中性線的轉(zhuǎn)換對UPS電源性能的影響和對策

時間：2012-10-30 15:46:01

關(guān)鍵字： UPS電源轉(zhuǎn)換電路接地故障 BSP

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[導(dǎo)讀]1 引言在UPS供電系統(tǒng)中，UPS設(shè)備位于交流輸入電源和關(guān)鍵負(fù)載之間，其上游是交流輸入電源亦即低壓配電系統(tǒng)，下游是各種關(guān)鍵負(fù)載。任何UPS在正常情況下都是以市電電源為輸入能

1 引言

在UPS供電系統(tǒng)中，UPS設(shè)備位于交流輸入電源和關(guān)鍵負(fù)載之間，其上游是交流輸入電源亦即低壓配電系統(tǒng)，下游是各種關(guān)鍵負(fù)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(dāng)?shù)淖儞Q和調(diào)節(jié)，供給負(fù)載穩(wěn)定可靠地交流電源。當(dāng)市電電源停電或技術(shù)指標(biāo)超出預(yù)定的容限時，UPS利用內(nèi)部儲能裝置(蓄電池)繼續(xù)運行為負(fù)載供電。市電長時間停電時，則必須啟動備用發(fā)電機(jī)組供電。

在電信和數(shù)據(jù)中心等重要應(yīng)用場合，低壓配電系統(tǒng)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(jī)組。為了確保UPS輸入電源的供給，市電與備用發(fā)電機(jī)組之間需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換電路采用3極自動轉(zhuǎn)換開關(guān)(ATS)。在3極ATS的轉(zhuǎn)換電路中，當(dāng)配電電路中發(fā)生接地故障時，接地故障電流有分流現(xiàn)象，導(dǎo)致接地故障保護(hù)裝置(GFP)拒動。此外，中性線電流的分流將導(dǎo)致接地故障保護(hù)裝置誤動。近年來，在重要應(yīng)用中均要求采用具有包括GFP的4段保護(hù)斷路器，為了避免接地故障保護(hù)裝置工作異常，4極ATS的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)用日益增加。4極ATS的轉(zhuǎn)換電路除了轉(zhuǎn)換3個相線外，還增加第4個極轉(zhuǎn)換中性線，4極ATS的特點，是保證互相轉(zhuǎn)換的兩個電源完全隔離，消除了接地故障電流和中性線電流的分流，保證了接地故障保護(hù)裝置的正常工作。但轉(zhuǎn)換過程中性線可能有中斷，導(dǎo)致UPS中性線基準(zhǔn)(接地)斷開，引發(fā)UPS系統(tǒng)故障。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)由于中性線基準(zhǔn)斷開，引起UPS設(shè)備工作異常，甚至導(dǎo)致UPS停機(jī)和負(fù)載停電的嚴(yán)重故障。UPS上游電源中性線的轉(zhuǎn)換對GFP和UPS的影響，已成為最受關(guān)注和亟待解決的問題。也是當(dāng)前UPS系統(tǒng)設(shè)計必須考慮的重要內(nèi)容。

本文討論UPS上游電源轉(zhuǎn)換電路的種類及原理，分析中性線基準(zhǔn)斷開對UPS運行的影響，提出工程設(shè)計實用解決方法。

2 電信和數(shù)據(jù)中心低壓配電接地系統(tǒng)和保護(hù)要求

按照YD/T5040-2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，電信和數(shù)據(jù)中心的低壓交流供電系統(tǒng)應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。

TN-S系統(tǒng)具有許多優(yōu)越性，例如，在TN-S系統(tǒng)中，有三相不對稱負(fù)載和非線性負(fù)載時，中性線N中有電流流過，但保護(hù)地線PE中在正常時沒有電流流過，因此保護(hù)地線PE上沒有電壓，對于設(shè)備機(jī)殼接保護(hù)地線PE的各個負(fù)載設(shè)備不會產(chǎn)生電磁干擾，所以適用于通信、數(shù)據(jù)處理和精密電子設(shè)備的應(yīng)用場合。TN-S系統(tǒng)當(dāng)保護(hù)地線PE斷開時，在正常情況下不會使負(fù)載設(shè)備機(jī)殼接保護(hù)地線PE的設(shè)備機(jī)殼帶電，比較安全。

