一、数据中心的规划配置
　　
　　这是一个进入20世纪的很重要的数据中心,其规划配置也是按照标准的2n结构实现的。
　　
　　如图1所示,该数据中心给出的用电量是710kVA,于是就选择了400kVA×2=800kVA的工频机UPS,由于比实际用电量还富裕90kVA,看来还是保险的。根据标准还选择了2n结构配置,这样一旦有一边的800kVA故障停机或换机仍能保证数据中心正常运行。后备发电机选择了1250kVA的容量,这样又比实际用电量多出了450kVA,富富有余。初看起来绝对是一个可靠的高配。实际也证明了多年来的运行确实可靠。

　　
　　二、换机故障
　　
　　UPS和其他电子设备一样是有服务期的,如果忽略这一点就会带来很大麻烦。比如香港汇丰银行的UPS在高达服务期终了时尽管在厂家连发三次传真提醒应该换机时都没在意,结果大约半年后一次电源故障使数据中心停电2h,造成全球业务停顿,损失惨重。
　　
　　由于供电系统是2n配置,就觉得毫无悬念的换机是手到擒来。于是就按照程序停掉了一边的800kVAUPS,果然数据中心运行正常,为了怕换机期间市电停电,于是就启动了一台1250kVA的发电机,万万没想到在市电切换到发电机时发电机马上停止送电,使整个数据中心工作瞬时崩溃。据说这一事故影响了13个省的金融机构正常工作。
　　
　　对此次故障原因的寻找和分析最后得出的结论是“发电机消磁”,尘埃落定,这个结论也得到了一些专家的认可,就此不再提及。
　　
　　三、“发电机消磁”结论的探寻
　　
　　后备发电机在什么情况下消磁:
　　
　　1）励磁回路断路或接触不良:如电缆断裂、接头松动等,导致励磁电流中断。
　　
　　2）励磁机故障:励磁机的电枢、励磁绕组或整流装置损坏,无法正常供磁。
　　
　　3）自动灭磁开关误动作:误触发灭磁开关强制断开励磁回路。
　　
　　4）转子绕组故障:转子线圈短路或断线,破坏励磁回路完整性。
　　
　　5）控制系统故障:如调节器故障、人为误操作等,导致励磁电流异常归零。
　　
　　6）发电机长时间不用:发电机长时间停置不用时,铁心中的剩磁可能会逐渐消失,导致励磁绕组无法建立起必要的磁场。
　　
　　7）外部环境变化:如突然断电、电压波动过大等外部因素干扰,也可能对发电机产生影响,导致其失磁。
　　
　　8）后备发电机在超过200℃时可能会消磁。电动车电机中的磁铁,如钕铁硼磁铁,其工作温度最高可达200℃左右,超过这个温度就会开始消磁。
　　
　　因此,后备发电机在高温环境下需要特别注意温度控制,以防止磁铁消磁。
　　
　　此外,磁铁的消磁温度还与其材质有关。例如,铝镍钴磁钢可以在500℃以上的高温下正常工作,而钐钴磁钢也具有耐高温特性,通常用于高温电机和航空产品。对于永磁电机,质量较差的磁铁在110℃左右就会退磁,而质量较好的可以承受到140℃。
　　
　　但以上的退磁原因都被实验否定了,因为在事后的发电机带载实验时,在按下发电机启动按钮后机器瞬时启动,没有任何悬念地发电正常。
　　
　　那么“发电机消磁”的结论又是如何作出的呢,因为这个问题不搞清楚下次换机时还可能出现类似故障。
　　
　　四、磁畴和后备发电机
　　
　　谈到后备发电机,就必须了解此概念,磁是海子的流动体态,像风和水一样流动,电磁场是海子的定向流动范围,分子或者原子是构成物质的基本单元,基本单元中(核外负电子、化学键电子)是漩涡,漩涡是有风力的,可以吹动海子流动,就可以形成磁场。由大量基本单元组成一个集团结构,集团结构中所有基本单元形成的磁场都同方向整齐排列,这样的集团称作磁畴。如图2所示,非磁体内的磁畴的排列方向是杂乱无章的,所以整体显示无磁性,而磁体内的磁畴的排列方向是同一方向的,所以整体显示出了S和N极,如图3所示,中学物理课本里的例子,导体切割磁力线时导体中就有电流产生,后备发电机就是根据这个原理。
　　
