况下应该是两人在场,一个人操作一个人‘监督’。


        4、业界普遍对供电系统认识的十大误区


       飞轮储能式和静止变换式UPS在上世纪六十年代就已出现,至今已有五十多年。产品在技术上已经很成熟。但由于仿制者、使用者和销售者不是第一线的原设计者,大都没有很好地领会原设计者的意图,再加之对电路理论的欠缺,虽对原设计电路做了某些修改,但仍属依葫芦画瓢。有些基本概念还是不清楚,结果也误导了使用者和销售者。尤其对用户的采购和运维带来了负面影响。先举例如下:


        (1)认为输入功率因数为0.999(接近于1)的UPS可以配同容量(即1:1)的发电机


       当代高频机型UPS的输入功率因数都在0.99以上,可以认为接近于1,于是就声言‘可以配同容量(即1:1)的发电机’。这种说法容易把用户带入歧途。因为再用六脉冲整流输入的工频机UPS时,其配套惦记的容量至少为UPS容量的三倍,在用高频机时无形中就节省了后备发电机的投资和占地面积。但事实并不是如此,首先要看发电机的负载功率因数,如果发电机的负载功率因数为1,上述UPS与发电机的配比是正确的。可惜的是当代后备发电机的负载功率因数多为0.8,这时发电机的容量就必须加倍(后面有说明);这是其一,其二是当UPS为单机或1 1冗余结构,甚至双总线供电结构时都有一个过载量的问题。比如大多数UPS都有过载到125% 10min、过载到150% 30S~1min的能力。在电机供电模式中这个超过UPS额定容量的部分仍应该由发电机提供,因此1:1的说法太笼统,要是具体情况而定,不能一概而论。但在实际中这种1:1的说法给用户带来不少损失。


       (2)认为UPS有两个功率因数 


       众所周知,一个电路、一个设备定型以后,其性质也就定了。功率因数是表征负载性质的一个参数。真正懂电路的人都清楚:一个电路、一个设备只有一个功率因数,那就是输入功率因数。就是这个功率因数决定了电路和设备的性质。任何电源和任何电路无一例外。电路有输入阻抗和输出阻抗,唯独没有输出功率因数。在学术上定义的任何一个参数都是可以操作的,即可以测量的。比如包括UPS在内的任何电源的输入功率因数由于是唯一的,所以是可以测量的。当今的高频机型UPS输入功率因数可以高达0.99以上,它在任何输入电源(市电、发电机和正弦电压发生器等)为正弦波电压的情况下都是0.99以上。但是有的人却把负载端的功率因数误称为输出功率因数,无形中就把这个功率因数归属于电源了。这样的叫法会给人们带来好多误解。把负载功率因数称为输出功率因数,这就出现了两个无法解释的问题:


       其一,这个所谓“输出功率因数”不是唯一的,因为带什么负载就是什么功率因数,比如带线性负载这个功率因数就是1,带老的IT设备这个功率因数就是0.7,实际上就说明这个功率因数是负载的输入功率因数。如果非要称之为UPS的输出功率因数的话,那就来测量一下,如前所述UPS带什么负载就是什么功率因数,实际上是负载的输入功率因数。就是不带负载时(空载)才是UPS的输出功率因数。设这个输出功率因数为FO ,根据功率因数的定义:  

          

      (1)

式中PO是有功功率,因是空载所以为零;SO是视在功率,因是空载所以也为零。式(1)的结果是个无理数,如果用功率因数表去测量,根本测不出来。


       其二,UPS的输出阻抗是容性的,既然是UPS的输出功率因数,那么这个功率因数也应该是容性的,即功率因数的符号应该是“ ”。同时这些人认为以前服务器也是容性的,这就出现了电源输出和负载输入同性质的情况,就不存在谁补偿谁的问题了。而实际上,电源的容性输出无功功率是补偿负载感性无功功率的。而且以前UPS就是按负载为感性而设计的。可惜有的制者能作出这样的电路设计而不知为什么这样做,这就是仿制者的误区所在。