需要說明的是，TN系統(tǒng)包括TN-S、TN-C和TN-C-S三個分系統(tǒng)，而電信和數(shù)據(jù)中心一般只采用TN-S系統(tǒng)。TN-C系統(tǒng)的PEN 線有PE線和N線的作用，可節(jié)省一根導(dǎo)線。但是，TN-C系統(tǒng)在有三相不對稱負(fù)載和有非線性負(fù)載時，其PEN線中有電流流過，因此對機(jī)殼接PEN線的各個負(fù)載設(shè)備會產(chǎn)生電磁干擾。TN-C系統(tǒng)還存在以下問題：① 對于單相負(fù)載設(shè)備，如果PEN線斷開，則設(shè)備外殼將帶220V故障電壓;② 不能直接裝設(shè)GFP(或RCD)保護(hù)器。 TN-C-S系統(tǒng)在前面一段配電系統(tǒng)具有TN-C系統(tǒng)的特性，在后面一段配電系統(tǒng)具有TN-S的特性。

過去通信局站曾廣泛采用TN-C，由于存在上述缺陷，現(xiàn)在已不允許采用。TN-C-S系統(tǒng)僅在特殊情況下采用, 但應(yīng)特別注意，禁止在TN-S后面再采用TN-C系統(tǒng)。

TN-S系統(tǒng)的保護(hù)，主要有過載長延時、短路短延時、短路瞬時、接地故障保護(hù)。其中接地故障保護(hù)(GFP)是指相線與電氣設(shè)備外露可導(dǎo)電部分(如機(jī)殼、建筑金屬構(gòu)件等)之間的短路，這與相線與中性線之間的短路、相線之間的短路不同。接地故障電流較小，常常不能使過流保護(hù)電器動作。接地故障點有時會出現(xiàn)電弧，故有易引起火災(zāi)的危險。因此，GFP接地故障保護(hù)十分重要。根據(jù)NEC的要求， TN系統(tǒng)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(qiáng)制性要求。近年來，我國電信和數(shù)據(jù)中心等的低壓配電系統(tǒng)工程中，重要開關(guān)均要求具有GFP接地故障保護(hù)功能。因此，如下所述，在進(jìn)行市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計時，應(yīng)特別注意與GFP兼容的問題。

3 市電電源與備用發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)換電路

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

3.1 采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路

傳統(tǒng)的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用3極ATS,只進(jìn)行三個相線的轉(zhuǎn)換，不進(jìn)行中性線的轉(zhuǎn)換。市電和發(fā)電機(jī)組中性線是公用的(兩者的中性線固定連接在一起)。3極ATS 轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換過程中中性線沒有中斷現(xiàn)象。

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

(1) 發(fā)電機(jī)中性線通過市電中性線接地的轉(zhuǎn)換電路

圖1示出傳統(tǒng)采用3 極ATS的轉(zhuǎn)換電路，發(fā)電機(jī)的中性線與市電中性線連接并在市電進(jìn)線柜處接地。發(fā)電機(jī)組的中性線在發(fā)電機(jī)處不接地，發(fā)電機(jī)組的機(jī)座通過PE線在市電進(jìn)線柜接地。

在這種轉(zhuǎn)換電路中，因為電源系統(tǒng)的中性線僅在市電進(jìn)線柜一處接地，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(hù)裝置(GFP)將會正確地檢測出接地故障電流，發(fā)出信號，使市電進(jìn)線開關(guān)斷開。

