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(kāi)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(lái)，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(guò)程中性線可能有中斷，導(dǎo)致UPS中性線基準(zhǔn)(接地)斷開(kāi)，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(kāi)，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(wèn)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(lèi)及原理，分析中性線基準(zhǔn)斷開(kāi)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(chēng)負(fù)載和非線性負(fù)載時(shí)，中性線N中有電流流過(guò)，但保護(hù)地線PE中在正常時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，因此保護(hù)地線PE上沒(méi)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(kāi)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(shuō)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(chēng)負(fù)載和有非線性負(fù)載時(shí)，其PEN線中有電流流過(guò)，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(wèn)題：① 對(duì)于單相負(fù)載設(shè)備，如果PEN線斷開(kāi)，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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)，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(kāi)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(wèn)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(lèi)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(guò)程中中性線沒(méi)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(guò)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(guò)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

應(yīng)該指出，圖1是采用3極ATS時(shí)的正確電路，過(guò)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(kāi)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(wú)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(guò)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(kāi)關(guān)(3極ATS-1)返回市電電源。因?yàn)檫@部分電流未經(jīng)過(guò)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(wú)接地故障時(shí)異常跳閘。

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