        这里又有一个问题,负载功率因数既然不是UPS的输出功率因数,看来和UPS没有什么关系,但又为什么要出现在UPS的参数表里?这个负载功率因数所以出现在UPS的参数表里是因为没有这个参数UPS就没法制造。UPS既不是空气也不是水,即它不是通用的。这和电磁炉一样,电磁炉的负载只能是导电和导磁的锅具,而微波炉内绝对禁止导电和导磁的器具。UPS也有着它特有的供电对象,最早期它的供电对象是计算机,而计算机的输入电源都是整流滤波方式,是电感性的输入功率因数,其值在0.8左右,因是感性所以标为‘-0.8’。这就是为什么早期进入我国的所有UPS的负载功率因数都是-0.8。其含义就是:这台UPS是专为输入功率因数为-0.8的负载设计的。因为它的输出电容的容抗设计值正好抵消负载的感抗值。以往几乎所有电子负载都是感性的。这个负载功率因数值是万万不可缺少的,没有它用户就无法合理选择UPS的容量。有不少用户就因为不了解这一点,所以选购的容量差异很大。


      (3)当功率因数< 1时认为UPS输出能力还是永恒的 


        输出功率因数的叫法带来更大的负面效应就是造成制造商与用户的矛盾,制造商与检测机关的矛盾和制造者与认证机关的矛盾。当制造商设计的负载功率因数与实际负载的输入功率因数不匹配时,UPS必须降额使用。究竟降多少?这要视负载的性质(输入功率因数)而定。这种输出功率因数的叫法所以带来如此多的矛盾,就是因为双方都不清楚上面介绍的原因。图2示出了一般UPS的结构原理。从图中可以看出,当电源设计的负载功率因数与


图2  一般UPS原理结构图

 

实际负载的输入功率因数相等时就是全匹配。全匹配的含义就是逆变器的全部额定有功功率都送到了负载的电阻部分,而与逆变器输出并联的电容器C中的无功功率都送到了负载的电感部分,达到了全部补偿的目的。这时的电源就发挥了它的全部作用。即负载上得到了电源的全部功率S:

                               

           

                      (2)

式中P是逆变器输出的有功功率,Q是电容器C输出的无功功率。假如UPS设计的是负载功率因数为 0.8的100kVA容量的额定值,就表明该电源在输入功率因数为-0.8的100kVA容量的负载时就可以输出80kW的有功功率和60kvar无功功率。

那么当负载与电源不匹配时的情况呢?比如一般在做电源输出能力验收时,大都以电阻作假负载。但电阻是线性负载,输入功率因数为1,和电源不匹配了,按照要求就必须降额使用。降多少?这需要通过计算来确定。图3示出了UPS带线性负载的情况,所谓线性就是电阻性的负载,无功功率没有了,电容失去了补偿对象。如果仍以负载功率因数为-0.8容量为100kVA的UPS为例,这时由于电容器C没有了负载感性60kvar的补偿对象。它的容性60kvar也就成了逆变器的负载,如图3所示。该电容的容抗XC就是:

             (3)

即逆变器输出首先在0.81W上建立起220V的电压,此时容性电流的电流:

           

                    (4)

换言之,逆变器首先拿出272A的容性电流去给电容器C充入60kvar的无功功率Q。不言



图3   UPS带现行负载的情况

 

而喻这时输送给电阻负载部分R的有功功率PR就再也没有80kW了,还有多少呢?根据上边的公式计算:

