بخشی از مقاله
چکیده
از آنجایی که UPS سایتهای مراکز داده قلب اصلی سیستم تامین برق یک مرکز داده به حساب می آیند لذا باتوجه به اهمیت و حساسیت سرویسهای تحت پوشش این سایتها لازم است با نگاه ویژه ای مبحث ارتینگ در UPS ها و روشهای کاهش نویز در سیستم الکتریکال مورد بررسی قرار گیرد. بدلیل آنکه اطلاعات جامعی در خصوص ارتینگ UPS ها در استانداردهای TIA 942 و TIA 607 موجود نیست و در این استانداردها به کلیات پرداخته شده است لذا در این مقاله و در راستای بررسی استانداردهای معتبری همچون استانداردهای NFPA و IEEE و کتابهای مرتبط در این زمینه، مفهومی بنام سیستم جزیره ای - SDS - مورد بررسی قرار گرفته است که بکارگیری صحیح SDS علاوه بر تامین نیازهای سیستم ارتینگ مراکز داده به کاهش نویزهای مد مشترک و کاهش خطاها در سیستمهای حساس الکترونیکی منجرخواهد شد.
-1 مقدمه
بدون شک بخش تاسیسات الکتریکی یکی از اصلی ترین و اساسی ترین زیرساختهای مراکز داده هر سایت می باشد. از آنجا که تمامی فعالیتهای انجام شده در مراکز داده بدون تامین برق مطمئن و پایدار ممکن نمی باشد لذا پیوستگی ارائه خدمات مبتنی بر تامین برق مطمئن و با کیفیت بوده و از انجایی که این مهم بر عهده دستگاههای UPS می باشد لذا لازم است با عنایت به روشهای مختلف نصب UPS در سایتها و با توجه به برخی ملاحظات مهم که در طراحی تابلو های بالادست و پایین دست UPS ها کمتر دیده می شود به آن پرداخته شود.
با توجه به لزوم حفاظت پرسنل و تجهیزات، عملکرد صحیح سیستم الکتریکال، افزایش قابلیت اطمینان سیستم و کاهش اثرات نویز در شبکه IT، اجرایی شدن سیستم ارتینگ در سایتها از اهمیت ویژه ای برخوردار خواهد شد، به نحوی که ارتینگ صحیح UPS اجتناب ناپذیر می باشد و زمین کردن نادرست و یا غیر موثر، ایمنی کارکنان، حفاظت تجهیز و عملکرد سیستمهای حساس الکترونیکی سایتها را دچار مشکل میسازد. دستگاههای UPS میتوانند دارای آرایشهای متنوعی باشند و در اغلب دستگاههای UPS ، خروجی AC دستگاه UPS به صورت الکتریکی از ورودی AC ایزوله می باشد .هر چند اکثر سیستمهای UPS کاربردی دارای یک یا چند مسیر بای پس می باشند که بسته به شرایط خاص بای پس میتوان UPS ها را به دو دسته جزیره ای - SDS - و غیرجزیره ای تقسیم بندی نمود.
-2 سیستم ارتینگ مراکز داده
یک سیستم اتصال به زمین مناسب باید به درستی برای سیستم UPS طراحی و اجرا شده باشد بگونه ای که UPS بتواند در شرایط مختلف به درستی عمل نماید. از اینرو یک سیستم اتصال به زمین مناسب سیستمی است که اجازه می دهد تا حفاظت های اندیشیده شده در مقابل اتصالی برای پاکسازی یک خطای زمین به درستی فراهم گردد و مسیری مناسب برای تخلیه جریان های ناشی از سرج و برای حذف جریان های نامطلوب از بار حساس فراهم آورد. مطابق با استاندارد IEC60341-1 بصورت کلی سه نوع سیستم زمین وجود دارد که عبارتند از سیستم های TT , IT و TN و سیستم زمین TN نیز میتواند به حالتهای دیگری از جمله TNC , TNS و TNC-S اجرا شود در شکل - 1 - انواع سیستمهای زمین نشان داده شده است.
