数据中心基础设施必备知识：数据中心ATSE系统

本期内容 一、什么是ATSE

二、ATSE结构分析及工作原理

三、ATSE的分类

四、ATSE的切换

五、数据中心ATSE常见组网形式

六、ATSE应用

一什么是ATSE

ATSE是Automatic Transfer Switching Equipment(自动转换开关电器)的缩写，习惯上称为ATS，由一个(或几个)转换开关电器和其他必需的电器组成，用于监测电源电路(失电压、过电压、欠电压、断相、频率偏差等)，并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另外一个电源的电器。

ATS作为一个独立的低压开关种类，被广泛用于两路电源间的自动切换，以确保重要负载电源的连续供应。主要适用于低压供电系统，即额定电压交流不超过1000V，直流电压不超过1500V。数据中心中ATS主要应用于紧急供电系统，一般单独或组网完成市电之间或市电与柴油发电机之间的电源切换。作为数据中心配电系统中重要的配电设备，自动转换开关的可靠性将直接影响到供电系统的冗余架构是否能够发挥作用，关系到整个配电系统的可靠性。

二 ATSE结构分析及工作原理

ATSE一般由开关本体、驱动/保持机构、控制器三部分组成。

1、开关本体：指主触头的结构、材料、动静触头连接方式、触头压力、同步性、超程、动触头开启速度、灭弧方式等。

2、驱动/保持机构：使触头完成闭合、开启的传动机构。它有3种方式：电磁直接启动/保持(如接触器)、励磁+连杆传动驱动/机械保持、减速电动机+传动机构驱动/机械保持。

3、控制器：从仅有单相缺相相控制功能到具有超过ATSE预设定的参数要求的参数检测、现场设定、显示、带同通信接口等功能，差别很大。

一个高可靠性的ATSE，必须是以上3个部分都同时达到相应水平，任何一个部分的缺陷就是整个ATSE的缺陷。

ATSE操作程序由两个自动切换过程组成，如果常用电源被检测到出现偏差，就自动将负载从常用电源切换至备用电源;如果常用电源恢复正常，则自动将负载转换到常用电源。转换时可有预定的延时或无延时，并可处于一个断开位置。在存在常用电源和备用电源的情况下，ATSE应制定一个常用常用电源位置。

按照ATSE的定义，电源自投、复归(自动复归或自动延时复归)切换过程是全自动的。

三 ATSE的分类

根据GB/T14048.11-2016，ATSE可分为PC级或CB级两个级别。

◎PC级：能够接通、承载，但不用于分断短路电流的ATSE。

◎CB级：配备过电流脱扣器的ATSE，其主触头能够接通并用于分断短路电流。

这两个级别的主要区别就是有无短路电流分段能力。详细点说就是CB型ATSE由两台断路器加机械联锁机构组成，具有短路保护功能;PC型ATSE为一体式结构(三位式：常用、0位、备用1)，是双电源切换的专用开关，具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快(0.2s)、安全、可靠等优点，能够接通、承载但不能用于分断短路电流，需要配备短路保护电器。

CB级ATSE配备过电流脱扣器，其主触头能够接通/分断短路电流。它是由两台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能;控制器用来检测(两路)被监测电源的工作状况。当被监测的电源发生故障(任意一相断相、欠电压、失电压或频率出现偏差)时，控制器发出动作指令，开关本体带着负载从一个电源自动转换至另一个电源。

四 ATSE的切换

按照最新IEC标准60947-6-1:2013，根据操作方式和恢复供电后开关复归方式的不同，可分为手动操作转换开关(Manually Operated Transfer Switching Equipment, MTSE)和远程操作转换开关电器(Remote Operated Transfer Switching Equipment,RTSE)两类，统称为转换开关电器(Transfer Switching Equipment, TSE)。无论是PC级还是CB级,都必须有可靠的电气与机械联锁，保证常用电源和备用电源不会同时接通，而且相与相之间要有效隔离，避免相间短路。

1、二段式与三段式选择

根据主触头数量，PC级ATS可以分为二段式和三段式。

二段式ATSE开关主触头仅有两个工作位，即“常用电源位”与“备用电源位”，负载不会出现长期断电情况，供电可靠性高，转换动作时间快。

三段式ATSE开关主触头有3个工作位，多了一个“零位”，即主触头处于空档，负载断电时间相对较长，是二段式断电时间的2—3倍。

三段式的“零位”主要用于ATSE带高感抗或大电机负载转换时，为避免冲击电流做“暂态停留”之用，而非用于负载维修时隔离之用。维修时的隔离一定要选择隔离开关。

市电与发电机转换用ATSE，常见三段式ATSE。考虑到柴油发电机在接收到启动型号后，到能够输出平稳的电能这个过程需要一个时间，而具体到某个机房是该用二段式还是三段式，还应根据自身的情况来考虑。

