中性線(xiàn)的轉換對UPS電源性能的影響和對策

圖1 采用3極ATS市電和發(fā)電機轉換電路(發(fā)電機中性線(xiàn)通過(guò)市電進(jìn)線(xiàn)柜接地)

圖2 具有多個(gè)3極轉換開(kāi)關(guān)的轉換電路(市電供電時(shí)中線(xiàn)電流的分流的情況)

(2)發(fā)電機組中性線(xiàn)在發(fā)電機處接地的轉換電路

圖3示出采用3 極ATS，而發(fā)電機中性線(xiàn)在發(fā)電機處單獨接地的轉換電路。由發(fā)電機中性點(diǎn)引出的中性線(xiàn)與市電的中性點(diǎn)連接，發(fā)電機組的機座與中性點(diǎn)連接并在發(fā)電機處接地。在這種轉換電路中，由于市電電源系統中性線(xiàn)在市電進(jìn)線(xiàn)柜和發(fā)電機兩處接地，會(huì )引起中性線(xiàn)電流和接地故障電流的分流，影響接地故障保護裝置的正常工作。

圖3 采用3極ATS 的市電和發(fā)電機轉換電路(發(fā)電機中性線(xiàn)在發(fā)電機處獨立接地)

圖4示出在市電供電的情況下，當發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流IGF分流的情況。IGF有一部分通過(guò)自故障點(diǎn)至發(fā)電機中性點(diǎn)的PE線(xiàn)、發(fā)電機組中性點(diǎn)和公共的中性線(xiàn)N返回市電中性點(diǎn)，因而沒(méi)有被GFP檢測到。這可能造成有接地故障時(shí)接地故障保護裝置拒動(dòng)。

圖5 示出這種轉換電路的另一個(gè)問(wèn)題：中性線(xiàn)電流IN被分流。如圖所示，IN有一部分經(jīng)公共中性線(xiàn)、發(fā)電機的中性點(diǎn)和發(fā)電機組的接地線(xiàn)返回市電電源。這將可能出現GFP檢測器的對故障電流的誤檢測，造成在無(wú)接地故障時(shí)接地保護裝置誤動(dòng)。

圖4 采用3極ATS(發(fā)電機中性線(xiàn)獨立接地)接地故障電流分流的情況

圖5 采用3極ATS(發(fā)電機中性線(xiàn)獨立接地)中性線(xiàn)電流分流的情況

3.2 采用4極ATS的轉換電路

如前所述，傳統的市電/發(fā)電機轉換電路采用3極ATS，是不轉換中性線(xiàn)的轉換電路，無(wú)論發(fā)電機的中性線(xiàn)在何處接地，市電和發(fā)電機的中性線(xiàn)都是固定連接的。因而出現了接地故障電流和中線(xiàn)電流的分流現象，導致接地故障電流的檢測錯誤。顯而易見(jiàn)，為了避免上述種種問(wèn)題，應該進(jìn)行中性線(xiàn)的轉換，使市電和發(fā)電機組完全隔離。轉換中性線(xiàn)的市電和發(fā)電機轉換電路采用4極ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設計規范》規定：正常供電電源與備用發(fā)電機之間的轉換開(kāi)關(guān)應采用4極開(kāi)關(guān);帶接地故障保護的雙電源轉換開(kāi)關(guān)應采用4極開(kāi)關(guān)。

4極ATS有中性線(xiàn)斷開(kāi)的轉換開(kāi)關(guān)和中性線(xiàn)觸頭重疊轉換的轉換開(kāi)關(guān)兩種。

(1) 采用中性線(xiàn)斷開(kāi)的4極ATS的轉換電路

在圖6的電路中采用4極ATS，除了轉換三個(gè)相線(xiàn)外，還利用第四個(gè)極轉換中性線(xiàn)。實(shí)現了市電和發(fā)電機的完全隔離。發(fā)電機的中性線(xiàn)和機座在發(fā)電機處獨立接地，與市電中性線(xiàn)沒(méi)有連接。因此，發(fā)電機是“獨立系統”。這個(gè)電路消除了由于中性線(xiàn)多點(diǎn)接地而引起的接地故障檢測錯誤和斷路器的異常跳閘(圖4，圖5)。此外，在發(fā)電機輸出也可以進(jìn)行接地故障檢測和告警。