-3 نویز - نویز مد مشترک و نویز تفاضلی -
یکی از مهمترین جنبه های EMC درکتفاوت بین وضعیتهای احتمالی اتصال است. مبنای این تشخیص این نظریه می باشد که دومسیر مداری مختلف میتوانند در مجموعه ی یکسانی از هادی ها به طور مشترک قرار بگیرند. یکی از مدارات مدار بین رفت و برگشت جریان یا سیگنال خواهد بود و مسیر دیگر مدار پارازیتی ای بوده که بین مسیر مداری مطلوب و استراکچر محلی که تجهیز در آن واقع شده است می باشد که این حالت را "مد مشترک" مینامند.[2] به صورت کلی به هرگونه سیگنال ناخواسته که روی سیگنال اصلی سوار و تشخیص و آشکار سازی سیگنال اصلی را با مشکل مواجه سازد، نویز گویند.[3] نویزها بصورت کلی به سه صورت زیر تولید میشوند:
• نویزهای ناشی از عوامل و اغتشاشات جوی و طبیعی همچون صاعقه و تشعشعات خورشیدی
• نویز ناشی از سایر تجهیزات مجاور همانند الکتروموتورها، سوییچ ها، تجهیزات الکترونیکی دیجیتال و فرستنده های رادیویی
• نویز داخلی و ذاتی تجهیزات همانند نویزهای گرمایی و ضربه ای
انواع نویز به دو دسته نویز مد مشترک و نویز دیفرانسیلی تقسیم می شود که در شکل - 2 - قابل ملاحظه می باشند و از آنجایی که مباحث مربوط به نویز و روشهای حذف آن بسیار گسترده می باشند لذا در این مقاله فقط به برخی تاثیرات و راهکارهای مبتنی بر بکارگیری مفهوم های SDS بسنده مینماییم. شکل - : - 1 دسته بندی سیستم های زمین در فشار ضعیف سیستم های اتصال به زمین IT و TT کاربردهای خاص ویژه ای در صنعت داشته و در سیستم TNC نیز از آنجایی که مقداری از شدت جریان بار برگشتی از هادی نول بدلیل وجود همبندی با تجهیزات و اجزای ساختمان از این مسیر ها عبور مینماید لذا با تولید میدان مغناطیسی ایجاد تداخل الکترو مغناطیسی - EMI - مینماید.
[1] در سیستم TNS اگر بارهای نامتقارن سه فاز و یا بار غیر خطی داشته باشیم هارمونیک های مضارب سه در خط N انتقال خواهد یافت، اما هیچ جریان و ولتاژی در خط PE وجود نخواهد داشت، بنابراین هیچ اختلال ولتاژی برای تجهیزاتی که بدنه آنها به خط PE اتصال دارند وجود نخواهد داشت در حالی که برای سایر سیستمهای زمین تداخل ذکر شده را خواهیم داشت. با توجه به موارد فوق لازم است سیستم ارتینگ تمامی سیستم های مخابراتی و حساس TNS باشند. سیستم TNS در فشار ضعیف ایده آل ترین سیستم زمین را برای سیستمهای مخابراتی و دیتاسنتری فراهم می آورد.[2]
شکل - : - 2 مفهوم مد مشترک و مد تفاضلی تاثیرات نویز مد مشترک روی دستگاههای الکترونیکی و راهکارهای رفع آن: نویز مد مشترک اختلاف ولتاژ ناخواسته بین زمین و فاز و همچنین بین زمین و نول می باشد[9] به نحوی که در دستگاههایی که جهت تعیین مرجع ولتاژ به زمین - و یا از طریق خازن به زمین - متصل شده اند نویز مد مشترک میتواند منشاء تغییرات سطح منطقی سیگنال دیجیتال و ایجاد خطا در اطلاعات گردد.
بنابر این لازم است تمهیداتی اندیشیده شود که از ورود نویز مد مشترک از سیستم بالا دست به سیستمهایی که توسط UPS تغذیه میشوند جلوگیری نماییم. راهکارهای حذف نویز مد مشترک به شرح ذیل می باشد:[4] چندین راهکار برای حذف نویز مد مشترک وجود دارد که برخی از مهمترین آنها عبارتند از بکار گیری فیلترهای EMI/RFI، استفاده از ترانس ایزوله، و نهایتا استفاده از تکنیکهای SDS که انواع روش های ترکیبی استفاده از ترانس ایزوله و بکار گیری صحیح و درست از سیستم ارتینگ UPS ها را شامل می شود که روشهای مختلف آن در بخش های آتی توضیح داده خواهد شد.