         5


        就是这个53kW的值使好多认识不到的人产生了误会,从而也就出现了上面所说的矛盾。


       a. 制造商与用户的矛盾:当用户按照0.8的功率因数配置80kW电阻负载时,由于UPS给不出这么多的有功功率,用户就认为制造商偷工减料,制造商也由于不明白这个道理,无话可说。


      b. 制造商与检测机关的矛盾:当检测机构按照他们的理解也用0.8的功率因数配80kW电阻负载时,也是由于UPS给不出这么多的有功功率,检测机构也就认为制造商偷工减料,制造商也由于不明白这个道理,无话可说。


      c. 制造商与认证机关的矛盾:当认证单位也是按照他们的理解,仍用0.8的功率因数配置80kW电阻负载时,当然也由于UPS给不出这么多的有功功率认证不过关,拿不到认证书就无法销售。于是制造商就用加大逆变器功率的办法使其可以输出80kW。逆变器的功率加大到多大就可以输出80kW的有功功率呢?从式(5)的计算可以看出,逆变器的功率只要抵消掉电容器C上的60kvar后还可以给出80kW就可以了。所以此时的逆变器功率P0应该是:

 (6)

也就是说:

                               (7)

时,标称为100kVA 负载功率因数为0.8的UPS在带线性负载时就可以输出80kW的有功功率了。所以就有的宣称我的‘功率因数为0.8的100kVA就可以给出80kW的有功功率’!岂不知这又是一个误区。因为这时的输出能力是,在匹配负载下可以输出100kW和60kvar。按照功率因数的定义:

           

         8

       可以看出,此时的负载功率因数已不是0.8而是0.86!因此可以这样说:功率因数为0.8的100kVA容量的UPS,在带线性负载时绝对给不出80kW的有功功率;反之,能给出80kW有功功率的100kVA容量的UPS,其负载功率因数肯定不是0.8。因此,当实际负载的输入功率因数接近于1时,应选负载功率因数为0.9以上的电源为好。这时的输出有功功率仍以100kVA为例,设UPS的负载功率因数为0.9,而负载为输入功率因数1的电阻,此时UPS的输出无功功率的能力Q为:

          (9

       此时输出有功功率的能力P为:

                  (10

       但若负载功率因数是0.7的UPS,一般10kVA以下者居多。设为10kVA。此时UPS的输出无功功率的能力Q为:

                    (11

此时输出有功功率的能力P为:

                  (12)

这是个虚数,即连1W也给不出来。上面的计算都是按额定值考虑的,而实际设备中还要考虑过载能力,因此要比额定容量大一些,因此可以给出多一点的有功功率。但方向确实如此。


        这种情况不只适用于UPS,也适用于包括发电机在内的任何电压源。


      (4)认为UPS的输出变压器能抗干扰,有滤波作用 


        持这种观点者不在少数,但主要还是来自制造商的误解,进而是系统设计者的误解。就

             

(a) 以往没有变压器的列头柜   (b)当代接入了变压器的列头柜

 

      图4  以往有变压器的列头柜和当代接入了变压器的列头柜

 

是这种误解给用户带来了很多麻烦。其麻烦就在于几十年没有变压器的列头柜竟突然加进了变压器,如图4所示。图5示出了两种列头柜的电路原理图。在图5的‘现在的列头柜’中

图5  两种列头柜的电路原理图

 

不但加进了变压器,相当然地就多加了一个输入断路器,一般在这种情况下又都加了一级防雷器。这些环节不但没有好处,反而加重了用户的负担:

        A. 增加了无谓的设备投资,造成了浪费;

        B. 增加了3个故障点(防雷器、断路器和变压器),降低了可靠性;

        C. 加重了机柜的重量,为楼层的承重带来了麻烦。如果没有这个变压 器,列头柜的重量也就是三百公斤左右,一般700kg的地板承重就可以了。加了变压器后不少机柜增加到大约1000kg。700kg承重的地板必须增加到相应的值,如果一个信息中心有几十个列头柜,就是几十吨。就需要加散力架,即需要外加钢梁,这是一个不轻松的工程。增加了投资和延长了工程周期;

       D. 更有甚者有的要求在UPS的输出端又增加了一级防雷,又使供电系统多了一个故障点。


       这种变压器在正常工作时是线性工作状态,线性的特点是要求变压器输入输出不失真。因此变压器并不抗干扰。并且防雷器也是无的放失。


       目前不少大的数据中心列头柜都放了变压器;也有的数据中心只有一部分列头柜放进了变压器,而另一本分却没有放变压器;更有的大数据中心几十个列头柜中既没有变压器也没有加防雷器,他们的负载都是国际上的这几家大公司的产品,都已正常工作了几年了。由此可以说明这个变压器根本没必要加入。


