中性線的轉(zhuǎn)換對(duì)UPS電源性能的影響和對(duì)策

1 引言

在UPS供電系統(tǒng)中，UPS設(shè)備位于交流輸入電源和關(guān)鍵負(fù)載之間，其上游是交流輸入電源亦即低壓配電系統(tǒng)，下游是各種關(guān)鍵負(fù)載。任何UPS在正常情況下都是以市電電源為輸入能源，UPS 將市電電源進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，供給負(fù)載穩(wěn)定可靠地交流電源。當(dāng)市電電源停電或技術(shù)指標(biāo)超出預(yù)定的容限時(shí)，UPS利用內(nèi)部?jī)?chǔ)能裝置(蓄電池)繼續(xù)運(yùn)行為負(fù)載供電。市電長(zhǎng)時(shí)間停電時(shí)，則必須啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組供電。

在電信和數(shù)據(jù)中心等重要應(yīng)用場(chǎng)合，低壓配電系統(tǒng)通常采用兩路市電和多臺(tái)變壓器，并配置一臺(tái)或多臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組。為了確保UPS輸入電源的供給，市電與備用發(fā)電機(jī)組之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路采用3極自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)。在3極ATS的轉(zhuǎn)換電路中，當(dāng)配電電路中發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流有分流現(xiàn)象，導(dǎo)致接地故障保護(hù)裝置(GFP)拒動(dòng)。此外，中性線電流的分流將導(dǎo)致接地故障保護(hù)裝置誤動(dòng)。近年來，在重要應(yīng)用中均要求采用具有包括GFP的4段保護(hù)斷路器，為了避免接地故障保護(hù)裝置工作異常，4極ATS的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用日益增加。4極ATS的轉(zhuǎn)換電路除了轉(zhuǎn)換3個(gè)相線外，還增加第4個(gè)極轉(zhuǎn)換中性線，4極ATS的特點(diǎn)，是保證互相轉(zhuǎn)換的兩個(gè)電源完全隔離，消除了接地故障電流和中性線電流的分流，保證了接地故障保護(hù)裝置的正常工作。但轉(zhuǎn)換過程中性線可能有中斷，導(dǎo)致UPS中性線基準(zhǔn)(接地)斷開，引發(fā)UPS系統(tǒng)故障。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)由于中性線基準(zhǔn)斷開，引起UPS設(shè)備工作異常，甚至導(dǎo)致UPS停機(jī)和負(fù)載停電的嚴(yán)重故障。UPS上游電源中性線的轉(zhuǎn)換對(duì)GFP和UPS的影響，已成為最受關(guān)注和亟待解決的問題。也是當(dāng)前UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須考慮的重要內(nèi)容。

本文討論UPS上游電源轉(zhuǎn)換電路的種類及原理，分析中性線基準(zhǔn)斷開對(duì)UPS運(yùn)行的影響，提出工程設(shè)計(jì)實(shí)用解決方法。

2 電信和數(shù)據(jù)中心低壓配電接地系統(tǒng)和保護(hù)要求

按照YD/T5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，電信和數(shù)據(jù)中心的低壓交流供電系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。

TN-S系統(tǒng)具有許多優(yōu)越性，例如，在TN-S系統(tǒng)中，有三相不對(duì)稱負(fù)載和非線性負(fù)載時(shí)，中性線N中有電流流過，但保護(hù)地線PE中在正常時(shí)沒有電流流過，因此保護(hù)地線PE上沒有電壓，對(duì)于設(shè)備機(jī)殼接保護(hù)地線PE的各個(gè)負(fù)載設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，所以適用于通信、數(shù)據(jù)處理和精密電子設(shè)備的應(yīng)用場(chǎng)合。TN-S系統(tǒng)當(dāng)保護(hù)地線PE斷開時(shí)，在正常情況下不會(huì)使負(fù)載設(shè)備機(jī)殼接保護(hù)地線PE的設(shè)備機(jī)殼帶電，比較安全。