-4 مفهوم سیستم جزیره ای Separately Drive
- SDS - System
سیستم جزیره ای [5,6] مطابق با تعریف استاندارد های NFPA 70 - NEC - و IEEE 1100 "سیستمی است که ارتباط مستقیم الکتریکی بین هادی تغذیه خروجی و ورودی وجود نداشته باشد" به عبارت دیگر سیستم جزیره ای سیستمی است که هادی های مدارات آن دارای اتصال مستقیم الکتریکی به هادی های منبع تغذیه دیگری نبوده و تنها امکان اتصال به سیستم زمین - ارت - ، محفظه فلزی، مجراهای عبور کابل یا هادی های سیستم زمین به سیستم بالا دست وجود دارد.
ژنراتورها، باتری ها، ترانسفورماتور ها و سیستم های فتوولتاییک که اتصال بین آنها و منبع دیگر وجود ندارد از مثال های بارز یک سیستم جزیره ای محسوب می گردند. سیستم جزیره ای یکی از به صرفه ترین راه های بهبود کیفیت توان در سیستم الکتریکال می باشد، این نوع سیستم تغذیه در صورتی که به درستی زمین و همبند گردد قادر به حذف نویزهای حالت مشترک خواهد بود. زمین و همبندی یک سیستم جزیره ای شامل 5 اتصال اصلی به شرح ذیل می باشدکه در شکل - 3 - ملاحظه می گردد:
.1 زمین ورودی
.2 اتصال به زمین بدنه
.3 زمین الکترود
.4 نول خروجی
.5 زمین خروجی/تجهیز
شکل - : - 3 اتصالات سیستم جزیره ای
1-4 سیستم UPS جزیره ای
شکل - 4 - یک دستگاه UPS استاتیک معمولی دبل کانورژن [8]را نشان میدهد؛ که در آن خروجی - AC اینورتر - به صورت الکتریکی از ورودی AC اصلی - رکتیفایر - ایزوله شده است . ورودی بای پس استاتیک از یک سیستم قدرت که نول آنمستقیماً زمین شده، از طریق کابل سه سیمه به اضافه زمین تغذیه می گردد .هر سه فاز ورودی بای پس UPS بوسیله UPS سوئیچ میگردند و بنابراین هیچ اتصال الکتریکی مستقیمی بین خروجی AC سیستم UPS و سیستم قدرت زمین شده - منبع بالادست - وجود ندارد.[7]
شکل - : - 4 سیستم UPS جزیره ای
از این ساختار، که در آن خروجی AC سیستم UPS و سیستم قدرت زمین شده وجود ندارد به عنوان یک سیستم جزیره ای نام برده می شود. همانند سایر سیستمهای جزیره ای، خروجی AC سیستم UPS می بایست مطابق با استاندارد NEC زمین شود. مطابق استاندارد NEC برای سیستم های جزیره ای موارد زیر باید رعایت گردد:
• نقطه نول باید به هادی زمین تجهیز و یا هادی الکترود زمین همانند شبکه زمین ساختمان یا دیگر الکترودهای زمین متصل گردد.
• شینه نول می بایست به شینه زمین، تنها در منبع متصل گردد و در هیچ نقطه دیگری اتصال نداشته باشد تا مانع غیرموثرشدن حفاظت خطای زمین نگردد.
اگر نقطه نول خروجی UPS به صورت صحیح به هادی الکترود زمین - GEC - و هادی زمین تجهیز - EGC - متصل نشود، خروجیUPS بواسطه ولتاژهای کنترل نشده حاصل نسبت به زمین، به طور مناسب نسبت به زمین سنجیده نخواهد شد .شایان ذکر است که از این ساختار زمین در UPS با تغذیه بای پس سه سیمه به اضافه ی زمین، تنها زمانی میتوان استفاده کرد که UPS بارهای تکفاز را تغذیه نکند، مگر آنکه وقتی UPS در حال عملکرد در مود بای پس است، برای داشتن ولتاژهای تکفاز تمهیدات دیگری در نظر گرفته شود. ذکر این نکته حائز اهمیت است که این آرایش زمین UPS که دارای کابل سه سیمه به اضافه زمین در مسیر تغذیه بای پس می باشد، میتواند تنها در هنگامی مورد استفاده قرار گیرد که UPS بارهای تکفاز را تغذیه نمیکند مگر اینکه تمهیدات لازم برای ایجاد ولتاژ تکفاز در هنگام عملکرد UPS با استفاده از مسیر UPS اندیشیده شود.
