4　負載自動切換開關能執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

長期的運行實踐表明：為確保UPS雙總線輸出供電系統能安全可靠地運行，負責向“負載自動切換開關”供電的兩路交流電源必須處于“相互入鎖”的工作狀態。這意味著：當“負載自動切換開關”在執行切換操作的瞬間，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之下的，當電源1因故出現停電或“過壓/欠壓”故障時，“負載自動切換開關”就會自動執行如圖4a所示的“同相”切換操作，從而確保信息網絡的安全運行。反之，如果在要求它執行切換操作的瞬間、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”負載自動切換開關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”操作的工作狀態之下，從而造成在“負載自動切換開關”輸出端出現“停電”故障、并進而導致“網絡癱瘓”故障發生。

在此條件下，如果因故致使”負載自動切換開關”執行”誤切換操作”或不顧后果地強迫它執行切換操作的話，就有可能因為在兩路交流電源之間作”異相切換操作”時所產生的”瞬態電壓值”相差過大(見圖4b)而導致出現如下更加嚴重的故障發生：

i. LTM開關的供電線路中的上游側的“斷路器開關”跳閘,造成對網絡設備的大面積的停電;

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

iii.因在“切換操作瞬間”所形成的“瞬態浪涌電壓過高”而損壞網絡設備(例：燒毀網路中某些服務器、網關等)或致使部份的網絡設備因執行“重新開機啟動”的誤操作而進入“網絡癱瘓”狀態。

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

4.2 執行“先斷后開”的切換操作：從上面的分析可知：只有當“優先供電電源”因故出現停電/電壓或頻率“超限”故障時，才需要”負載自動切換開關“執行切換操作。顯然，在此瞬間，“優先供電電源”肯定是處于故障工作狀態之下的。為防止在兩路輸入電源之間、因出現過大的“交叉性”的和破壞性的“環流”而致使原來處于正常工作狀態的“備用電源”也被拖入到“自動關機”/“被損壞”的不幸事件的發生。在“負載自動切換開關”的設計中，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：當出現上述故障時，處于“優先供電”通道上的STS-1開關應該首先被“關斷”。然后，再將處于“備用供電”通道上的另一個STS-2開關后“接通”，從而達到消除位于“負載自動切換開關”的上游側的兩路交流電源之間出現交叉性的“環流”的可能性(注：“環流”是指在兩套交流電源之間流動的”破壞性電流”,它不是流進網絡設備中的有用負載電流)。

在此需特別說明的是，此時易產生如下誤解：既然LTM開關已用“先斷后通”的切換方式，似乎就沒有必要再要求送到“負載自動切換開關”上的兩路交流電源一定是處于“相互同步入鎖”狀態之下。然而，回答是原否定的。其原因是：為確保信息網絡的安全運行(注：網絡設備允許的瞬間供電中斷時間為20ms左右)，“負載自動切換開關”的切換時間被限定在4-5ms左右。根據可控硅的工作原理，對于原來處于導通狀態的可控硅來說，一旦它被置于觸發導通狀態之后、即使把送到它的柵極上的“觸發脈沖”撤除掉后、它將繼續處于導通狀態、直至到輸入電源的電壓下降到“過零點”為止。對于呈現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可控硅同時處于導通狀態的可能性(其重疊導通時間在0-5ms的范圍之間)。正是基于上述原因，確保UPS雙總線輸出系統的安全運行所需的條件仍然是：兩路交流電源應該處于”相互入鎖”狀態之中。

5　大功率負載自動切Q開關各種工作模式

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并機供電系統的電源1和電源2被分別送到4個“負載自動切換開關”LTM1、2、3、4的兩個輸入端上(為便于負載均衡供電及有利于增”故障隔離”功能，在該“雙總線輸出”供電系統中、配置有4個的LTM開關。此時，用戶可在STS型“負載自動切換開關”的控制面板的LCD監示屏上、用“人—機對話”的菜單操作的方法來確定將那套UPS并機系統的輸出電源作為它們的”優先供電電源”。例如：在這里，我們將送到LTM1和2開關上的輸入電源1和電源2分別選定為它們的”優先供電電源”和”備用供電電源”， 將送到LTM3和4開關的電源2和電源1分別選定為它們的”優先供電電源”和”備用供電電源”。在此條件下，只要”優先供電電源”的電壓和頻率在其所允許的工作范圍之仁保電源1將分別通過LTM1和LTM2開關向后接負載提供I1和I2電流; 電源2分別通過LTM3和LTM4開關向后接負載提供I3和I4電流。在LTM開關的運行中，當因故致使輸入電源1發生故障時(例：發生電源1“停電”或頻率/“電壓超限”故障時)，LTM1和2開關就會自動地以“先斷后通”的工作方式、在3-5ms的時間齲將用戶的負載同原來處于”備用供電電源”狀態的電源2相接通(見圖5b), 從而確保信息網絡的安全運行(注：對于當今的網絡設備來說，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絡的正常運行的)。