需要說明的是，TN系統(tǒng)包括TN-S、TN-C和TN-C-S三個(gè)分系統(tǒng)，而電信和數(shù)據(jù)中心一般只采用TN-S系統(tǒng)。TN-C系統(tǒng)的PEN 線有PE線和N線的作用，可節(jié)省一根導(dǎo)線。但是，TN-C系統(tǒng)在有三相不對(duì)稱負(fù)載和有非線性負(fù)載時(shí)，其PEN線中有電流流過，因此對(duì)機(jī)殼接PEN線的各個(gè)負(fù)載設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。TN-C系統(tǒng)還存在以下問題：① 對(duì)于單相負(fù)載設(shè)備，如果PEN線斷開，則設(shè)備外殼將帶220V故障電壓;② 不能直接裝設(shè)GFP(或RCD)保護(hù)器。 TN-C-S系統(tǒng)在前面一段配電系統(tǒng)具有TN-C系統(tǒng)的特性，在后面一段配電系統(tǒng)具有TN-S的特性。

過去通信局站曾廣泛采用TN-C，由于存在上述缺陷，現(xiàn)在已不允許采用。TN-C-S系統(tǒng)僅在特殊情況下采用, 但應(yīng)特別注意，禁止在TN-S后面再采用TN-C系統(tǒng)。

TN-S系統(tǒng)的保護(hù)，主要有過載長(zhǎng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)、接地故障保護(hù)。其中接地故障保護(hù)(GFP)是指相線與電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分(如機(jī)殼、建筑金屬構(gòu)件等)之間的短路，這與相線與中性線之間的短路、相線之間的短路不同。接地故障電流較小，常常不能使過流保護(hù)電器動(dòng)作。接地故障點(diǎn)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)電弧，故有易引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。因此，GFP接地故障保護(hù)十分重要。根據(jù)NEC的要求， TN系統(tǒng)中大于(等于)1000A的斷路器必須采用GFP，歐盟有些國(guó)家已將GFP定為強(qiáng)制性要求。近年來，我國(guó)電信和數(shù)據(jù)中心等的低壓配電系統(tǒng)工程中，重要開關(guān)均要求具有GFP接地故障保護(hù)功能。因此，如下所述，在進(jìn)行市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別注意與GFP兼容的問題。

3 市電電源與備用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換電路

市電電源與備用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換電路，有采用3極ATS和采用4極ATS的兩類轉(zhuǎn)換電路。

3.1 采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路

傳統(tǒng)的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用3極ATS,只進(jìn)行三個(gè)相線的轉(zhuǎn)換，不進(jìn)行中性線的轉(zhuǎn)換。市電和發(fā)電機(jī)組中性線是公用的(兩者的中性線固定連接在一起)。3極ATS 轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換過程中中性線沒有中斷現(xiàn)象。

按照發(fā)電機(jī)中性線的接地位置的不同，采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路有如下兩種。

(1) 發(fā)電機(jī)中性線通過市電中性線接地的轉(zhuǎn)換電路

圖1示出傳統(tǒng)采用3 極ATS的轉(zhuǎn)換電路，發(fā)電機(jī)的中性線與市電中性線連接并在市電進(jìn)線柜處接地。發(fā)電機(jī)組的中性線在發(fā)電機(jī)處不接地，發(fā)電機(jī)組的機(jī)座通過PE線在市電進(jìn)線柜接地。

在這種轉(zhuǎn)換電路中，因?yàn)殡娫聪到y(tǒng)的中性線僅在市電進(jìn)線柜一處接地，對(duì)于接地故障的檢測(cè)是安全可靠的。在市電供電的情況下，如果發(fā)生了接地故障，接地故障保護(hù)裝置(GFP)將會(huì)正確地檢測(cè)出接地故障電流，發(fā)出信號(hào)，使市電進(jìn)線開關(guān)斷開。

應(yīng)該指出，圖1是采用3極ATS時(shí)的正確電路，過去曾長(zhǎng)期應(yīng)用，一般情況下是比較理想的。但是，隨著配電電路對(duì)接地故障保護(hù)的需求，圖1 的3極ATS 轉(zhuǎn)換電路暴露出一些缺點(diǎn)，例如：因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的中性線不在發(fā)電機(jī)處接地，在發(fā)電機(jī)側(cè)不能實(shí)現(xiàn)接地故障檢測(cè)(注：目前發(fā)電機(jī)輸出斷路器一般不設(shè)接地保護(hù)，但當(dāng)有接地故障時(shí)應(yīng)告警，故需要進(jìn)行接地故障檢測(cè))。

