中性線的轉(zhuǎn)換對UPS電源性能的影響和對策

圖7 采用帶重疊中性線觸點的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

號轉(zhuǎn)換電路 對GFP的影響 轉(zhuǎn)換過程中性線中斷 性能評價

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

23極ATS(發(fā)電機中性線在發(fā)電機處獨立接地)見圖3。影響嚴(yán)重。 無市電中性線在市電進線柜和發(fā)電機兩處接地，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，對下游負載有影響。

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動作時間解決。 無對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ATS的場合，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，造成接地故障保護異常。此電路在工程中偶有所見，但屬于設(shè)計或施工的失誤，在市電低壓進線開關(guān)采用接地保護的場合，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)電路對接地故障保護裝置的影響的問題，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GFP裝置有影響，因此，要求中性線重疊時間不宜過長，同時應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)GFP的響應(yīng)時間。

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UPS的影響及解決辦法。

4 輸入電源中性線中斷對UPS的影響

4.1 UPS的接地系統(tǒng)和中性線基準(zhǔn)

UPS對其所連接的負載而言是一個交流電源，對市電電源而言是一個負載。也就是說，UPS涉及到兩個低壓供電系統(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)鍵負載的低壓接地系統(tǒng)。

用于電信和數(shù)據(jù)中心、計算機系統(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、中性點接地的市電變壓器供給，UPS輸出中性線和負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線柜中連接到接地極上。因此，UPS電源的輸出中性線不是獨立接地，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(即蓄電池的中心點)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 上游低壓進線柜和UPS交流輸入配電屏采用4極斷路器時，就可能引起UPS 系統(tǒng)的中性線基準(zhǔn)斷開，導(dǎo)致UPS 和負載設(shè)備的工作異常。

4.2 UPS輸入中性線斷開的危害分析

(1)中性線長時間斷開

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

此外，“斷零”對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行異常

② 導(dǎo)致UPS 邏輯電路的參考點丟失

在UPS控制電路中，中性線接地基準(zhǔn)是用作UPS邏輯電路的參考點的，如果系統(tǒng)在運行時，中性線接地基準(zhǔn)斷開，將會產(chǎn)生瞬變電壓，導(dǎo)致UPS檢測電路出現(xiàn)錯誤，例如，UPS誤認為輸出電壓過高或過低而轉(zhuǎn)旁路，或者使UPS關(guān)機等。

③ 導(dǎo)致EMC/RFI抑制電路的功能失效

UPS和一些負載設(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)計規(guī)范》的要求。在這種情況下，當(dāng)負載出現(xiàn)相間短路或接地短路故障時，由于故障電流較小，不會使斷路器斷開。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)測和告警設(shè)備，因此存在更大的潛在的危害。