應(yīng)該指出，圖1是采用3極ATS時的正確電路，過去曾長期應(yīng)用，一般情況下是比較理想的。但是，隨著配電電路對接地故障保護(hù)的需求，圖1 的3極ATS 轉(zhuǎn)換電路暴露出一些缺點，例如：因為發(fā)電機(jī)的中性線不在發(fā)電機(jī)處接地，在發(fā)電機(jī)側(cè)不能實現(xiàn)接地故障檢測(注：目前發(fā)電機(jī)輸出斷路器一般不設(shè)接地保護(hù)，但當(dāng)有接地故障時應(yīng)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(tǒng)中有多個轉(zhuǎn)換開關(guān),有可能造成中性線電流的分流，使接地故障的檢測出現(xiàn)錯誤，導(dǎo)致接地故障斷路器在無接地故障時異常跳閘。如圖2所示，在市電供電時，中性線電流會在市電和發(fā)電機(jī)的中線之間分配，流經(jīng)3極ATS-2的中性線電流有一部分通過市電中性線返回市電電源，其余電流將流向發(fā)電機(jī)的中性線，并經(jīng)另一個轉(zhuǎn)換開關(guān)(3極ATS-1)返回市電電源。因為這部分電流未經(jīng)過GFP-2檢測電路，被認(rèn)為是接地故障電流，故可能引起接地故障保護(hù)斷路器K2在無接地故障時異常跳閘。

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圖1 采用3極ATS市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線通過市電進(jìn)線柜接地)

圖2 具有多個3極轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換電路(市電供電時中線電流的分流的情況)

(2)發(fā)電機(jī)組中性線在發(fā)電機(jī)處接地的轉(zhuǎn)換電路

圖3示出采用3 極ATS，而發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處單獨接地的轉(zhuǎn)換電路。由發(fā)電機(jī)中性點引出的中性線與市電的中性點連接，發(fā)電機(jī)組的機(jī)座與中性點連接并在發(fā)電機(jī)處接地。在這種轉(zhuǎn)換電路中，由于市電電源系統(tǒng)中性線在市電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)兩處接地，會引起中性線電流和接地故障電流的分流，影響接地故障保護(hù)裝置的正常工作。

圖3 采用3極ATS 的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處獨立接地)

圖4示出在市電供電的情況下，當(dāng)發(fā)生接地故障時，故障電流IGF分流的情況。IGF有一部分通過自故障點至發(fā)電機(jī)中性點的PE線、發(fā)電機(jī)組中性點和公共的中性線N返回市電中性點，因而沒有被GFP檢測到。這可能造成有接地故障時接地故障保護(hù)裝置拒動。

圖5 示出這種轉(zhuǎn)換電路的另一個問題：中性線電流IN被分流。如圖所示，IN有一部分經(jīng)公共中性線、發(fā)電機(jī)的中性點和發(fā)電機(jī)組的接地線返回市電電源。這將可能出現(xiàn)GFP檢測器的對故障電流的誤檢測，造成在無接地故障時接地保護(hù)裝置誤動。

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

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

3.2 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

如前所述，傳統(tǒng)的市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用3極ATS，是不轉(zhuǎn)換中性線的轉(zhuǎn)換電路，無論發(fā)電機(jī)的中性線在何處接地，市電和發(fā)電機(jī)的中性線都是固定連接的。因而出現(xiàn)了接地故障電流和中線電流的分流現(xiàn)象，導(dǎo)致接地故障電流的檢測錯誤。顯而易見，為了避免上述種種問題，應(yīng)該進(jìn)行中性線的轉(zhuǎn)換，使市電和發(fā)電機(jī)組完全隔離。轉(zhuǎn)換中性線的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用4極ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān);帶接地故障保護(hù)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān)。

4極ATS有中性線斷開的轉(zhuǎn)換開關(guān)和中性線觸頭重疊轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開關(guān)兩種。

(1) 采用中性線斷開的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

在圖6的電路中采用4極ATS，除了轉(zhuǎn)換三個相線外，還利用第四個極轉(zhuǎn)換中性線。實現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的完全隔離。發(fā)電機(jī)的中性線和機(jī)座在發(fā)電機(jī)處獨立接地，與市電中性線沒有連接。因此，發(fā)電機(jī)是“獨立系統(tǒng)”。這個電路消除了由于中性線多點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(jī)輸出也可以進(jìn)行接地故障檢測和告警。