值得特別注意的是，如果供電系統(tǒng)中有多個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān),有可能造成中性線電流的分流，使接地故障的檢測(cè)出現(xiàn)錯(cuò)誤，導(dǎo)致接地故障斷路器在無接地故障時(shí)異常跳閘。如圖2所示，在市電供電時(shí)，中性線電流會(huì)在市電和發(fā)電機(jī)的中線之間分配，流經(jīng)3極ATS-2的中性線電流有一部分通過市電中性線返回市電電源，其余電流將流向發(fā)電機(jī)的中性線，并經(jīng)另一個(gè)轉(zhuǎn)換開關(guān)(3極ATS-1)返回市電電源。因?yàn)檫@部分電流未經(jīng)過GFP-2檢測(cè)電路，被認(rèn)為是接地故障電流，故可能引起接地故障保護(hù)斷路器K2在無接地故障時(shí)異常跳閘。

 

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圖1 采用3極ATS市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線通過市電進(jìn)線柜接地)

 

 

圖2 具有多個(gè)3極轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換電路(市電供電時(shí)中線電流的分流的情況)

(2)發(fā)電機(jī)組中性線在發(fā)電機(jī)處接地的轉(zhuǎn)換電路

圖3示出采用3 極ATS，而發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處單獨(dú)接地的轉(zhuǎn)換電路。由發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出的中性線與市電的中性點(diǎn)連接，發(fā)電機(jī)組的機(jī)座與中性點(diǎn)連接并在發(fā)電機(jī)處接地。在這種轉(zhuǎn)換電路中，由于市電電源系統(tǒng)中性線在市電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)兩處接地，會(huì)引起中性線電流和接地故障電流的分流，影響接地故障保護(hù)裝置的正常工作。

 

 

圖3 采用3極ATS 的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處獨(dú)立接地)

圖4示出在市電供電的情況下，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流IGF分流的情況。IGF有一部分通過自故障點(diǎn)至發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的PE線、發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)和公共的中性線N返回市電中性點(diǎn)，因而沒有被GFP檢測(cè)到。這可能造成有接地故障時(shí)接地故障保護(hù)裝置拒動(dòng)。

圖5 示出這種轉(zhuǎn)換電路的另一個(gè)問題：中性線電流IN被分流。如圖所示，IN有一部分經(jīng)公共中性線、發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)組的接地線返回市電電源。這將可能出現(xiàn)GFP檢測(cè)器的對(duì)故障電流的誤檢測(cè)，造成在無接地故障時(shí)接地保護(hù)裝置誤動(dòng)。

 

 

圖4 采用3極ATS(發(fā)電機(jī)中性線獨(dú)立接地)接地故障電流分流的情況

 

 

圖5 采用3極ATS(發(fā)電機(jī)中性線獨(dú)立接地)中性線電流分流的情況

3.2 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

如前所述，傳統(tǒng)的市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用3極ATS，是不轉(zhuǎn)換中性線的轉(zhuǎn)換電路，無論發(fā)電機(jī)的中性線在何處接地，市電和發(fā)電機(jī)的中性線都是固定連接的。因而出現(xiàn)了接地故障電流和中線電流的分流現(xiàn)象，導(dǎo)致接地故障電流的檢測(cè)錯(cuò)誤。顯而易見，為了避免上述種種問題，應(yīng)該進(jìn)行中性線的轉(zhuǎn)換，使市電和發(fā)電機(jī)組完全隔離。轉(zhuǎn)換中性線的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用4極ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān);帶接地故障保護(hù)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān)。

4極ATS有中性線斷開的轉(zhuǎn)換開關(guān)和中性線觸頭重疊轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開關(guān)兩種。

(1) 采用中性線斷開的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

在圖6的電路中采用4極ATS，除了轉(zhuǎn)換三個(gè)相線外，還利用第四個(gè)極轉(zhuǎn)換中性線。實(shí)現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的完全隔離。發(fā)電機(jī)的中性線和機(jī)座在發(fā)電機(jī)處獨(dú)立接地，與市電中性線沒有連接。因此，發(fā)電機(jī)是“獨(dú)立系統(tǒng)”。這個(gè)電路消除了由于中性線多點(diǎn)接地而引起的接地故障檢測(cè)錯(cuò)誤和斷路器的異常跳閘(圖4，圖5)。此外，在發(fā)電機(jī)輸出也可以進(jìn)行接地故障檢測(cè)和告警。