      (5.)认为UPS的输出电压在正常情况下是稳频的 


       这里所说的UPS正常情况是指市电工作模式,即市电正常输入时的情况。在这种情况下UPS输出电压的频率和相位不但要和市电频率同步而且还要锁相,目的就是为了零切换。但有的UPS供应商却说UPS的输出电压是稳频的,并举出例子说,当出入电压频率变化±3Hz时其输出仍然稳定在50Hz。这种观点得到了不少用户的认可。是不是这样呢?根据计算当输入频率变化3Hz而输出仍稳定在50Hz的情况下,每经过大约八个周期输入输出相位就相差180°,即输入电压正半波的峰值 311V正好对应着输出电压的负半波峰值-311V。如果此时需要切换,应该是一个什么局面!


      “稳频”者却忘了在UPS技术指标中有一项‘跟踪速率:1Hz/s’的含义。他不知道跟踪什么,所以才出现了这种误区。这才导致用户向UPS厂家索要输出稳频的产品。


     (6) 认为UPS输出的无功功率无用 


       这又是一个误区。有功功率和无功功率历来是互相依存的矛盾的两方面,我们一般都把可以做实事的功率称为有功功率,比如可以使电机旋转、灯泡发亮的电功率叫有功功率,有功功率只要表现出来就一去不复返,全部变成了热量散发到空气中;把储存在储能装置中功率(以势能的形式储存)称为无功功率,比如电池中的化学能、电容器中的电场、电感中的磁场,在接入负载前他们只是静静地待在容器里什么活计都不干。不只是电有这种情况,在日常生活中也是这样,无处不在。比如家庭做饭的煤气,当不打开气阀做饭时,煤气就乖乖地待在罐里什么活也干不了,这时就是无功;做饭时它就以火焰的方式做功了。又比如吃饭用的筷子,真正夹菜(做功)只有头上一小段,而后面的一大段和菜没关系,也就是不做功…


       从上面的例子可以看出有功和无功是共存的,没有无功也就没有有功。电网也是这样,当电网不接入用电设备时,它是不做功的,但没有电网则用电设备就没有电用。这就是有功功率和无功功率的关系。这一切都说明无功功率虽然没做功但它有用,没有无功功率的支持也就没有有功功率。


       包括UPS在内的电源为了适应那个时代的负载特性,就有意识地产生一些无功功率。比如早期进口的UPS,它的负载功率因数都是‘-0.8’,这就是那是的时代特点。即100kVA可以输出80kW的有功功率和60kvar的无功功率。这个功率因数带现在在不少UPS中还在使用。这种情况可以用图6的UPS与负载连接原理图来说明。以往的电子负载几乎都是电


图6  一般的UPS与负载的连接原理图

 

感性的多。原因是电子设备内电源输入电路都是整流滤波电路结构,这在笔者有关书籍的章节中都有介绍,这种电路呈电感性,如图6所示的L分量。这个分量的存在就产生了无功

 

图7  整流滤波形成的无功功率过程

 

功率,如图7所示。无功功率是如何产生的呢?图7(c)所示是图7(b)电路的整流波形,整流后的波形必须经过电容器C滤波成直流才可以是电路正常工作。但滤波却改变了蒸馏电流的波形:从正弦的电流输入波形变成了脉冲波形。比如输入为220V,一般整流电压为300V,而有效值为220V的峰值电压才311V,就是说整流电压在300V以下时是没有输入电流的 经过计算看出,能够有输入电流的空间只占半波宽度的1/5。这样一来,在这么小的宽度上输入的电流总能量要和半波全额输入时的相等,可见此时的电流要非常大。比如在半波中的直流电流为10A′10mS=100AmS,换成这时的电流脉冲就是:

                     

                      (13)