中性線斷開的4極ATS采用“先斷后合”的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中，兩個電源接地的中線沒有連接到一起，不會引起接地故障檢測的錯誤。中性線轉(zhuǎn)換極與相線轉(zhuǎn)換極同時動作，以防止在感性負(fù)載的存在的情況下，如果中性線極先于相線極斷開，在中性線上產(chǎn)生瞬變高壓和電弧、觸頭腐蝕的現(xiàn)象。

有的4 極ATS設(shè)計為中性線相對于相線，最后斷開，最先閉合;即所謂中性線較相線“先合后分”，以減少轉(zhuǎn)換中性線時產(chǎn)生電壓瞬變的可能性。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)的中性線極的結(jié)構(gòu)與相線極的結(jié)構(gòu)相同，即中性線觸頭與相線觸頭具有相同的電流容量。然而這種轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換過程仍有中性線瞬時斷開現(xiàn)象。

圖6 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(中性線先斷后合)

(2) 采用中性線觸頭重疊的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

隔離市電和發(fā)電機(jī)電源的另一個辦法，是采用帶重疊中性線觸頭的4極ATS。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中，市電和發(fā)電機(jī)的中性線是重疊接在電路中的，即以“先合后斷”的方式進(jìn)行中性線轉(zhuǎn)換?；蚍Q為“中性線重疊轉(zhuǎn)換”。如圖7示，當(dāng)從市電向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換時，首先接上發(fā)電機(jī)的中性線，然后轉(zhuǎn)換3個相線，再斷開市電的中性線，最后，ATS的4極開關(guān)與發(fā)電機(jī)電源連接。反之亦然，即轉(zhuǎn)換過程中負(fù)載的中性線同時與市電和發(fā)電機(jī)的中性線連接，轉(zhuǎn)換后只與市電或發(fā)電機(jī)一個電源的中性線連接，實現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的中性線完全隔離。這個電路，由于在轉(zhuǎn)換過程中中性線始終沒有斷開，故不會產(chǎn)生異常的轉(zhuǎn)換瞬變電壓和電弧，因而中性線的觸頭不會因電弧而腐蝕。這個好處在有較大感性負(fù)載時特別明顯。這種ATS的中性線觸頭開距較小，觸頭壓力不高，不配備滅弧室，中性線觸頭材料與相線觸頭的材料也不盡相同。重疊中性線觸頭容量一般可以比相線轉(zhuǎn)換極小些，故比較經(jīng)濟(jì)。因此，這種轉(zhuǎn)換開關(guān)有時也稱為具有重疊中性線觸頭的3極ATS。

圖7轉(zhuǎn)換電路的缺點，是在轉(zhuǎn)換過程中兩個電源的中性線有一段時間連接在一起，在此期間整個轉(zhuǎn)換電路相當(dāng)于采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖3)，中性線電流的分流現(xiàn)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(dāng)調(diào)節(jié)接地故障保護(hù)裝置的響應(yīng)時間，躲過轉(zhuǎn)換過程兩個電源的中性線重疊時間間隔。[!--empirenews.page--]

圖7 采用帶重疊中性線觸點的4極轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換電路

3.3 采用3極ATS和采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路的性能分析

綜上所述，當(dāng)前電信和數(shù)據(jù)中心低壓配電電路中，采用的市電/發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換電路主要有4種，這4種轉(zhuǎn)換電路的性能比較見表1。

表1 各種轉(zhuǎn)換電路的性能

序

號轉(zhuǎn)換電路對GFP的影響轉(zhuǎn)換過程中性線中斷性能評價

13極ATS(發(fā)電機(jī)中性線經(jīng)市電中性線接地)見圖1。在有兩個以上ATS 的場合有影響。無在只有一個ATS 的系統(tǒng)中為理想的轉(zhuǎn)換電路。

23極ATS(發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處獨立接地)見圖3。影響嚴(yán)重。無市電中性線在市電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)兩處接地，違反TN-S系統(tǒng)要求。

34極ATS(中性線先斷后合轉(zhuǎn)換)見圖6。無影響。有轉(zhuǎn)換過程中性線有中斷，對下游負(fù)載有影響。

44極ATS(中性線先合后斷轉(zhuǎn)換或中性線重疊轉(zhuǎn)換)見圖7。在中性線重疊期間有影響，但可通過調(diào)節(jié)GFP動作時間解決。無對GFP和中性線中斷均無影響，是較理想的轉(zhuǎn)換電路。

