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一個兆瓦級數據中心UPS系統故障的啟示

來源:機房360 作者:王其英 更新時間:2009-10-13 16:35:23

摘要:本文通過一個供電系統故障的例子說明機器質量、價格與可靠性的關系,由此對一些用戶的糊涂概念進行了剖析,并指出走出誤區的途徑。

    本文通過一個供電系統故障的例子說明機器質量、價格與可靠性的關系,由此對一些用戶的糊涂概念進行了剖析,并指出走出誤區的途徑。

  一、概念的誤區

  人們總是在有些事情上明白,在另一些事情上又犯糊涂。比如穿衣服,誰都知道毛料衣服比化纖質量好,有機食品比一般食品好,真絲領帶比尼龍領帶好…但在另一些事情上就糊涂起來,現舉一個例子。

  有的認為工頻機UPS就是可靠,而且不管什么牌子都一樣,既然一樣那就是越便宜越好。這在電源的購買問題上表現得淋漓盡致,結果買了便宜貨后起火的、冒煙的不在少數。這里邊就有個質量問題,比如同樣是工頻機結構200kVA的UPS,有的重量是1600kg,而有的還不到1000kg,相差的這近600kg是由內容的:為了提高可靠性,加了很多冗余環節,所以在應用中前乎不出故障,而后者就沒有這些冗余環節;又比如模塊化UPS,有的平均重量在2kg/kVA以上,而有的就還不到1kg/kVA,同樣是10kVA的容量,但帶載的能力就不一樣了。在競爭激烈的今天誰不想用降低成本來提高競爭能力!但要有個度,若離得太遠就令人深思了。

    二、一起故障的啟示

  某數據中心由于容量較大采用了4臺大容量工頻機UPS構成3+1供電系統,如圖1所示。


圖1 4+1供電系統

    1.故障狀況
  在3+1冗余并聯系統中UPS2逆變器功率管爆炸,并由此而導致輸出開關斷路器1,2,3跳閘;旁路1,旁路2和旁路3啟動,如圖2所示。這樣一來就導致負載全面斷電。


圖2 UPS2逆變器故障導致幾路開關動作,負載斷電

    2.故障狀態分析
  為什么UPS2的逆變器爆炸會引起整個機房斷電呢?一般來說,凡是功率管爆炸都是由過高的溫度引起,過高的溫度來自過大的功率損耗,過大的功率損耗來自過大的電流。其典型的過流莫過于短路,逆變器功率管爆炸一定是發生了短路。如圖3(a)所示,假如由于VT2的質量問題而擊穿,即使是由于耐壓不夠而導致的電壓擊穿,對功率管而言由于其結構的原因也會造成PN結首先燒熔短路,這就形成了電流的直接通路,如圖中短粗黑線所示,這樣一來變壓器B2初級的上端就直接連到了直流電源的正極,原來當VT2和VT3截止時,整個直流電壓由這兩支管子分擔,各分擔二分之一。但現在由于VT2的穿通,整個直流電壓就全部加到了VT3上,此高壓一舉將該管擊穿。這樣一來,輸出變壓器B2的初級就將直流電壓短接,形成短路負載。或者即使VT3當時不能擊穿,在VT4導通時也會擊穿,即使一次不會擊穿,連續幾次也給擊穿了,總之變壓器初級的短路就肯定形成了。

    UPS有一個特點,在逆變器故障時也會打開旁路,此時從旁路來的市電再不給負載供電,而直接流向短路變壓器繞組。另一方面,UPS1和UPS3(甚至UPS4)的逆變器由于發現了比負載更容易通過電流的短路環節,其電流也流向UPS2的短路變壓器繞組,從而形成強大過流,因此在控制電路的控制下關閉逆變器而打開相應的旁路,使旁路電流經相應的輸出斷路器流向UPS2的短路變壓器繞組,如此強大的過流使輸出斷路器跳閘,以保護設備,否則就會起火,這是電路設計的保護措施。這就是為什么UPS2的逆變器爆炸會導致輸出開關斷路器1,2,3跳閘;旁路1,旁路2和旁路3啟動的原因。那為什么斷路器4和旁路4正常呢?照理論上說斷路器4和旁路4也應該動作,但在這里其他3路旁路電流已將短路繞組上的電壓抬的足夠高,而且在UPS4還沒來得及動作前,短路UPS2的斷路器已跳閘,保護了整個冗余系統,否則其它幾臺UPS的旁路都得燒毀。實際上旁路4也應該已經打開了,原因是并聯UPS系統必須同時轉旁路,這是并聯系統的特點,如果這些UPS不是這樣,那就在產品設計上有問題了。

圖3 正常UPS和故障UPS2之間的電流關系

    那為什么以前幾乎沒有發現此故障呢?這就牽涉到器件的質量問題。如果是很好的、價格不菲的機器,其功率管選擇的等級會高一些,即使有一個管子比如VT2擊穿,直流電壓全部加到了VT3上,但由于管子的耐壓等級高,就不會連續擊穿,最多退出并聯系統。決不會發生連續故障事件。尤其對一個很重要的系統來說,往往在購買價格上斤斤計較,省了芝麻丟了西瓜。一般說產品貴有貴的道理,便宜有便宜的原因,不是都一樣,也不能憑運氣做事情。

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