这在正弦电压峰值处50A电流与传输线电阻形成的压降就是该电压峰值波形出现了凹陷,这就是波形失真,经傅里叶函数分析就得出了多个高次谐波。由高次波产生的功率就是无功功率。电子负载的无功功率就是这样形成的。无功功率的出现大大降低了对电源输出的利用率,比如UPS逆变器就必须承担负载的有功功率和无功功率。要知道逆变器实际上就是一个电流通道,无论是有功电流还是无功电流都会同样从逆变器功率管中给出,逆变器在这一点上对二者是同等对待的。这样一来不但需要逆变器功率管加大,而且由于无功电流经过功率管时也会产生功耗,从而导致温度上升,缩短了功率管的服务寿命。因此设计者在逆变器输出端并联了一只电容器,用它的容性无功功率去抵消负载的感性无功功率。这样一来,逆变器只需按照负载的有功功率选择功率管就可以了。这就是无功功率的作用。


      (7)认为以往的计算机是容性负载 


这种误解来源于对电路基本知识的匮乏。持此观点的人认为既然电容是容性负载,那么计算机电源的输入整流器后面有一个大容量的电容器,当然也是电容性负载。如图8所示就

 

图8  整流滤波负载的结构性质

 

是计算机电源原理方框图。如图7所述,这种电源由于滤波电容器的存在,使得输入电压(也是UPS的输出电压)出现了失真现象。换言之,整流滤波电路是使输入电压正弦波产生是真的罪魁祸首。而只有感性负载才会使输入波形产生失真。因为容性负载是不会破坏输入波形的。


     (8)认为UPS是带容性负载的,带感性负载是它的特点  


       这种误解来源于认为计算机是容性负载。而UPS又是与计算机配套的,于是就认为UPS一般不能带电感性负载。而且在好多UPS制造商的产品说明书中也都有一条:该UPS的特点是也可以带电感性负载。再加之生产厂家的和销售商的上门培训,使这种概念进一步扎根在基层。既然厂家都这么说,用户当然也就人云也云了,进而又使一些不了解UPS电路结构的人受到了传染,甚至使一些专家也动脑子地跟着宣传。


       实际上,UPS一般都是为感性负载设计的。在上世纪早期的UPS几乎都是进口的,其中的功率因数均为-0.8。就是说如果不是故意做出的设备,市场上几乎所有的设备都是感性的。UPS制造商不可能为市场找不到的设备生产电源产品。既然如此,说明UPS设计者是有意识地为电感负载设计的产品。那为什么又说一般可以带感性负载呢?原因是在早期进口UPS产品时,其代理商一般是不懂技术的,即使有的工程师来担任技术工作,但也没好好地去研究各种指标的含义,就根据自己的理解去写中文说明书。各家有各家的理解,结果各种误解就都出来了,甚至几十年下来,时至今日才会有这么多的认识误区。


      在这种概念的误导下,好多厂家就不敢用UPS去带空调和电梯之类的电感性很典型的负载了。即使去带这些设备,也由于认为起动电流是7~10倍额定值,也会把UPS的容量加大到数倍负载的功率。用户也因为使用率太低敬而远之。笔者也曾带了空调和电梯,容量也没有人们所担忧的那么严重。因为任何UPS都有过载到125%10min和150% 30S~1min的过载能力。而这些空调或电梯7~10倍的起动电流一般不会超过10mS。图9表示的是100kVA



图9  100kVA变压器励磁过程

 

变压器励磁过程,整个励磁过程也就是100mS,而第一个脉冲峰值最高,也不足10mS。当然,电梯和空调机不是变压器而是伺服电机和压缩机,但励磁过程是一样的,只是励磁后的起动电流要大一些,持续期长一些。但比起第一个励磁电流脉冲要小得多,已是逆变器可以承受的了。从UPS的过载能力上看,即使是过载50%30S,那么根据简单地估算,过载500%就是3S,过载1000%就是1.5S…这1.5S就是1500mS,对于100mS而言是何等富裕。由此推论,UPS带这样的负载应该没问题。另一方面对一般UPS逆变器而言在10mS内给出这么大的电流是不可能的,是来不及调整的。这个脉冲只有靠逆变器后面的并联电容器来提供,第一个超大电流脉冲过去后,逆变器就可以来得及调整了。笔者就是根据这个原理用UPS带了电梯和空调机。UPS的容量为1.5~2.0倍负载额定值也就够了。在某省公安厅就首先带了电梯,在某海关就也首先带了空调机。