中性線斷開的4極ATS采用“先斷后合”的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中，兩個(gè)電源接地的中線沒有連接到一起，不會(huì)引起接地故障檢測(cè)的錯(cuò)誤。中性線轉(zhuǎn)換極與相線轉(zhuǎn)換極同時(shí)動(dòng)作，以防止在感性負(fù)載的存在的情況下，如果中性線極先于相線極斷開，在中性線上產(chǎn)生瞬變高壓和電弧、觸頭腐蝕的現(xiàn)象。

有的4 極ATS設(shè)計(jì)為中性線相對(duì)于相線，最后斷開，最先閉合;即所謂中性線較相線“先合后分”，以減少轉(zhuǎn)換中性線時(shí)產(chǎn)生電壓瞬變的可能性。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)的中性線極的結(jié)構(gòu)與相線極的結(jié)構(gòu)相同，即中性線觸頭與相線觸頭具有相同的電流容量。然而這種轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換過程仍有中性線瞬時(shí)斷開現(xiàn)象。

 

 

圖6 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(中性線先斷后合)

(2) 采用中性線觸頭重疊的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

隔離市電和發(fā)電機(jī)電源的另一個(gè)辦法，是采用帶重疊中性線觸頭的4極ATS。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中，市電和發(fā)電機(jī)的中性線是重疊接在電路中的，即以“先合后斷”的方式進(jìn)行中性線轉(zhuǎn)換?；蚍Q為“中性線重疊轉(zhuǎn)換”。如圖7示，當(dāng)從市電向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換時(shí)，首先接上發(fā)電機(jī)的中性線，然后轉(zhuǎn)換3個(gè)相線，再斷開市電的中性線，最后，ATS的4極開關(guān)與發(fā)電機(jī)電源連接。反之亦然，即轉(zhuǎn)換過程中負(fù)載的中性線同時(shí)與市電和發(fā)電機(jī)的中性線連接，轉(zhuǎn)換后只與市電或發(fā)電機(jī)一個(gè)電源的中性線連接，實(shí)現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的中性線完全隔離。這個(gè)電路，由于在轉(zhuǎn)換過程中中性線始終沒有斷開，故不會(huì)產(chǎn)生異常的轉(zhuǎn)換瞬變電壓和電弧，因而中性線的觸頭不會(huì)因電弧而腐蝕。這個(gè)好處在有較大感性負(fù)載時(shí)特別明顯。這種ATS的中性線觸頭開距較小，觸頭壓力不高，不配備滅弧室，中性線觸頭材料與相線觸頭的材料也不盡相同。重疊中性線觸頭容量一般可以比相線轉(zhuǎn)換極小些，故比較經(jīng)濟(jì)。因此，這種轉(zhuǎn)換開關(guān)有時(shí)也稱為具有重疊中性線觸頭的3極ATS。

圖7轉(zhuǎn)換電路的缺點(diǎn)，是在轉(zhuǎn)換過程中兩個(gè)電源的中性線有一段時(shí)間連接在一起，在此期間整個(gè)轉(zhuǎn)換電路相當(dāng)于采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖3)，中性線電流的分流現(xiàn)象有可能造成接地故障電流檢測(cè)錯(cuò)誤和斷路器異常跳閘(圖4，圖5)。為此，可適當(dāng)調(diào)節(jié)接地故障保護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間，躲過轉(zhuǎn)換過程兩個(gè)電源的中性線重疊時(shí)間間隔。[!--empirenews.page--]

 

 

圖7 采用帶重疊中性線觸點(diǎn)的4極轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換電路

3.3 采用3極ATS和采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路的性能分析

綜上所述，當(dāng)前電信和數(shù)據(jù)中心低壓配電電路中，采用的市電/發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換電路主要有4種，這4種轉(zhuǎn)換電路的性能比較見表1。

表1 各種轉(zhuǎn)換電路的性能

序

號(hào)轉(zhuǎn)換電路 對(duì)GFP的影響 轉(zhuǎn)換過程中性線中斷 性能評(píng)價(jià)

13極ATS(發(fā)電機(jī)中性線經(jīng)市電中性線接地)見圖1。在有兩個(gè)以上ATS 的場(chǎng)合有影響。 無 在只有一個(gè)ATS 的系統(tǒng)中為理想的轉(zhuǎn)換電路。

23極ATS(發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處獨(dú)立接地)見圖3。影響嚴(yán)重。 無市電中性線在市電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)兩處接地，違反TN-S系統(tǒng)要求。