圖1的3極ATS轉(zhuǎn)換電路在只有一個ATS的場合，是比較理想的轉(zhuǎn)換電路。

圖3的3極ATS轉(zhuǎn)換電路，在市電變壓器和發(fā)電機(jī)兩處接地，必然引起接地故障電流和中性線電流的分流，造成接地故障保護(hù)異常。此電路在工程中偶有所見，但屬于設(shè)計或施工的失誤，在市電低壓進(jìn)線開關(guān)采用接地保護(hù)的場合，應(yīng)避免采用圖3的轉(zhuǎn)換電路。

圖6和圖7的4極ATS轉(zhuǎn)換電路，解決了3極轉(zhuǎn)換關(guān)電路對接地故障保護(hù)裝置的影響的問題，近年來應(yīng)用日益增多。但由于采用的中性線轉(zhuǎn)換方案的不同，尚存在著轉(zhuǎn)換過程中性線中斷的問題，值得注意和研究，謹(jǐn)慎采用。圖6的電路轉(zhuǎn)換過程中性線有中斷現(xiàn)象，對下游電路特別是UPS有嚴(yán)重影響。圖7的轉(zhuǎn)換電路在中性線重疊期間對GFP裝置有影響，因此，要求中性線重疊時間不宜過長，同時應(yīng)適當(dāng)調(diào)節(jié)GFP的響應(yīng)時間。

下面著重討論4極ATS轉(zhuǎn)換過程引起的UPS 輸入電源中性線中斷對UPS的影響及解決辦法。

4 輸入電源中性線中斷對UPS的影響

4.1 UPS的接地系統(tǒng)和中性線基準(zhǔn)

UPS對其所連接的負(fù)載而言是一個交流電源，對市電電源而言是一個負(fù)載。也就是說，UPS涉及到兩個低壓供電系統(tǒng)，即上游供電系統(tǒng)和下游供電系統(tǒng)。上游接地系統(tǒng)是指市電至UPS輸入端的低壓接地系統(tǒng)，下游接地系統(tǒng)是指UPS輸出端至關(guān)鍵負(fù)載的低壓接地系統(tǒng)。

用于電信和數(shù)據(jù)中心、計算機(jī)系統(tǒng)的UPS，其上游和下游接地系統(tǒng)均應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。如前所述，TN-S是電信系統(tǒng)最理想的低壓接地系統(tǒng)，通信局(站)的低壓配電系統(tǒng)都采用

TN-S 系統(tǒng)，也就是說安裝在通信局站UPS的上游接地系統(tǒng)必然是TN-S系統(tǒng)。UPS的下游是為關(guān)鍵負(fù)載ICT(信息和通信技術(shù)設(shè)備)供電的，也應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)。

圖8是當(dāng)前普遍采用的、有輸出變壓器的雙變換UPS的電路圖。如圖所示，UPS的上游接地系統(tǒng)為TN-S，UPS的下游接地系統(tǒng)也是TN-S。UPS的主輸入和旁路輸入均由副邊為Y型接法、中性點接地的市電變壓器供給，UPS輸出中性線和負(fù)載中性線固定接到市電

圖8 有變壓器UPS 的接地系統(tǒng)

電源的中性線，市電電源的中性線在低壓進(jìn)線柜中連接到接地極上。因此，UPS電源的輸出中性線不是獨立接地，而是通過上游電源的中性線接地。即UPS輸出中性線是由其輸出變壓器產(chǎn)生，而中性線的基準(zhǔn)(接地)是從市電的中性線取得的。

圖9是無變壓器UPS中性線連接的示意圖，市電輸入中性線與逆變器輸出的中性點(即蓄電池的中心點)連接，其余與圖8完全能相同。因此，UPS 的中性線也是通過市電的中性線接地的。

圖9 無變壓器UPS 接地系統(tǒng)