　　后备发电机定子主要由软磁铁构成。定子铁芯由硅钢片叠压而成,主要作用是导磁并支撑绕组。定子绕组嵌入铁芯槽中,通交流电后产生旋转磁场。软磁铁在后备发电机停机时会有剩磁。剩磁是指铁磁材料在磁化过程中外加磁场消失后仍然保留的磁场。对于后备发电机,停机后定转子铁芯会保留剩磁。剩磁是指铁磁材料在磁化过程中外加磁场消失后仍然保留的磁场。对于自励式发电机,靠剩磁发电,即当发电机启动时转子绕组切割微弱的剩磁磁力线发出些小的电流,该电流为定子充磁,使定子的磁场加强以使转子的电流加大,这个加大了的电流又去为磁场充磁,就这样一个正反馈过程是输出电压达到额定值。就这样通过正反馈使发电机输出电压逐渐升高。发电机失磁后,会导致发电机失步,转子阻尼绕组、转子表面和转子绕组中会产生差频电流,可能导致转子局部过热和严重发热现象,危及转子的安全,后备发电机结构详见图4所示。
　　
　　此外,同步发电机异步运动会在定子绕组中产生脉动电流,导致机组震动,威胁发电机的安全。
　　
　　可实验证明这一切都不符合所谓“发电机消磁”的论断。
　　
　　五、发电机断电故障的真正原因
　　
　　首先看一下数据中心向市电需要索取的有功功率。
　　
　　2005年以后IT设备的输入功率因数F由原来的-0.6～-0.7提高到F≥-0.95,就可以看作是“1“,所以710kVA≈710kW,原来配置的是工频机UPS,那时工频机UPS都是按负载功率因数F=-0.8设计和制造的;而且效率η<90%,按最低损耗10%算,一边800kVA的UPS本身功耗就是80kW,那么该数据中心向市电索取的有功率P应当是P>790kW。
　　
　　但负载功率因数F=0.8的UPS带接近于线性(公因数是1)的负载时,100kVA的UPS逆变器功率理论上是按80kW设计的(暂不考虑过载时的加量),如图5所示,由于负载端已经是线性负载,没有了抵消无功功率的需要,而UPS输出端仍保存着无功功率Q=600kvar的电场容量结构,所以逆变器输出首先要建立起这个容量为Q=600kvar的电场,所剩下的有功功率p才可供给负载,此时的p为:
　　
　　当然如果后面是80kW的负载肯定会过载了。也就是说,负载功率因数为0.8的任何电源带线性负载时只能给出额定值的53%有功功率,而不是80%。
　　
　　回过头来再看负载功率因数为0.8的1250kVA发电机,此时能够给出的有功功率只能是1250kVA×0.53=795kW。按道理讲此时应可勉强带动负载,但此时有几个未知数:数据中心此时的用电量是否还是710kW?UPS效率是不是比90%还要低?发电机是否能承受100%的电流冲击?这些因素都是导致发电机过载故障的原因。
　　
　　那为什么长期运行是一切正常呢?因为长期运行中一直是400kVA×4=1600kVA,而且1600kVA×0.53=848kW还可以支持,不过也是几乎满载了。
　　
　　为什么换机后向发电机切换前出现故障呢?实际上换机后只有800kVA供电,这时给出的有功功率只有424kW早过载转到市电供电了,只是因为忙着换机没注意罢了。
　　
　　六、后记
　　
　　此次故障的最终原因是在规划设计时忽略了功率因数这个环节,实际上看似2n配电结构,而真正是一个电源,因为一边的800kVA供电UPS只给出424kW,两边加起来才勉强给出848kW,也就是说原设计就少了4台400kVAUPS。即使注意到0.8负载功率因数,800kVA也只能给出640kW,照样不满足该数据中心的用电要求,照样不是2n配电结构。
　　
　　如果此次仍然是负载功率因数为0.8的UPS,那么今天的故障在“发电机消磁”的结论指导下还会重复出现。
　　
　　因为现在的机房安排已经成型,再有4台400kVAUPS无处摆放,可选择负载功率因数为F=0.9的600kVA×2=1200kVAUPS作为2n结构的一边,两边4台构成2n配置,这时的UPS输出无功功率
　　　　
　　2n一边可给出的有功率为
　　
　　高频机UPS的效率以η=95%计算,1200kVA消耗功率60kW,总需710+60=770(kW),于是1080(kW)>>770(kW),这样一个改变功耗变小了,占地面积变小了,供电能力却变大了。
　　
　　负载功率因数为0.8的发电机容量:因原来有两台1250kVA,再增加一台即可,这样就可以做成3-1的供电模式;如果机房再无有多余的空间,也可只增加一台并机配电柜。
　　
　　编辑：Harris