34極ATS(中性線先斷后合轉(zhuǎn)換)見圖6。無影響。 有轉(zhuǎn)換過程中性線有中斷，對(duì)下游負(fù)載有影響。

44極ATS(中性線先合后斷轉(zhuǎn)換或中性線重疊轉(zhuǎn)換)見圖7。在中性線重疊期間有影響，但可通過調(diào)節(jié)GFP動(dòng)作時(shí)間解決。 無對(duì)GFP和中性線中斷均無影響，是較理想的轉(zhuǎn)換電路。

圖1的3極ATS轉(zhuǎn)換電路在只有一個(gè)ATS的場(chǎng)合，是比較理想的轉(zhuǎn)換電路。

圖3的3極ATS轉(zhuǎn)換電路，在市電變壓器和發(fā)電機(jī)兩處接地，必然引起接地故障電流和中性線電流的分流，造成接地故障保護(hù)異常。此電路在工程中偶有所見，但屬于設(shè)計(jì)或施工的失誤，在市電低壓進(jìn)線開關(guān)采用接地保護(hù)的場(chǎng)合，應(yīng)避免采用圖3的轉(zhuǎn)換電路。

圖6和圖7的4極ATS轉(zhuǎn)換電路，解決了3極轉(zhuǎn)換關(guān)電路對(duì)接地故障保護(hù)裝置的影響的問題，近年來應(yīng)用日益增多。但由于采用的中性線轉(zhuǎn)換方案的不同，尚存在著轉(zhuǎn)換過程中性線中斷的問題，值得注意和研究，謹(jǐn)慎采用。圖6的電路轉(zhuǎn)換過程中性線有中斷現(xiàn)象，對(duì)下游電路特別是UPS有嚴(yán)重影響。圖7的轉(zhuǎn)換電路在中性線重疊期間對(duì)GFP裝置有影響，因此，要求中性線重疊時(shí)間不宜過長(zhǎng)，同時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)GFP的響應(yīng)時(shí)間。

下面著重討論4極ATS轉(zhuǎn)換過程引起的UPS 輸入電源中性線中斷對(duì)UPS的影響及解決辦法。

4 輸入電源中性線中斷對(duì)UPS的影響

4.1 UPS的接地系統(tǒng)和中性線基準(zhǔn)

UPS對(duì)其所連接的負(fù)載而言是一個(gè)交流電源，對(duì)市電電源而言是一個(gè)負(fù)載。也就是說，UPS涉及到兩個(gè)低壓供電系統(tǒng)，即上游供電系統(tǒng)和下游供電系統(tǒng)。上游接地系統(tǒng)是指市電至UPS輸入端的低壓接地系統(tǒng)，下游接地系統(tǒng)是指UPS輸出端至關(guān)鍵負(fù)載的低壓接地系統(tǒng)。

用于電信和數(shù)據(jù)中心、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的UPS，其上游和下游接地系統(tǒng)均應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。如前所述，TN-S是電信系統(tǒng)最理想的低壓接地系統(tǒng)，通信局(站)的低壓配電系統(tǒng)都采用

TN-S 系統(tǒng)，也就是說安裝在通信局站UPS的上游接地系統(tǒng)必然是TN-S系統(tǒng)。UPS的下游是為關(guān)鍵負(fù)載ICT(信息和通信技術(shù)設(shè)備)供電的，也應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。

圖8是當(dāng)前普遍采用的、有輸出變壓器的雙變換UPS的電路圖。如圖所示，UPS的上游接地系統(tǒng)為TN-S，UPS的下游接地系統(tǒng)也是TN-S。UPS的主輸入和旁路輸入均由副邊為Y型接法、中性點(diǎn)接地的市電變壓器供給，UPS輸出中性線和負(fù)載中性線固定接到市電

 

 

圖8 有變壓器UPS 的接地系統(tǒng)

電源的中性線，市電電源的中性線在低壓進(jìn)線柜中連接到接地極上。因此，UPS電源的輸出中性線不是獨(dú)立接地，而是通過上游電源的中性線接地。即UPS輸出中性線是由其輸出變壓器產(chǎn)生，而中性線的基準(zhǔn)(接地)是從市電的中性線取得的。

圖9是無變壓器UPS中性線連接的示意圖，市電輸入中性線與逆變器輸出的中性點(diǎn)(即蓄電池的中心點(diǎn))連接，其余與圖8完全能相同。因此，UPS 的中性線也是通過市電的中性線接地的。

