對于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·s。而高頻電流對人體的傷害程度比工頻電流要小。

　　漏電保護器的動(dòng)作電流分為很多種，從30 mA到20A不等。

　　漏電保護器的動(dòng)作時(shí)間有兩種，一種為定時(shí)動(dòng)作，一般小于0.ls。定時(shí)漏電保護器的框圖見(jiàn)圖7。其中，檢測電路分為漏電流檢測和漏電壓檢測，比較電路為檢測信號與給定信號相比較的電路，輸出電路為漏電保護器控制斷路器分斷的電路。

　　另一種為具有反時(shí)限電路的漏電保護器，其框圖見(jiàn)圖8。反時(shí)限電路足動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流類(lèi)似電容器對電阻放電的指數曲線(xiàn)的電路，即動(dòng)作電流越大，動(dòng)作時(shí)間越快;動(dòng)作電流越小，動(dòng)作時(shí)間越慢。

　　為防止人身觸電，漏電保護器的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流選擇原則是，動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的乘積為30mA·s。

　　定時(shí)和反時(shí)限漏電保護器的特性見(jiàn)圖9。其中ABC直線(xiàn)為O.ls定時(shí)漏電保護器的特性，B點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的乘積為30mA·s，正好符合要求。而A 點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的乘積為3mA·s.余量過(guò)大。C點(diǎn)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的乘積為300mA·s，很不安全?？梢?jiàn)選擇定時(shí)漏電保護器不太合理。DBE 曲線(xiàn)為反時(shí)限漏電保護器的特性，全部曲線(xiàn)卜的點(diǎn)都接近30mA·s，可見(jiàn)選擇反時(shí)限漏電保護器比較合理。

　　3.3解決措施

　　通過(guò)上述UPS的漏電分析，為了解決可能出現的這類(lèi)漏電保護誤動(dòng)，可以考慮下述措施。

　　3.3.1提高泄漏電阻

　　從式(2)中可以看出.提高電容器的泄漏電阻可以降低電容器的泄漏電流。這可以從選擇電容器本身和加強電容外部的絕緣兩方面入手。

　　3.3.2設置旁路開(kāi)關(guān)

　　設置旁路開(kāi)關(guān)與漏電保護器并聯(lián)。在啟動(dòng)UPS的過(guò)渡過(guò)程中，旁路開(kāi)關(guān)閉合漏電保護器，以避開(kāi)啟動(dòng)UPS時(shí)電路中產(chǎn)生的過(guò)電流引起漏電保護誤動(dòng)作。在啟動(dòng)UPS完成后，打開(kāi)旁路開(kāi)關(guān)，使漏電保護器起到正常漏電保護的作用。

　　3.3.3設置阻尼限流

　　設置阻尼限流電阻與開(kāi)關(guān)并聯(lián)環(huán)節。在啟動(dòng)UPS的過(guò)渡過(guò)程中，斷開(kāi)并聯(lián)開(kāi)關(guān)，串入阻尼限流電阻，以降低啟動(dòng)UPS時(shí)電路中產(chǎn)生的過(guò)電流，從而避免漏電保護誤動(dòng)作。在啟動(dòng)UPS完成后，閉合與阻尼限流電阻并聯(lián)的開(kāi)關(guān)，使電路轉入正常運行，漏電保護器可以起到漏電保護的作用。

　　3.3.4采用直流啟動(dòng)

　　由于該公司生產(chǎn)的3kVA高頻在線(xiàn)式UPS具有直流啟動(dòng)功能，所以可以進(jìn)行下述操作：斷開(kāi)交流輸入開(kāi)關(guān)和負載，采用直流啟動(dòng)UPS，待UPS工作正常后，再閉合交流輸入開(kāi)關(guān)，而轉入交流供電運行。這樣可以避免電路接通正弦電源時(shí)可能產(chǎn)生的峰值較高的振蕩衰減的漏電流引起漏電保護誤動(dòng)作。

　　3.3.5設置頻率區分環(huán)節

　　由于電路自由振蕩角頻率ω’遠遠高于工頻電源角頻率，所以，可以設置頻率區分環(huán)節，區分開(kāi)電路自由振蕩分量和工頻分量，以避免較高頻率的漏電流引起漏電保護誤動(dòng)作。例如，頻率區分環(huán)節可以為低通濾波器，只允許頻率較低的工頻分量通過(guò)，而不允許頻率較高的自由振蕩分量通過(guò)。

　　4 結語(yǔ)

　　分析UPS漏電保護的誤動(dòng)現象，應當從整個(gè)供電系統的全局出發(fā)，充分認識組成系統的各個(gè)單元的性能和參數，以及它們之間配合的合理性。另外，還應當從整個(gè)供電系統的啟動(dòng)、運行和關(guān)閉的全過(guò)程出發(fā)，充分認識不同過(guò)程中可能出現的問(wèn)題。

　　本文對上述UPS漏電保護的誤動(dòng)現象，通過(guò)比較詳細的分析和實(shí)驗檢測，探討了引起市電斷路器漏電保護誤動(dòng)作的原因。著(zhù)重從電路的組成和參數、UPS啟動(dòng)的工作過(guò)程來(lái)分析了漏電流產(chǎn)牛的原因。從而提出了增強電容器的內、外絕緣泄漏電阻的必要性和檢查漏電保護器的動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作電流的選擇足否合理的問(wèn)題。

　　對UPS漏電保護的誤動(dòng)現象，不管足由于穩態(tài)漏電流.還是由于在UPS啟動(dòng)時(shí)，電源濾波器的電阻、電感和電容串聯(lián)電路接通正弦電源的過(guò)渡過(guò)程中產(chǎn)生的較大的振蕩衰減漏電流，引起的30mA的定時(shí)漏電保護器動(dòng)作，采取本文推薦的相應解決措施，有可能排除這種漏電保護誤動(dòng)現象。而不應當一概否定漏電保護器和電源濾波器的聯(lián)合使用。

　　對在UPS啟動(dòng)時(shí)，電源濾波器的電阻、電感和電容串聯(lián)電路切斷正弦電源的過(guò)渡過(guò)程也應當給予相應的關(guān)注。