中性線(xiàn)斷開(kāi)的4極ATS采用“先斷后合”的方式進(jìn)行轉換，在轉換過(guò)程中，兩個(gè)電源接地的中線(xiàn)沒(méi)有連接到一起，不會(huì )引起接地故障檢測的錯誤。中性線(xiàn)轉換極與相線(xiàn)轉換極同時(shí)動(dòng)作，以防止在感性負載的存在的情況下，如果中性線(xiàn)極先于相線(xiàn)極斷開(kāi)，在中性線(xiàn)上產(chǎn)生瞬變高壓和電弧、觸頭腐蝕的現象。

有的4 極ATS設計為中性線(xiàn)相對于相線(xiàn)，最后斷開(kāi)，最先閉合;即所謂中性線(xiàn)較相線(xiàn)“先合后分”，以減少轉換中性線(xiàn)時(shí)產(chǎn)生電壓瞬變的可能性。這種轉換開(kāi)關(guān)的中性線(xiàn)極的結構與相線(xiàn)極的結構相同，即中性線(xiàn)觸頭與相線(xiàn)觸頭具有相同的電流容量。然而這種轉換電路在轉換過(guò)程仍有中性線(xiàn)瞬時(shí)斷開(kāi)現象。

圖6 采用4極ATS的轉換電路(中性線(xiàn)先斷后合)

(2) 采用中性線(xiàn)觸頭重疊的4極ATS的轉換電路

隔離市電和發(fā)電機電源的另一個(gè)辦法，是采用帶重疊中性線(xiàn)觸頭的4極ATS。這種轉換開(kāi)關(guān)在轉換過(guò)程中，市電和發(fā)電機的中性線(xiàn)是重疊接在電路中的，即以“先合后斷”的方式進(jìn)行中性線(xiàn)轉換?；蚍Q(chēng)為“中性線(xiàn)重疊轉換”。如圖7示，當從市電向發(fā)電機轉換時(shí)，首先接上發(fā)電機的中性線(xiàn)，然后轉換3個(gè)相線(xiàn)，再斷開(kāi)市電的中性線(xiàn)，最后，ATS的4極開(kāi)關(guān)與發(fā)電機電源連接。反之亦然，即轉換過(guò)程中負載的中性線(xiàn)同時(shí)與市電和發(fā)電機的中性線(xiàn)連接，轉換后只與市電或發(fā)電機一個(gè)電源的中性線(xiàn)連接，實(shí)現了市電和發(fā)電機的中性線(xiàn)完全隔離。這個(gè)電路，由于在轉換過(guò)程中中性線(xiàn)始終沒(méi)有斷開(kāi)，故不會(huì )產(chǎn)生異常的轉換瞬變電壓和電弧，因而中性線(xiàn)的觸頭不會(huì )因電弧而腐蝕。這個(gè)好處在有較大感性負載時(shí)特別明顯。這種ATS的中性線(xiàn)觸頭開(kāi)距較小，觸頭壓力不高，不配備滅弧室，中性線(xiàn)觸頭材料與相線(xiàn)觸頭的材料也不盡相同。重疊中性線(xiàn)觸頭容量一般可以比相線(xiàn)轉換極小些，故比較經(jīng)濟。因此，這種轉換開(kāi)關(guān)有時(shí)也稱(chēng)為具有重疊中性線(xiàn)觸頭的3極ATS。

圖7轉換電路的缺點(diǎn)，是在轉換過(guò)程中兩個(gè)電源的中性線(xiàn)有一段時(shí)間連接在一起，在此期間整個(gè)轉換電路相當于采用3極ATS的轉換電路(圖3)，中性線(xiàn)電流的分流現象有可能造成接地故障電流檢測錯誤和斷路器異常跳閘(圖4，圖5)。為此，可適當調節接地故障保護裝置的響應時(shí)間，躲過(guò)轉換過(guò)程兩個(gè)電源的中性線(xiàn)重疊時(shí)間間隔。