      (9) 认为容性负载是非线性的

 

        这个误区来自不了解什么是线性负载和什么是非线性负载。图10示出了线性负载的特点。其特点一是:线性负载上的电流电压成正比,这个比值就是电阻R;式(14)表示出了



(a)线性负载上电流和电压的关系   (b)线性负载上输入和输出波形的关系

 

图10  线性负载的特点


              14

这种情况;其二,线性负载上的输入输出波形不失真,如图10(b)所示的线性负载上输入和输出波形的关系。


图11示出了电容性负载及其电容上电流与电压的关系。从图11(b)可以看出,电容的容抗也是一条直线。因为电容的容抗XC也是一个固定不变的值,如式(15)所示。


 (a)容性负载             (b)电容的容抗与电流电压的关系

 

图11  电容性负载及其电容上的电流电压关系

                     (15)

式中:p =3.1416 ,f是电源频率(50Hz),C是所选的电容量,计量单位是法拉(F)。由于这些参数都是固定不变的值,所以容抗也是一个不变的值,完全符合线性负载的特征。既然纯电容是线性负载,那么电容和电阻组合成的容性负载也是线性负载。但并不排除它仍然是惯性负载。


     (10)认为UPS输出端的零地电压干扰负载 


       这个误区大多数来源于传说;其主要还是电路知识匮乏,不知道零地电压是什么。加之有的IT设备公司提出了1V零地电压的限制,并且装机后向用户提出:如果零地电压大于1V就不给开机。这样一来,用户就对零地电压产生了恐惧感。再加上有的用户偶然遇上一次系统工作不正常,一测量零地电压大于1V,就认为是‘证实’了这个说法。很有意思的一个故事,大约是2013年某科研机构组织去欧洲考察数据中心,在考察中有一段对话很有意思:一位研究员问欧洲一数据中心人员:“你们对零地电压是如何考虑的?”对方诧异地回答:“零地电压!什么意思?你们还有这个问题?”。就好像该研究员提了一个外行问题。该回答说明欧洲的数据中心根本就没考虑零地电压问题。难道说不考虑零地电压就没有零地电压‘超限’的问题吗?难道欧洲数据中心的设备就没有IBM、康柏、DELL、SUN等等这些公司的设备吗?为什么在我国零地电压就会‘干扰’这些设备而在欧洲就不‘干扰’呢?到底是不是干扰呢?某电信运营商电磁防护支持中心与著名电信设备制造商用了三个月的


时间对湖南和江西两省的122个局站就零地电压问题作了专门的实验。实验结果如表1~表3所示。因为在电信系统的IT类在网设备零地电压存在的范围较宽,涉及到的服务器厂家和型号也较多,如表2所列,传言零地电压干扰负载,在电信系统中如果不把这个问题搞清楚,将会造成一连串的损失。于是就专门针对这个问题做了实验。在历时三月的实验的122个局站中大多数服务器工作都正常,只有一个局的一台HP服务器出现了重启故障,而故障时的零地电压为21V。为了查明原因又重新将零地电压加到21V,这台服务器工作仍正常,说明那一次故障不是零地电压所谓,而是一次随机原因。


       从上面的测试结果来看,又进一步证明了零地电压不干扰负载的事实。因此中国电信对零地电压问题的限制就不那么严格了。


三、典型故障的理论分析


1、配电柜断路器越级跳闸


图12   配电柜原理方框图

 

2、UPS保养中的起火与爆炸


(a) 一般高频机UPS主电路原理图



(b) 一般高频机UPS主电路结构原理图

 

图13  一般高频机UPS主电路

 

3、一个电源故障导致的多个断路器跳闸




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