2、ATSE动作时间选择

衡量一台ATSE转换速度有5种动作时间。ATSE应向用户至少提供一种动作时间，以便用户依据使用要求进行选择。

1)触头转换时间：测定从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。

2)转换动作时间：测定从主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间(含机构动作时间)，不包括特意引入(控制器)延时。

3)总动作时间：转换动作时间与特意引入(控制器)的延时之和。

4)返回转换时间：从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间。

5)断电时间：测定从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。

一般用户应注重“总动作时间”或“转换动作时间”，以满足不同配电系统使用要求。

二位式PC级ATSE总动作时间一般在50—250ms。

三位式PC级ATSE总动作时间一般在350—600ms。

CB级ATSE总动作时间一般在2000—3000ms。

3、三极与四极的选择

ATS按切换开关极数主要分三极和四极，所谓三极还是四极，指的是转换开关是不是转换零线，其中四极中还分零线非重叠切换功能和带零线重叠切换功能。

在数据中心，给IT设备供电的路径基本为：ATSE+ UPS+IT设备。零线非重叠切换功能的ATSE，在主用电源异常、启动备用电源、ATSE执行切换操作的过程中，ATSE后端设备相线及零线与前面两路输入电源系统有一个断开过程，即ATSE输出部分与输入部分完全断开。在这个时间内UPS通过蓄电池放电给负载供电，保证IT负载不断电运行。由于UPS输出端零线一般是直接接输入端，来源于电网零线，而电网零线已经断开，那么UPS输出零线处于“悬浮”状态，零线电位产生漂移，因此零电位悬浮会直接反应到后端的IT设备上，极有可能造成IT设备工作异常或者断电。

在数据中心一般选择PC级三段式带零线重叠切换的四极ATSE开关。这是因为开关中的零线切换，是与相线切换不同的。相线切换采用的是先断后通策略，零线切换采用的是先通后断的策略。避免出现零地电位瞬时漂移。

五 数据中心ATSE常见组网形式

数据中心ATSE的应用主要集中在不同市电之间、柴油发电机之间的切换。下面列出在工程实践中最为常见的4种情况。

1、单一市电与单一备用发电机切换方案

2、一路市电与两台备用发电机切换方案

3、两路市电与单一备用发电机切换方案

4、两路市电与多台备用发电机切换方案

六 ATSE的应用

1、ATSE对于数据中心的应用场景，我们一般是在UPS前端或制冷系统供电前端外市电切换或者柴油机切换。对切换时间的容忍程度比较高，从几十毫秒的量级到几秒的量级也是可以承受的。

2、在数据中心，基本上都采用TN-S三相五线制接地系统，即三根相线L，零线N，保护地线PE。三极式ATSE只切换相线，四极式ATSE同时切断相线和零线。如果两路输入电源来自同一接地系统(两套系统中性线有共同接地点)，那么ATSE可以选用三极式;如果两套输入电源来自两套不同的接地系统(两套系统的中性线接地点不同),应采用四极ATSE。

3、ATSE作为重要的转换开关设备，对可靠性要求极高，一旦ATSE故障，可能产生较大范围影响。为解决ATSE单点故障，首选在供电方案上可以采用系统冗余方案，保证出现任何一个故障系统依然可以安全运行。其次在ATSE部分提高产品可靠性，在大型数据中心的电源切换部分，推荐采用带旁路隔离开关型ATSE，在ATSE故障情况下，临时利用隔离旁路给负载供电，而故障ATSE本体可以维修，系统不会断电。

目前，国内市场上PC级ATSE存在两种常用类别：AC-31和AC-33。AC-31的接通能力为1.5Ie,一般为配电电器常用的使用类别;而AC-33的接通能力为10Ie，一般为控制电器常用的使用类别。

因此，在数据中心的应用中，考虑到UPS输入端呈感性负载特性，尤其是工频UPS设备，其前端的ATS还是选择AC-33A更为可靠一些，而对于空调供电系统切换的ATS设备，就更应该选用AC-33A了。

审核编辑：汤梓红