一種UPS漏電保護探討

由于工作需要，在我們研制的供電系統中，既要求具有漏電保護的功能，又要求電源具有不間斷的能力。所以，我們在每個(gè)供電系統中采用了一臺3kVA高頻在線(xiàn)式不間斷電源和一臺30mA的定時(shí)漏電保護斷路器。在一個(gè)供電系統調試過(guò)程中，多次出現過(guò)下述現象：市電正常時(shí)，高頻在線(xiàn)式不間斷電源空載啟動(dòng)，當輸出繼電器動(dòng)作，切斷旁路，接通逆變電路時(shí)，市電斷路器的漏電保護動(dòng)作，從而切斷了市電。似乎驗證了目前的一種說(shuō)法；UPS的前端不能加裝帶有漏電保護的斷路器。為此，對其進(jìn)行了探討。

l UPS正常開(kāi)機工作

市電正常時(shí)，高頻在線(xiàn)式不間斷電源空載啟動(dòng)，當UPS接到開(kāi)機命令后，開(kāi)機電路開(kāi)始工作。主電路首先通過(guò)旁路輸出。當CPU檢測到逆變器工作正常后，發(fā)出控制信號，驅動(dòng)輸出繼電器動(dòng)作，切斷旁路，接通逆變電路，完成UPS的開(kāi)機過(guò)程。在我們研制的8個(gè)供電系統中，有7個(gè)供電系統的UPS開(kāi)機工作一直正常。

2 UPS的漏電保護動(dòng)作現象

在我們研制的供電系統中，出現過(guò)引言中所述的現象，因此，無(wú)法利用市電供電。應該說(shuō)明的是，這種UPS的漏電保護動(dòng)作的現象并非在每次UPS啟動(dòng)時(shí)都出現。在8個(gè)供電系統中，只在一個(gè)系統中多次出現過(guò)。

3 UPS的漏電保護誤動(dòng)作原因分析

3.l 不間斷電源輸出部分電路圖

對上述現象，最初我們以為UPS的主電路板和控制板有問(wèn)題，在更換新的主電路板和控制板后，現象依舊。后來(lái)分別更換了新的充電板和輸入濾波板，仍然不能排除。最后，懷疑輸出電源濾波器有問(wèn)題。干脆拆掉輸出電源濾波器，uPs就可以正常啟動(dòng)了。說(shuō)明問(wèn)題可能與輸出電源濾波器有大。

該UPS輸出部分的電路圖如圖l所示．UPS的市電輸入、斷路器、漏電保護以及UPS的大部分沒(méi)有畫(huà)出。

3.2原因分析

3.2.1電源濾波器

該UPS設置輸出電源濾波器的目的主要是要濾掉電源輸出中的高頻干擾，同時(shí)降低電源波形的止弦失真度。電源線(xiàn)中的干擾分為兩種：

——共模干擾，即在火線(xiàn)與地線(xiàn)間、中線(xiàn)與地線(xiàn)間存在的干擾，共模干擾在火線(xiàn)與中線(xiàn)中同時(shí)存在，大小相等，相位相同；

——差模干擾，即在火線(xiàn)與中線(xiàn)問(wèn)存在的干擾，差模干擾在火線(xiàn)與中線(xiàn)中同時(shí)存在，大小相等，相位相反。

由于電源線(xiàn)中往往同時(shí)存在上述兩種干擾，因此，一般電源濾波器由共模濾波電路(L1、L2和Cy)和差模濾波電路(L1和L2的差值與Cx)綜合構成。其中L1和L2為繞在同一磁環(huán)上的兩個(gè)匝數相同、繞向相同的獨立線(xiàn)圈，當電源頻率分量經(jīng)過(guò)時(shí)，由于磁通抵消，電感很小，易于通過(guò)。當共模頻率分量經(jīng)過(guò)時(shí)，由于磁通相加，電感很大，不易通過(guò)而被抑制。

共模電感L1和L2一般在零點(diǎn)幾至幾十mH．共模電容Cy一般要在漏電流較小的前提下，取較大值。差模電感一般在幾十至幾百μH，差模電容Cx要選擇耐電壓足夠的陶瓷或聚酯電容器。市場(chǎng)上賣(mài)的電源濾波器一般是對共模干擾設計的，如果要對差模干擾起作用，應該另外增加兩個(gè)獨立的差模抑制電感。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料(1J8510.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國產(chǎn)ZW-1)效果較好，而不用開(kāi)口鐵氧體材料。