UPS中性線基準(zhǔn)從市電輸入電源的中性線取得是比較經(jīng)濟(jì)的方法，但UPS的中性線基準(zhǔn)依賴于市電輸入電源中性線的基準(zhǔn)。當(dāng)UPS 上游電源轉(zhuǎn)換采用中性線先斷后合的4極ATS，或UPS 上游低壓進(jìn)線柜和UPS交流輸入配電屏采用4極斷路器時，就可能引起UPS 系統(tǒng)的中性線基準(zhǔn)斷開，導(dǎo)致UPS 和負(fù)載設(shè)備的工作異常。

4.2 UPS輸入中性線斷開的危害分析

(1)中性線長時間斷開

中性線長時間斷開，是指在正常供電的情況下中性線長時間的斷開，而三個相線仍然正常連接和供電，即通常所說的“斷零”。“斷零”會使負(fù)載側(cè)中性點偏移和三相電壓不平衡，負(fù)載較輕的一相電壓升高，負(fù)載較重的一相電壓下降，造成負(fù)載工作異常，甚至導(dǎo)致單相負(fù)載設(shè)備燒壞。

此外，“斷零”對UPS的危害還有以下幾方面。

① 導(dǎo)致需要三相4線電源供電的整流器和其他部件的運行異常

② 導(dǎo)致UPS 邏輯電路的參考點丟失

在UPS控制電路中，中性線接地基準(zhǔn)是用作UPS邏輯電路的參考點的，如果系統(tǒng)在運行時，中性線接地基準(zhǔn)斷開，將會產(chǎn)生瞬變電壓，導(dǎo)致UPS檢測電路出現(xiàn)錯誤，例如，UPS誤認(rèn)為輸出電壓過高或過低而轉(zhuǎn)旁路，或者使UPS關(guān)機(jī)等。

③ 導(dǎo)致EMC/RFI抑制電路的功能失效

UPS和一些負(fù)載設(shè)備中的EMC/RFI抑制電路的功能，只能在預(yù)定的TN-S系統(tǒng)下有效，中性線基準(zhǔn)斷開后，配電系統(tǒng)的瞬變將可能超過EMC/RFI的抑制能力，因而影響UPS的正常運行。

④ 導(dǎo)致UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)從TN-S轉(zhuǎn)換到IT系統(tǒng)

由于UPS的輸入中性線斷開，UPS輸出的中性線接地會丟失，因此使UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)均從TN-S轉(zhuǎn)變?yōu)镮T系統(tǒng)。這不符合YD/T5040《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計規(guī)范》的要求。在這種情況下，當(dāng)負(fù)載出現(xiàn)相間短路或接地短路故障時，由于故障電流較小，不會使斷路器斷開。雖然第一次短路故障可以不斷開電源，但由于原TN-S系統(tǒng)一般無絕緣監(jiān)測和告警設(shè)備，因此存在更大的潛在的危害。[!--empirenews.page--]

(2) 中性線瞬時中斷

當(dāng)UPS上游市電和發(fā)電機(jī)電源轉(zhuǎn)換采用先斷后合4極ATS時，UPS輸入中性線會出現(xiàn)瞬時中斷。中性線瞬時中斷與“斷零”不同，“中性線與相線轉(zhuǎn)換極同時動作的4極ATS”，在轉(zhuǎn)換過程中相線和中性線同時斷開和同時接通，不存在使負(fù)載側(cè)中性點偏移和三相電壓不平衡的問題，但會使UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開。同樣，“中性線最后斷開，最先閉合的4極ATS”也只存在UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的問題。UPS輸出中性線不是斷線，UPS的逆變器仍然可以產(chǎn)生中性線，只是中性線沒有接地。

UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的危害與“斷零”對UPS的危害相同，參見本節(jié)的(1)中分析。

(3) 中性線基準(zhǔn)斷開對負(fù)載設(shè)備的危害

有些重要負(fù)載設(shè)備在UPS輸出中性線基準(zhǔn)斷開時受到的影響與UPS的情況類似。

4.3 對UPS 中性線的基本要求

IEC/EN62040-1-2和GB7260-4明確規(guī)定：在UPS輸出中性線依賴于輸入電源中性線的場合，應(yīng)提供適當(dāng)?shù)陌惭b設(shè)計說明，防止由于電源的隔離/轉(zhuǎn)換引起的中性線基準(zhǔn)的中斷現(xiàn)象。