圖五　負載自動切換開關(LTM)的控制原理圖

5.2 “手動/自動返回式切換”工作模式：

在“負載自動切換開關”因故執行從“優先供電電源”→“備用供電電源”切換操作之后，當承擔“優先供電電源”任務的輸入電源1恢復正常工作時(它的電壓、頻率及同“備用供電電源”之間的“相位差”均符合所規定的窗口要求)，則必須經過適當的“時間延遲”后、才允許LTM開關根據用戶所設置的不同的返回式切換工作模式來分別執行手動或自動的返回式切換操作。此時，它可根據用戶的愿望被分別設置成自動復位(Reset)或手動復位(Reset)兩種工作模式。例如：如果LTM1和2開關被設置成自動復位(Reset)工作模式的話，當“優先供電電源”恢復正常工作狀態后，連接在LTM1和2開關的后面的網絡設備將會自動地重新恢復到由電源1供電的正常工作狀態(見圖5a)。在這里，為返回式切換操作設置一定的時間延遲的目的是：防止因“優先供電電源”在尚未進入穩定工作狀態時、因倉促執行切換操作而誘發“負載自動切換開關”頻繁地執行“誤切換操作”的弊端。在實踐中，LTM開關的典型的切換“延時時間”為：3秒左右，其可調范圍為：1—60秒。反之，如果LTM開關被設置成手動復位(Reset)工作模式的話，當“優先供電電源”恢復正常工作狀態后，則要求用戶通過在LTM1和2開關的LCD屏上、發出執行手動切換操作的指令，它才會執行返回式切換操作。否則，這些“負載自動切換開關”的后接負載將被繼續鎖定在” 被禁止切換”的工作狀態之中(見圖5b)，繼續由原定的“備用電源”供電。

5.3 “禁止切換”工作模式

當出現在LTM開關的負載端的嚴重過流/短路故障在“未排除”前、為防止因它執行“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”工作狀態的UPS并機供電系統的不幸事故發生。在LTM開關的運行中、當在其輸出端因故出現嚴重的“輸出過載”/“輸出短路”故障時，負責向這路”出現短路故障”的負載供電任務的LTM開關將被置于”禁止”作┖吻Q操作的鎖定狀態之中,以便將短路故障的影響面縮小到最小的范圍之內。

如圖5c所示，在UPS雙總線輸出供電系統的運行中，當因故在LTM2開關的后接負載中、產生“輸出短路”/嚴重過載/“過高”峰值電流的“浪涌”等故障之一時，由上述故障所誘發出的故障現象是：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“優先供電電源”供電通道上的其它的負載自動換開關是否允許執行切換操作、將取決它的輸出電流是否發生過“異常增大”的現象。如圖5c所示， LTM1開關通過檢測自已的輸出電流大小發現、并鑒定出”短路”故障不是發生在它的輸出端上，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”工作狀態下的LTM1開關將通過執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。與此相反，LTM2開關由于檢測到其輸出電流I2出現急劇增大現象而判斷出：短路故障是發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，就能實現負載自動切換開關對“故障的隔離”調控功能， 從而將這種“短路故障”的影響面局限在LTM2開關的后接負載側的有限的范圍之內。在此條件下，LTM2開關將根據故障電流I2的大小和di/dt增長速率的不同而分別執行如下操作：

當負載故障為短路/嚴重過載時，它會利用由電源1所提供的能量將位于LTM2開關后面的斷路器開關置于”脫扣跳閘”狀態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，一旦出現這種局面，在查出、并排除相應的故障之后，再經過適當的”時間延時”之后、LTM2開關就能夠重新恢復到它的正常工作狀態。

當負載側的故障為峰值很高的“浪涌電流”時，一旦瞬態浪涌消失后、并經適當的延時后，LTM1開關就能通過自動地執行返回式切換操作而恢復到正常工作狀態(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量不高而造成的LTM開關頻繁地執行切換操作，并進而導致損壞它的SCR型“靜態開關”的事故發生(注：在執行切換操作的期間，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開關的運行中，如果在5分鐘的時間內、執行切換操作的次數超過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開關將一直處在由“備用電源”向負載供電的狀態。除非同時滿足如下兩個條件：“優先供電電源”能恢復到穩定的正常工作狀態; 操作人員執行Reset操作。