該UPS設置的20A電源濾波器的參數為：L1=0.7mH,Cx=0.47μF,Cy=4.7nF。

3.2.2漏電保護器

該供電系統設置漏電保護囂的主要目的是要保護人身和設備的安全。因為，當系統中的電氣設備絕緣性能下降時(shí)，不僅電氣設備存在隱患，而且威脅到工作人員的安全。

3.2.2.l 漏電流

1)穩態(tài)或靜態(tài)漏電流是指在250V交流電壓條件下，濾波器能安全工作所規定的最大漏電流。它由兩部分組成，即電容電流Lc，絕緣電阻泄漏電流IL。

Ic=2πfUCy　　 （1）

式中：f為電源頻率；

U為加在電容上的電壓；

Cy為共模電容量。

由式(1)可知，電容電流與

電源頻率、加在電容上的電壓和共模電容量成正比。

IL=U/R1　　 （2）

式中：RL為泄漏電阻，它包括電容內的體電阻和電容外的絕緣泄漏電阻。

2)非穩態(tài)或動(dòng)態(tài)漏電流是當輸出繼電器動(dòng)作，接通逆變電路時(shí)，在等效電阻r、電感L和電容C串聯(lián)電路接通正弦電源的過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的電流。在這種過(guò)渡過(guò)程中可能產(chǎn)生較大的振蕩衰減的漏電流。其中，L=L1,C=Cy。其簡(jiǎn)化電路如圖2所示。

式中：Um為電源電壓的峰值；

ω為電源電壓的角頻率；

Ψ為電路接通時(shí)電源電壓的初相角。

該電路的電流強制分量為

當電路中的電阻較小時(shí)，即，電路產(chǎn)生振蕩，電容器上的電壓和電流分別為

　　

忽略電阻的影響，將電路參數L=0.7 mH，C=4.7 nF代入上述公式中，由于電路自由振蕩角頻率遠遠高于電源角頻率314rad／s，所以電路產(chǎn)生振蕩。當Ψ=φ時(shí)，電路中產(chǎn)生的最大過(guò)電流有效值高達570mA以上。這可能引起30mA的大于O.ls的定時(shí)漏電保護器動(dòng)作。實(shí)際上，電路接通時(shí)正弦電源電壓的初相角Ψ為隨機量．大部分并不等于電路交流阻抗的相位角φ，所產(chǎn)生的過(guò)電流不一定超過(guò)30 mA；另外，電路中存在電阻，使電路中產(chǎn)生的過(guò)電流峰值降低和衰減，所產(chǎn)生的過(guò)電流也不一定超過(guò)30mA，電路中產(chǎn)生過(guò)電流的時(shí)間不一定超過(guò)0.1s。

實(shí)際情況是，在我們研制的8個(gè)供電系統中，只在一個(gè)系統中多次出現過(guò)UPS空載啟動(dòng)時(shí)，市電斷路器的漏電保護動(dòng)作，切斷了市電的現象，但是，也不是每次UPS空載啟動(dòng)時(shí)都出現市電斷路器漏電保護動(dòng)作的現象。

我們對上述電路接通正弦電源時(shí)，漏電流的過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了上百次測試，測試時(shí)利用霍爾電流傳感器測量漏電流，測試電壓與漏電流的轉換比例為100mA／lV。典型測試圖見(jiàn)圖3～圖6。

 

由圖3測量到，漏電流最高峰值為106mA，漏電流衰減時(shí)間為幾百μS。

由圖4測量到。漏電流最高峰值為298mA，漏電流衰減時(shí)間為幾百μS，漏電流第一個(gè)振蕩脈寬為4μS。

由圖5測量到，漏電流最高峰值為152mA，漏電流衰減時(shí)間為幾百μS。

由圖6測量到，漏電流最高峰值為408mA，漏電流衰減時(shí)間為幾百μS。

從上述測試中可以看到．由于電路接通時(shí)正弦電源電壓的仞相角Ψ為隨機量，大部分并不等于電路交流阻抗的相位角φ，所以電路中產(chǎn)生的過(guò)電流峰值大小不是崮定值，但是一般都超過(guò)30mA；由于電路中存在電阻，致使電路中產(chǎn)生的過(guò)電流峰值衰減很陜，一般漏電流衰減時(shí)間為幾百μS。

3)上述電路切斷正弦電源與接通正弦電源相比較可能具有更大的危害性，即當在電路中的電感電流最大時(shí)刻切斷正弦電源，電感中的能量將會(huì )轉移到電容器中，從而導致電容器的電壓升高。這不僅會(huì )引起電容電流的增大，而且會(huì )影響電容器的安全運行和降低火線(xiàn)對地線(xiàn)的絕緣性能。因此，對這種工作狀態(tài)也應當給予相應的關(guān)注。

3.2.2.2漏電保護

電流對人體的傷害程度與通過(guò)人體電流的大小、持續時(shí)間、電流通過(guò)人體的途徑、電流的種類(lèi)和人體的狀況等多種因素有關(guān)。

工頻電流對人體的作用見(jiàn)表l。一般取工頻電流對人體的作用安全值為30mA