中性線(xiàn)的轉換對UPS電源性能的影響和對策

1 引言

在UPS供電系統中，UPS設備位于交流輸入電源和關(guān)鍵負載之間，其上游是交流輸入電源亦即低壓配電系統，下游是各種關(guān)鍵負載。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)行適當的變換和調節，供給負載穩定可靠地交流電源。當市電電源停電或技術(shù)指標超出預定的容限時(shí)，UPS利用內部?jì)δ苎b置(蓄電池)繼續運行為負載供電。市電長(cháng)時(shí)間停電時(shí)，則必須啟動(dòng)備用發(fā)電機組供電。

在電信和數據中心等重要應用場(chǎng)合，低壓配電系統通常采用兩路市電和多臺變壓器，并配置一臺或多臺備用發(fā)電機組。為了確保UPS輸入電源的供給，市電與備用發(fā)電機組之間需要進(jìn)行轉換。

傳統的轉換電路采用3極自動(dòng)轉換開(kāi)關(guān)(ATS)。在3極ATS的轉換電路中，當配電電路中發(fā)生接地故障時(shí)，接地故障電流有分流現象，導致接地故障保護裝置(GFP)拒動(dòng)。此外，中性線(xiàn)電流的分流將導致接地故障保護裝置誤動(dòng)。近年來(lái)，在重要應用中均要求采用具有包括GFP的4段保護斷路器，為了避免接地故障保護裝置工作異常，4極ATS的轉換電路應用日益增加。4極ATS的轉換電路除了轉換3個(gè)相線(xiàn)外，還增加第4個(gè)極轉換中性線(xiàn)，4極ATS的特點(diǎn)，是保證互相轉換的兩個(gè)電源完全隔離，消除了接地故障電流和中性線(xiàn)電流的分流，保證了接地故障保護裝置的正常工作。但轉換過(guò)程中性線(xiàn)可能有中斷，導致UPS中性線(xiàn)基準(接地)斷開(kāi)，引發(fā)UPS系統故障。

現已發(fā)現由于中性線(xiàn)基準斷開(kāi)，引起UPS設備工作異常，甚至導致UPS停機和負載停電的嚴重故障。UPS上游電源中性線(xiàn)的轉換對GFP和UPS的影響，已成為最受關(guān)注和亟待解決的問(wèn)題。也是當前UPS系統設計必須考慮的重要內容。

本文討論UPS上游電源轉換電路的種類(lèi)及原理，分析中性線(xiàn)基準斷開(kāi)對UPS運行的影響，提出工程設計實(shí)用解決方法。

2 電信和數據中心低壓配電接地系統和保護要求

按照YD/T5040-2005《通信電源設備安裝工程設計規范》的規定，電信和數據中心的低壓交流供電系統應采用TN-S系統。

TN-S系統具有許多優(yōu)越性，例如，在TN-S系統中，有三相不對稱(chēng)負載和非線(xiàn)性負載時(shí)，中性線(xiàn)N中有電流流過(guò)，但保護地線(xiàn)PE中在正常時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，因此保護地線(xiàn)PE上沒(méi)有電壓，對于設備機殼接保護地線(xiàn)PE的各個(gè)負載設備不會(huì )產(chǎn)生電磁干擾，所以適用于通信、數據處理和精密電子設備的應用場(chǎng)合。TN-S系統當保護地線(xiàn)PE斷開(kāi)時(shí)，在正常情況下不會(huì )使負載設備機殼接保護地線(xiàn)PE的設備機殼帶電，比較安全。

需要說(shuō)明的是，TN系統包括TN-S、TN-C和TN-C-S三個(gè)分系統，而電信和數據中心一般只采用TN-S系統。TN-C系統的PEN 線(xiàn)有PE線(xiàn)和N線(xiàn)的作用，可節省一根導線(xiàn)。但是，TN-C系統在有三相不對稱(chēng)負載和有非線(xiàn)性負載時(shí)，其PEN線(xiàn)中有電流流過(guò)，因此對機殼接PEN線(xiàn)的各個(gè)負載設備會(huì )產(chǎn)生電磁干擾。TN-C系統還存在以下問(wèn)題：① 對于單相負載設備，如果PEN線(xiàn)斷開(kāi)，則設備外殼將帶220V故障電壓;② 不能直接裝設GFP(或RCD)保護器。 TN-C-S系統在前面一段配電系統具有TN-C系統的特性，在后面一段配電系統具有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，現在已不允許采用。TN-C-S系統僅在特殊情況下采用, 但應特別注意，禁止在TN-S后面再采用TN-C系統。

