電源：小容量UPS的操作過電壓防護方案

標簽：UPS 不間斷電源 過壓防護

0. 敘詞

在建筑、通訊、電力等領域，過電壓防護已經(jīng)成為必不可缺的部分，而UPS(不間斷電源)作為供電系統(tǒng)，其過電壓防護技術及應用仍然不能得到正確的理解，甚至受到忽視。本文結(jié)合實際，針對UPS應用當中的過電壓防護需求，提出適當?shù)慕鉀Q方案。

1.過電壓防護概念的變化

當遠處發(fā)生雷擊時，雷電浪涌通過電網(wǎng)或通訊線路傳輸?shù)皆O備端，雖然不一定立即損毀設備，也會對設備內(nèi)部造成累計性損害。另外，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，設備遭受來自線路上的其它浪涌干擾(例如各種動力設備啟動運行時對電網(wǎng)所帶來的操作過電壓現(xiàn)象)的可能性也很高，其對設備的影響可能更大。

因此，再簡單直觀地認定“沒有雷電就不需要過電壓防護”，顯然是不正確的?？梢哉f，目前的過電壓防護工作已經(jīng)由傳統(tǒng)的防雷轉(zhuǎn)向直擊雷、雷電電磁脈沖、地電位反擊和操作過電壓的綜合防護。

2. UPS應用中的“防雷”誤區(qū)

2.1 誤區(qū)之一：“防雷器”只是防雷

在UPS實際應用中，經(jīng)常會遇到這種情況：明明是晴空萬里，感覺不到任何雷電的現(xiàn)象，UPS內(nèi)置的“防雷器”卻損壞了。用戶說是UPS機器質(zhì)量有問題，可UPS本身卻仍然可以繼續(xù)正常工作。

如果附近沒有重型的動力設備，要想用“操作過電壓”來說服用戶，恐怕也不太容易。事實上，國外對此類普通低壓配電線路上的各種電壓浪涌情況，也有不少統(tǒng)計和報道。例如美國的一則統(tǒng)計表明：在10000小時內(nèi)，在線間發(fā)生的各種電壓值浪涌的次數(shù)，超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達到800余次，其中超過1000V的就有300余次。

可想而知，根本不需要雷電作用，要讓“防雷器”動作或損壞，是完全可能的。

2.2 誤區(qū)之二：廉價“防雷器”也防雷

不少用戶出于對相關規(guī)定的考慮，要求UPS在較低價格的條件下，也要配置“防雷器”，個別廠家為了“滿足”用戶要求，隨便裝個小壓敏電阻也稱作“有防雷”。事實上，一般小通流容量的壓敏電阻只能具備一定的過電壓防護作用，如果確實需要防雷，就必須考慮足夠的通流容量器件及相關的成本。

3.　UPS的過電壓防護需求

UPS作為供電系統(tǒng)，必然存在來自多個方面的線路連接，包括市電交流輸入、UPS交流輸出、通信接口等。嚴格來說，這三個端口都應設置過電壓防護。本文主要討論交流端口的操作過電壓防護問題

UPS的過電壓防護包含兩重的意義：一方面，來自外部的各種浪涌或電壓尖峰對UPS構(gòu)成一定影響，需要進行防護;另一方面，這些浪涌或電壓尖峰有可能透過UPS影響到負載，必要時也需要進行防護。

4.　小容量UPS的電源過電壓防護特征

配置大型UPS的數(shù)據(jù)中心或控制中心，其所在的建筑物或機房一般都具備比較完善的整體防雷系統(tǒng)，到達UPS端的過電壓殘值不高;而小UPS的使用環(huán)境則比較差，除了防雷，還要考慮對周邊電網(wǎng)上的操作過電壓的浪涌沖擊防護。

另一方面，大型UPS成本空間較多，防護方案容易實現(xiàn);而小UPS則成本捉襟見肘，所能采用的防護手段和器件有限。

5.　小容量UPS的電源過電壓防護方案

過電壓防護措施的效果和成本與其器件和方案的選擇有著重要的關系。選擇較低動作電壓和較大通流容量的SPD器件可以降低其殘壓，但動作電壓太低會由于電源的不穩(wěn)造成SPD器件頻繁動作而提前失效，通流容量較大則造成防護成本過高。通常情況下，小容量UPS主要還不是考慮防雷，而是對電源操作過電壓的防護。

5.1 早期的方案

在早期的設計中，出于成本考慮，小UPS與其他普通電源產(chǎn)品類似，一般是在220Vac輸入EMI上采用14D471的氧化鋅壓敏電阻(MOV)進行過電壓防護。

一般的14D471壓敏電阻產(chǎn)品，其通流容量大約在6kA(8/20μs，一次)以下，這在電網(wǎng)穩(wěn)定的地區(qū)沒有問題，但是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)，采用14D471的壓敏電阻是比較容易損壞的，這是由于操作過電壓浪涌與雷電浪涌相比，幅度雖然較低，但持續(xù)時間較長，而且呈周期性，這對于通流容量較小的壓敏電阻來說，吸收浪涌的熱量連續(xù)積累而來不及散發(fā)，是非常容易損壞的。

5.2 方案的改進

一種方案是增加MOV的通流容量，例如選用20D471、25D471甚至32D471的MOV器件，使通流容量提高到10kA至25KA(8/20μs，一次)左右。這樣，既能夠承受較長時間或周期性的過電壓能量瀉放，也能夠令線上的殘壓保持在較低水平。不過，這會使防護成本大大增加(數(shù)十倍的增加)。

另一種方案是增加MOV的動作電壓，例如選用14D561或14D621等MOV器件，使動作電壓從470V提高到560V或620V。這樣，在不改變通流容量的情況下，大大減少了MOV的動作機率和瀉能時間，而又不增加成本。不過，這會使線上的殘壓有所提高。

氣體放電管(GDT)是一種新型的適合采用的SPD器件，由于其價格也還比較便宜。與MOV相比較，GDT具有如下重要的特點：

A). GDT比之MOV具有較好的重復放電特性，不易損壞。

B). MOV是箝位型元件，而GDT則是短路型元件。一旦GDT動作之后，呈近似短路的低阻狀態(tài)，其短路動作將可能持續(xù)半個周波(10ms)左右，直至過零點時才能中斷。因此，如圖二所示，氣體放電管一般需要與短路保護器件(例如保險絲或斷路器等)配合使用。

C). GDT的動作電壓精度較MOV要低，通常MOV的動作電壓精度為±10%，而GDT的動作電壓精度為±20%。

對于戶外型UPS，由于雷電浪涌及操作過電壓頻繁，考慮到短路保護器件的恢復并不方便，一般不宜直接采用氣體放電管作過電壓防護器件。