CEMEP European UPS Guide也明確規(guī)定：許多UPS系統(tǒng)采用輸入電源的中性線作為UPS 輸出中性線的基準(zhǔn)，當(dāng)對UPS上游電源采用多電源隔離或轉(zhuǎn)換時，應(yīng)特別注意要確保輸入電源中性線基準(zhǔn)在UPS運行期間不會斷開。

對UPS中性線的具體要求和措施介紹如下。

(1)UPS上游和下游均采用TN-S系統(tǒng)

輸入市電電源中性線固定接地，且僅在變壓器(或低壓進(jìn)線柜處)一處接地，UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)均為TN-S系統(tǒng)。

(2)UPS輸入中性線和輸出中性線連接

UPS輸出的中性線與市電輸入中性線連接，并通過市電中性線接地。

(3)UPS輸入中性線不應(yīng)長時間斷開

UPS上游低壓配電分路均應(yīng)采用3極斷路器，確保UPS上游的斷路器在任何狀態(tài)下，從市電中性點至UPS的中性線輸入端的電路都不會斷開。

(4)UPS輸入中性線不應(yīng)瞬時斷開

在UPS上游電源轉(zhuǎn)換的情況下，不允許UPS輸入中性線瞬時斷開。有些UPS可能在輸出端采用輸出隔離變壓器，或借助于輸出配電單元(PDU)中的隔離變壓器獲得新的與市電中性線隔離的、獨立接地的中性線。因此，可保證UPS輸出中性線接地基準(zhǔn)(即負(fù)載設(shè)備的輸入電源中性線接地基準(zhǔn))不會中斷(圖10)。但是，為了確保UPS自身的正常運行，仍不允許UPS輸入中性線斷開。

圖10借助于輸出隔離變壓器產(chǎn)生獨立電源(SDS)的UPS

(5)嚴(yán)禁在UPS 輸出端將中性線與地線(PE)直接連接

應(yīng)該指出，不允許在UPS 輸出端將UPS 輸出中性線直接連接到接地極或PE線，這樣雖然可以保證UPS輸出中性線基準(zhǔn)的連續(xù)不斷，但由于TN-S系統(tǒng)的中性線多點接地，將會引發(fā)供電系統(tǒng)更嚴(yán)重的故障。

5 上游電源中性線轉(zhuǎn)換的UPS的解決方案

5.1 采用中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路

隨著配電系統(tǒng)對接地故障保護(hù)(GFP)要求越來越高，為保證GFP的正常運行，多電源的中性線必須隔離，采用4極ATS已成為必然趨勢。其中中性線重疊轉(zhuǎn)換4極ATS轉(zhuǎn)換電路(圖7)既解決了對GFP的影響問題，又不會引起中性線中斷。而中性線先斷后合的4極ATS (圖6) 對UPS和負(fù)載設(shè)備運行尚有嚴(yán)重影響，已被現(xiàn)場故障所證實。因此，在UPS 應(yīng)用中，中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路是唯一最佳選擇(圖11)。

此外，在暫未采用接地保護(hù)GFP的配電系統(tǒng)或采用了GFP保護(hù)裝置但系統(tǒng)中，只有一個ATS的場合，也可以采用圖1的3極ATS的轉(zhuǎn)換電路。

圖11 上游采用中性線重疊轉(zhuǎn)換ATS的UPS

5.2 采用中性線先斷后合4極ATS 的解決方案

如果UPS 上游已采用了中性線先斷后合4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖6)，可考慮采用以下方案。

(1)增加旁路隔離變壓器

如圖12所示，UPS的主輸入直接從副邊為Y型接法，中性線接地的市電變壓器電源引入;旁路輸入由同一電源的另一分路經(jīng)旁路隔離變壓器引入。旁路隔離變壓器的副邊也是Y型接法，中性點接地。旁路隔離變壓器的中性線連接接到UPS輸出中性線。實際上，UPS 的輸出中性線是通過旁路隔離變壓器的中性線接地的。這種接地電路的特點是如下。