TN-S系統的保護，主要有過(guò)載長(cháng)延時(shí)、短路短延時(shí)、短路瞬時(shí)、接地故障保護。其中接地故障保護(GFP)是指相線(xiàn)與電氣設備外露可導電部分(如機殼、建筑金屬構件等)之間的短路，這與相線(xiàn)與中性線(xiàn)之間的短路、相線(xiàn)之間的短路不同。接地故障電流較小，常常不能使過(guò)流保護電器動(dòng)作。接地故障點(diǎn)有時(shí)會(huì )出現電弧，故有易引起火災的危險。因此，GFP接地故障保護十分重要。根據NEC的要求， TN系統中大于(等于)1000A的斷路器必須采用GFP，歐盟有些國家已將GFP定為強制性要求。近年來(lái)，我國電信和數據中心等的低壓配電系統工程中，重要開(kāi)關(guān)均要求具有GFP接地故障保護功能。因此，如下所述，在進(jìn)行市電和發(fā)電機轉換電路設計時(shí)，應特別注意與GFP兼容的問(wèn)題。

3 市電電源與備用發(fā)電機組的轉換電路

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

3.1 采用3極ATS的轉換電路

傳統的市電和發(fā)電機轉換電路采用3極ATS,只進(jìn)行三個(gè)相線(xiàn)的轉換，不進(jìn)行中性線(xiàn)的轉換。市電和發(fā)電機組中性線(xiàn)是公用的(兩者的中性線(xiàn)固定連接在一起)。3極ATS 轉換電路在轉換過(guò)程中中性線(xiàn)沒(méi)有中斷現象。

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

(1) 發(fā)電機中性線(xiàn)通過(guò)市電中性線(xiàn)接地的轉換電路

圖1示出傳統采用3 極ATS的轉換電路，發(fā)電機的中性線(xiàn)與市電中性線(xiàn)連接并在市電進(jìn)線(xiàn)柜處接地。發(fā)電機組的中性線(xiàn)在發(fā)電機處不接地，發(fā)電機組的機座通過(guò)PE線(xiàn)在市電進(jìn)線(xiàn)柜接地。

在這種轉換電路中，因為電源系統的中性線(xiàn)僅在市電進(jìn)線(xiàn)柜一處接地，對于接地故障的檢測是安全可靠的。在市電供電的情況下，如果發(fā)生了接地故障，接地故障保護裝置(GFP)將會(huì )正確地檢測出接地故障電流，發(fā)出信號，使市電進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

應該指出，圖1是采用3極ATS時(shí)的正確電路，過(guò)去曾長(cháng)期應用，一般情況下是比較理想的。但是，隨著(zhù)配電電路對接地故障保護的需求，圖1 的3極ATS 轉換電路暴露出一些缺點(diǎn)，例如：因為發(fā)電機的中性線(xiàn)不在發(fā)電機處接地，在發(fā)電機側不能實(shí)現接地故障檢測(注：目前發(fā)電機輸出斷路器一般不設接地保護，但當有接地故障時(shí)應告警，故需要進(jìn)行接地故障檢測)。

值得特別注意的是，如果供電系統中有多個(gè)轉換開(kāi)關(guān),有可能造成中性線(xiàn)電流的分流，使接地故障的檢測出現錯誤，導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(xiàn)電流會(huì )在市電和發(fā)電機的中線(xiàn)之間分配，流經(jīng)3極ATS-2的中性線(xiàn)電流有一部分通過(guò)市電中性線(xiàn)返回市電電源，其余電流將流向發(fā)電機的中性線(xiàn)，并經(jīng)另一個(gè)轉換開(kāi)關(guān)(3極ATS-1)返回市電電源。因為這部分電流未經(jīng)過(guò)GFP-2檢測電路，被認為是接地故障電流，故可能引起接地故障保護斷路器K2在無(wú)接地故障時(shí)異常跳閘。

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