 

 

圖9 無變壓器UPS 接地系統(tǒng)

UPS中性線基準(zhǔn)從市電輸入電源的中性線取得是比較經(jīng)濟(jì)的方法，但UPS的中性線基準(zhǔn)依賴于市電輸入電源中性線的基準(zhǔn)。當(dāng)UPS 上游電源轉(zhuǎn)換采用中性線先斷后合的4極ATS，或UPS 上游低壓進(jìn)線柜和UPS交流輸入配電屏采用4極斷路器時(shí)，就可能引起UPS 系統(tǒng)的中性線基準(zhǔn)斷開，導(dǎo)致UPS 和負(fù)載設(shè)備的工作異常。

4.2 UPS輸入中性線斷開的危害分析

(1)中性線長(zhǎng)時(shí)間斷開

中性線長(zhǎng)時(shí)間斷開，是指在正常供電的情況下中性線長(zhǎng)時(shí)間的斷開，而三個(gè)相線仍然正常連接和供電，即通常所說的“斷零”。“斷零”會(huì)使負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)偏移和三相電壓不平衡，負(fù)載較輕的一相電壓升高，負(fù)載較重的一相電壓下降，造成負(fù)載工作異常，甚至導(dǎo)致單相負(fù)載設(shè)備燒壞。

此外，“斷零”對(duì)UPS的危害還有以下幾方面。

① 導(dǎo)致需要三相4線電源供電的整流器和其他部件的運(yùn)行異常

② 導(dǎo)致UPS 邏輯電路的參考點(diǎn)丟失

在UPS控制電路中，中性線接地基準(zhǔn)是用作UPS邏輯電路的參考點(diǎn)的，如果系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，中性線接地基準(zhǔn)斷開，將會(huì)產(chǎn)生瞬變電壓，導(dǎo)致UPS檢測(cè)電路出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如，UPS誤認(rèn)為輸出電壓過高或過低而轉(zhuǎn)旁路，或者使UPS關(guān)機(jī)等。

③ 導(dǎo)致EMC/RFI抑制電路的功能失效

UPS和一些負(fù)載設(shè)備中的EMC/RFI抑制電路的功能，只能在預(yù)定的TN-S系統(tǒng)下有效，中性線基準(zhǔn)斷開后，配電系統(tǒng)的瞬變將可能超過EMC/RFI的抑制能力，因而影響UPS的正常運(yùn)行。

④ 導(dǎo)致UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)從TN-S轉(zhuǎn)換到IT系統(tǒng)

由于UPS的輸入中性線斷開，UPS輸出的中性線接地會(huì)丟失，因此使UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)均從TN-S轉(zhuǎn)變?yōu)镮T系統(tǒng)。這不符合YD/T5040《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。在這種情況下，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)相間短路或接地短路故障時(shí)，由于故障電流較小，不會(huì)使斷路器斷開。雖然第一次短路故障可以不斷開電源，但由于原TN-S系統(tǒng)一般無絕緣監(jiān)測(cè)和告警設(shè)備，因此存在更大的潛在的危害。[!--empirenews.page--]

(2) 中性線瞬時(shí)中斷

當(dāng)UPS上游市電和發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換采用先斷后合4極ATS時(shí)，UPS輸入中性線會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)中斷。中性線瞬時(shí)中斷與“斷零”不同，“中性線與相線轉(zhuǎn)換極同時(shí)動(dòng)作的4極ATS”，在轉(zhuǎn)換過程中相線和中性線同時(shí)斷開和同時(shí)接通，不存在使負(fù)載側(cè)中性點(diǎn)偏移和三相電壓不平衡的問題，但會(huì)使UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開。同樣，“中性線最后斷開，最先閉合的4極ATS”也只存在UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的問題。UPS輸出中性線不是斷線，UPS的逆變器仍然可以產(chǎn)生中性線，只是中性線沒有接地。

UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的危害與“斷零”對(duì)UPS的危害相同，參見本節(jié)的(1)中分析。

(3) 中性線基準(zhǔn)斷開對(duì)負(fù)載設(shè)備的危害

有些重要負(fù)載設(shè)備在UPS輸出中性線基準(zhǔn)斷開時(shí)受到的影響與UPS的情況類似。

4.3 對(duì)UPS 中性線的基本要求

IEC/EN62040-1-2和GB7260-4明確規(guī)定：在UPS輸出中性線依賴于輸入電源中性線的場(chǎng)合，應(yīng)提供適當(dāng)?shù)陌惭b設(shè)計(jì)說明，防止由于電源的隔離/轉(zhuǎn)換引起的中性線基準(zhǔn)的中斷現(xiàn)象。