① UPS的輸出中性線與旁路變壓器的中性線連接。旁路變壓器的中性線是通過旁路變壓器副邊產(chǎn)生并獨立接地，這個中性線基準(zhǔn)不會因上游中性線轉(zhuǎn)換而斷開，而且避免了與低壓配電系統(tǒng)中其它負(fù)載公用中性線的情況。因而有利于UPS輸出中性線對地電壓(零地電壓)的控制。

② UPS的輸出中性線和市電輸入電路的中性線通過旁路變壓器隔離。

③ 如果UPS設(shè)備與旁路變壓器的位置距負(fù)載比較近，可以有效抑制共模噪聲，確保UPS 輸出“零地電壓”較小。

圖12 用旁路隔離變壓器產(chǎn)生輸入中性線的UPS 接地系統(tǒng)

圖12 的電路適用于傳統(tǒng)有變壓器的UPS，隔離變壓器固定接在旁路電路中，因為整流器只需要3相3線電源(無中性線)，仍由市電變壓器供電，在正常情況下工作于整流-逆變的雙變換方式，由市電直接供電，沒有因增加了旁路變壓器而增加損耗。

(2)增加UPS 輸入變壓器

因為無變壓器UPS的整流器也需要3相4線(包括中性線)電源，上述隔離變壓器必須同時為整流器和旁路提供3相4線電源。實際上，對于無變壓器UPS，需要增加一臺輸入隔離變壓器，主輸入和旁路輸入均由這個輸入隔離變壓器供電(見圖13)。[!--empirenews.page--]

圖13 用輸入隔離變壓器產(chǎn)生輸入中性線的UPS 接地系統(tǒng)

(3)UPS 直接接入中性線中斷的電源的可能性探討

在采用中性線先斷后合4極ATS的情況下，假設(shè)某UPS設(shè)備在輸入電源中性線中斷100ms～200ms的情況下, 不會引起UPS工作異常;而且低壓配電系統(tǒng)市電和發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)換電路的4極ATS產(chǎn)品，在轉(zhuǎn)換過程中中性線中斷時間小于50ms～60ms。在理論上，這種情況可以考慮直接接入中性線中斷的低壓配電系統(tǒng)電源，但需經(jīng)廠家承諾和試驗核實，慎重設(shè)計。

值得注意的是，在以上情況下，盡管UPS可以正常運行，但中性線中斷現(xiàn)象對UPS下游負(fù)載的影響依然存在，這可以通過采用輸出隔離變壓器(如圖10)或利用UPS輸出精密配電柜中的隔離變壓器加以解決。即由隔離變壓器的副邊產(chǎn)生一個獨立接地的中性線，構(gòu)成一個新的TN-S系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

(1) 為確保市電低壓配電系統(tǒng)接地故障保護(hù)(GFP)的正常運行，市電和備用發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)采用4極ATS。

(2) 為確保ATS下游的UPS設(shè)備的正常運行，應(yīng)采用中性線重疊轉(zhuǎn)換(或中性線先合后斷轉(zhuǎn)換)的4極ATS。

(3) 市電低壓配電柜和UPS輸入配電柜應(yīng)采用3極斷路器(在有總等電位聯(lián)結(jié)的情況下，TN-S系統(tǒng)一般不需要設(shè)4極開關(guān))，以確保UPS的輸入中性線不會斷開。

(4) 如果UPS上游的市電和發(fā)電機(jī)組之間的轉(zhuǎn)換電路，已采用了中性線先斷后合的4極ATS, UPS可采用旁路隔離變壓器或輸入隔離變壓器解決方案。

參考文獻(xiàn)

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requirements for UPS used in restricted access locations, 4.9.22

[2] CEMEP European UPS Guide 9-6 isolation of neutral

[3] IEC/EN 60950-1 Safety of information technology equipment, Annex V

[4] GB7620-4 不間斷電源，第1-2部分限制觸及區(qū)使用的UPS的一般規(guī)定和安全要求

[5] YD/T5040-2005 通信電源設(shè)備安裝設(shè)計規(guī)范