5.5 “緊急切換”工作模式：

為確保對網絡設備供電的連續性、防止因人為“誤操作”或設備“誤動作”而導致在負載自動切換開關(LTM)的后接的網絡設置中、出現的供電中斷的故障隱患。當LTM開關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，無條件地自動執行切換操作，從而將網絡設備于同另一路正常工作的”備用電源”相接通的工作狀態之下。執行這種緊急切Q操作的唯一限制條件是：不應該在LTM開關的輸出端上、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中、配置負載自動切換開關的主要目的是：確保向網絡設置提供100%高可利用率的UPS電源。為此，在這種LTM開關中配置有如圖2所示的由CB1、CB4、CB3和CB2、CB5、CB3所分別組成的用“兩匙兩鎖”結構設計的、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開關執行維修操作時、能確保在對網絡設備不間斷地提供“優先供電電源”供電的同時，防止”備用電源”被誤連接到同一網絡設備上的事故發生。例如：在輸入電源1被選定為LTM開關的“優先供電電源”的條件下、當因故需要對這個LTM開關中的“STS1靜態開關”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開關從正常的”自動切換”工作狀態轉變成“維修旁路供電”狀態：

(1)　確認“優先供電電源”(電源1)處于正常供電狀態;

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

(3)　關斷”備用電源”(電源2)的輸入開關CB2;

(4)　在CB2開關上、施轉并取出”互鎖鑰匙”K2;

(5)　在將“互鎖鑰匙”K2插入CB4開關的“鑰匙孔”中后，再施轉這個“互鎖鑰匙”K2、直至將它的“鑰匙U”置于縮回到CB4開關的“鑰匙孔”中的狀態之下;

(6)　閉合CB4開關, 讓“優先供電電源”直接地通過CB4開關向后接負載供電;

(7)　關斷電源1的輸入開關CB1;

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

(9)　關斷CB3開關。至此，電源1將直接經過CB4開關向后接的網絡設備供電;

(10) 將處于“斷電”工作狀態下的“STS1靜態開關”功率模塊取出、并執行“脫機”維修操作。

5.7 “手動切Q操作”工作模式：

只要輸入到LTM開關上的兩路電源的電壓、頻率、相位差在所允許的范圍齲用戶都可按需在“優先供電電源”和“備用供電電源”之間執行“手動切Q”操作。例如：當需要緊急排除故障或要求在”不停電”的條件下執行調機操作時，就需要執行手動切Q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開關所允許的相位差僅為±15º。

當我們在執行“手動切換”操作時，根據兩路輸入電源是否能滿足“相互同步入鎖”條件的不同、而可能出現如下幾種截然不同的切換操作狀態：

5.7.1 “同步入鎖”切換操作：當兩路輸入電源的電壓、頻率、相位差都在LTM開關所允許的切換窗口范圍之內時，LTM開關執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：當兩路輸入電源的電壓在LTM開關所允許的切換窗口范圍之內、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開關所允許的”入鎖切換”窗口的范圍之內。這樣一來，LTM開關執行自動切換操作的”時間延遲”的長短將會呈現出很大的隨機性。因為,此時的LTM開關需要花時間去等待Δф重新進入允許執行”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開關執行”手動切換”操作所需的等待時間超過20ms的情況發生。在某些LTM開關的設計中，為防止LTM開關因執行切換操作的”等待時間”過長而影響UPS供電系統的正常運行，往往會規定一個最長的等待時限(例如：3分鐘)。一旦，超過這個時限，LTM開關將進入”禁止切換”的鎖定工作狀態之下。

5.7.3 “同頻異相”禁止切換狀態：當兩路輸入電源的電壓在LTM開關所允許的切換窗口范圍之內、頻率相同，但相位差Δф超過LTM開關所允許的切換窗口范圍的條件下運行時，此時的LTM開關將會一直被鎖定在”禁止切換”的工作狀態之中。

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

5.8 可控硅故障保護工作模式

在負載自動切Q開關的控制電路中、配置有如下功能完善的可控硅(SCR)保護電路：一旦發生SCR的“開路”或“短路”故障時，它可以_保在不間斷地向網絡設備供電的條件下，自動檢測出“故障元件”、發出報警信號、并用相應的“故障隔離”保護措施。

(1) 可控硅“短路故障”保護功能：LTM開關不停地監測著它的各個SCR型靜態開關的實時運行狀態(見圖2)。當發生“短路故障”的STS1開關出現在“優先供電通道”上時，負載自動切換開關就會在發出報警信號的同時，將處于“備用電供電通道”上的輸入斷路器開關CB2置于“脫扣跳閘”狀態，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”發生的目的。反之，當發生“短路故障”的STS2開關出現在“備用電供電通道”上時，負載自動切換開關會在發出報警信號的同時，將處于“優先供電通道”上的輸入斷路器開關CB1置于“脫扣跳閘”狀態。

(2) 可控硅“開路故障”保護功能：在LTM開關的運行中，如果遇到它的SCR型靜態開關發生開路故障時、在邏輯控制板的調控下，LTM開關會執行如下操作：在發出故障報警信號的同時，通過自動執行切換操作、將用戶的負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LTM開關在運行中、出現上述故障之一時，所有的報警信號將被”鎖存”在存A器內。并且，只有在值班人員排除故障后，才有可能通過Reset復位操作來消除故障報警信號。

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