CEMEP European UPS Guide也明確規(guī)定：許多UPS系統(tǒng)采用輸入電源的中性線作為UPS 輸出中性線的基準(zhǔn)，當(dāng)對(duì)UPS上游電源采用多電源隔離或轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)特別注意要確保輸入電源中性線基準(zhǔn)在UPS運(yùn)行期間不會(huì)斷開。

對(duì)UPS中性線的具體要求和措施介紹如下。

(1)UPS上游和下游均采用TN-S系統(tǒng)

輸入市電電源中性線固定接地，且僅在變壓器(或低壓進(jìn)線柜處)一處接地，UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)均為TN-S系統(tǒng)。

(2)UPS輸入中性線和輸出中性線連接

UPS輸出的中性線與市電輸入中性線連接，并通過市電中性線接地。

(3)UPS輸入中性線不應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間斷開

UPS上游低壓配電分路均應(yīng)采用3極斷路器，確保UPS上游的斷路器在任何狀態(tài)下，從市電中性點(diǎn)至UPS的中性線輸入端的電路都不會(huì)斷開。

(4)UPS輸入中性線不應(yīng)瞬時(shí)斷開

在UPS上游電源轉(zhuǎn)換的情況下，不允許UPS輸入中性線瞬時(shí)斷開。有些UPS可能在輸出端采用輸出隔離變壓器，或借助于輸出配電單元(PDU)中的隔離變壓器獲得新的與市電中性線隔離的、獨(dú)立接地的中性線。因此，可保證UPS輸出中性線接地基準(zhǔn)(即負(fù)載設(shè)備的輸入電源中性線接地基準(zhǔn))不會(huì)中斷(圖10)。但是，為了確保UPS自身的正常運(yùn)行，仍不允許UPS輸入中性線斷開。

 

 

圖10借助于輸出隔離變壓器產(chǎn)生獨(dú)立電源(SDS)的UPS

(5)嚴(yán)禁在UPS 輸出端將中性線與地線(PE)直接連接

應(yīng)該指出，不允許在UPS 輸出端將UPS 輸出中性線直接連接到接地極或PE線，這樣雖然可以保證UPS輸出中性線基準(zhǔn)的連續(xù)不斷，但由于TN-S系統(tǒng)的中性線多點(diǎn)接地，將會(huì)引發(fā)供電系統(tǒng)更嚴(yán)重的故障。

5 上游電源中性線轉(zhuǎn)換的UPS的解決方案

5.1 采用中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路

隨著配電系統(tǒng)對(duì)接地故障保護(hù)(GFP)要求越來越高，為保證GFP的正常運(yùn)行，多電源的中性線必須隔離，采用4極ATS已成為必然趨勢(shì)。其中中性線重疊轉(zhuǎn)換4極ATS轉(zhuǎn)換電路(圖7)既解決了對(duì)GFP的影響問題，又不會(huì)引起中性線中斷。而中性線先斷后合的4極ATS (圖6) 對(duì)UPS和負(fù)載設(shè)備運(yùn)行尚有嚴(yán)重影響，已被現(xiàn)場(chǎng)故障所證實(shí)。因此，在UPS 應(yīng)用中，中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路是唯一最佳選擇(圖11)。

此外，在暫未采用接地保護(hù)GFP的配電系統(tǒng)或采用了GFP保護(hù)裝置但系統(tǒng)中，只有一個(gè)ATS的場(chǎng)合，也可以采用圖1的3極ATS的轉(zhuǎn)換電路。

 

 

圖11 上游采用中性線重疊轉(zhuǎn)換ATS的UPS

5.2 采用中性線先斷后合4極ATS 的解決方案

如果UPS 上游已采用了中性線先斷后合4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖6)，可考慮采用以下方案。

(1)增加旁路隔離變壓器

如圖12所示，UPS的主輸入直接從副邊為Y型接法，中性線接地的市電變壓器電源引入;旁路輸入由同一電源的另一分路經(jīng)旁路隔離變壓器引入。旁路隔離變壓器的副邊也是Y型接法，中性點(diǎn)接地。旁路隔離變壓器的中性線連接接到UPS輸出中性線。實(shí)際上，UPS 的輸出中性線是通過旁路隔離變壓器的中性線接地的。這種接地電路的特點(diǎn)是如下。

① UPS的輸出中性線與旁路變壓器的中性線連接。旁路變壓器的中性線是通過旁路變壓器副邊產(chǎn)生并獨(dú)立接地，這個(gè)中性線基準(zhǔn)不會(huì)因上游中性線轉(zhuǎn)換而斷開，而且避免了與低壓配電系統(tǒng)中其它負(fù)載公用中性線的情況。因而有利于UPS輸出中性線對(duì)地電壓(零地電壓)的控制。

② UPS的輸出中性線和市電輸入電路的中性線通過旁路變壓器隔離。

③ 如果UPS設(shè)備與旁路變壓器的位置距負(fù)載比較近，可以有效抑制共模噪聲，確保UPS 輸出“零地電壓”較小。

 

 

圖12 用旁路隔離變壓器產(chǎn)生輸入中性線的UPS 接地系統(tǒng)

圖12 的電路適用于傳統(tǒng)有變壓器的UPS，隔離變壓器固定接在旁路電路中，因?yàn)檎髌髦恍枰?相3線電源(無中性線)，仍由市電變壓器供電，在正常情況下工作于整流-逆變的雙變換方式，由市電直接供電，沒有因增加了旁路變壓器而增加損耗。

(2)增加UPS 輸入變壓器

因?yàn)闊o變壓器UPS的整流器也需要3相4線(包括中性線)電源，上述隔離變壓器必須同時(shí)為整流器和旁路提供3相4線電源。實(shí)際上，對(duì)于無變壓器UPS，需要增加一臺(tái)輸入隔離變壓器，主輸入和旁路輸入均由這個(gè)輸入隔離變壓器供電(見圖13)。[!--empirenews.page--]

 

 

圖13 用輸入隔離變壓器產(chǎn)生輸入中性線的UPS 接地系統(tǒng)

(3)UPS 直接接入中性線中斷的電源的可能性探討

在采用中性線先斷后合4極ATS的情況下，假設(shè)某UPS設(shè)備在輸入電源中性線中斷100ms～200ms的情況下, 不會(huì)引起UPS工作異常;而且低壓配電系統(tǒng)市電和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換電路的4極ATS產(chǎn)品，在轉(zhuǎn)換過程中中性線中斷時(shí)間小于50ms～60ms。在理論上，這種情況可以考慮直接接入中性線中斷的低壓配電系統(tǒng)電源，但需經(jīng)廠家承諾和試驗(yàn)核實(shí)，慎重設(shè)計(jì)。

值得注意的是，在以上情況下，盡管UPS可以正常運(yùn)行，但中性線中斷現(xiàn)象對(duì)UPS下游負(fù)載的影響依然存在，這可以通過采用輸出隔離變壓器(如圖10)或利用UPS輸出精密配電柜中的隔離變壓器加以解決。即由隔離變壓器的副邊產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立接地的中性線，構(gòu)成一個(gè)新的TN-S系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

(1) 為確保市電低壓配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)(GFP)的正常運(yùn)行，市電和備用發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)采用4極ATS。

(2) 為確保ATS下游的UPS設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)采用中性線重疊轉(zhuǎn)換(或中性線先合后斷轉(zhuǎn)換)的4極ATS。

(3) 市電低壓配電柜和UPS輸入配電柜應(yīng)采用3極斷路器(在有總等電位聯(lián)結(jié)的情況下，TN-S系統(tǒng)一般不需要設(shè)4極開關(guān))，以確保UPS的輸入中性線不會(huì)斷開。

(4) 如果UPS上游的市電和發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)換電路，已采用了中性線先斷后合的4極ATS, UPS可采用旁路隔離變壓器或輸入隔離變壓器解決方案。

參考文獻(xiàn)

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[6] JGJ/T16-2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范

作者簡(jiǎn)介

劉希禹，中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司教授級(jí)高工，長(zhǎng)期從事通信電源研究設(shè)計(jì)工作。曾獲全國(guó)科技大會(huì)獎(jiǎng)和省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)多項(xiàng)，出版專著二冊(cè)，發(fā)表論文70余篇，多次參加國(guó)際電信能源會(huì)議(INTELEC)并發(fā)表論文。享受國(guó)務(wù)院政府津貼。