UPS供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)探討

UPS作為重要的備用電源設(shè)備，已經(jīng)在金融、通信等傳統(tǒng)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)中心得到了廣泛的應(yīng)用，隨著大功率UPS制造技術(shù)的不斷突破，UPS正逐步大量應(yīng)用于制造業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域的自動(dòng)化生產(chǎn)線和DCS、PLC系統(tǒng)中。UPS供電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)、UPS供電方式及綠色性能等受到相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注?！　?br /> 　　
在UPS供電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)中，如何處理雩地電壓?jiǎn)栴}，石化行業(yè)UPS應(yīng)用中，針對(duì)不同的DCS系統(tǒng)接地方式，如何選擇合理、適用的UPS接地方式，以及UPS供電系統(tǒng)與備用發(fā)電機(jī)如何實(shí)現(xiàn)容量匹配，本期欄目將繼續(xù)邀請(qǐng)UPS用戶專家和UPS廠商技術(shù)人員針對(duì)上述話題以及UPS選型等問(wèn)題進(jìn)行討論、交流，同時(shí)歡迎感興趣的讀者能夠積極參與?！　?br /> 　　
議題一、UPS供電系統(tǒng)接地設(shè)計(jì)　　
　　
1、UPS接地方式應(yīng)與DCS采用的系統(tǒng)接地方式相配合(周瑤強(qiáng)／助理工程師新疆獨(dú)山子乙烯廠電氣車間)　　
　　
石化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，DCS有三種系統(tǒng)接地方式：隔離的中性點(diǎn)(IT)、接地的中性點(diǎn)(TT)和外露導(dǎo)電零部件連接到中性點(diǎn)(TN，又分為TN—C和TN—S)。DCS采用何種系統(tǒng)接地方式應(yīng)從人身安全、設(shè)備保護(hù)和運(yùn)行觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行判斷，選擇正確的接地方式。當(dāng)DCS采用的系統(tǒng)接地方式確定以后，就需要UPS采用相應(yīng)的接地方式配合。　　
　　
DCS采用中性點(diǎn)隔離系統(tǒng)(IT)時(shí)，當(dāng)發(fā)生一相接地時(shí)，接地電流、電壓都很小，不會(huì)危害人員安全，也不會(huì)造成設(shè)備保護(hù)動(dòng)作。如果此時(shí)采用絕緣監(jiān)視裝置(IMD)及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地故障，并由一臺(tái)故障定位裝置進(jìn)行定位并進(jìn)行維修，消除故障點(diǎn)，那么不會(huì)造成任何損失。中性點(diǎn)隔離系統(tǒng)(IT)可以提供最好的服務(wù)連續(xù)性，化工企業(yè)必須使用這種系統(tǒng)才可以確保其連續(xù)運(yùn)行的可靠性?！　?br /> 　　
DCS采用中性點(diǎn)接地系統(tǒng)(TT)時(shí)，當(dāng)發(fā)生一相接地時(shí)，接地電壓大，電流小，可能造成斷路器不跳閘，危害人員安全，也會(huì)造成設(shè)備損壞。此時(shí)必須采用殘余電流檢測(cè)保護(hù)裝置(RCD)才可以立刻將故障點(diǎn)斷開(kāi)，那么此斷路器所帶的設(shè)備將全部失電，可能因此造成裝置停工。中性點(diǎn)接地系統(tǒng)(TT)是最容易設(shè)計(jì)和安裝的方案，但是必須在所有的出線開(kāi)關(guān)上裝設(shè)殘余電流檢測(cè)裝置(RCD)。
　　
DCS采用外露導(dǎo)電零部件接中性點(diǎn)系統(tǒng)(TN)時(shí)，當(dāng)發(fā)生一相接地時(shí)，接地電壓，電流都很大，會(huì)危害人員安全，也會(huì)造成設(shè)備損壞。但是由于此時(shí)的故障電流比采用中性點(diǎn)接地系統(tǒng)(TT)大4089／15.3=267倍，所以斷路器可以非?？焖俚厍袛喙收宵c(diǎn)，而不需要使用殘余電流檢測(cè)保護(hù)裝置(RCD)，可以最大限度地保護(hù)人身安全。但這種方式是以斷開(kāi)故障點(diǎn)為代價(jià)，斷路器所帶的設(shè)備全部失電，可能因此造成裝置停工。外露導(dǎo)電零部件接中性點(diǎn)系統(tǒng)(TN)在故障時(shí)有大的故障電流流過(guò)，很高的EMC性能，可以非常迅速地切斷故障電流，最大限度地保護(hù)人身，設(shè)備的安全?！　?br /> 　　
用于UPS的接地系統(tǒng)類型可能采用的系統(tǒng)接地方式取決于：　　
　　
1)UPS上線已有的系統(tǒng)接地方式或?yàn)閁PS上線專門選擇的系統(tǒng)接地方式。
　
2)UPS下線的系統(tǒng)接地方式，其選擇可能取決干：再次使用與上線相同的系統(tǒng)；上線或者下線安裝有隔離變壓器，它能改變系統(tǒng)的接地方式；負(fù)載要求(如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求使用TN—C或TN—S)。下線配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，帶有靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)(STS)。　　[!--empirenews.page--]
　　
3)某些要求是安全標(biāo)準(zhǔn)所強(qiáng)制執(zhí)行的，例如，在保護(hù)導(dǎo)體PE或PEN中，永遠(yuǎn)也不允許中斷以保證故障電流的流通。TN—C系統(tǒng)(沒(méi)有中斷的PEN)可以安裝在TN—S系統(tǒng)的上線(N和PE是分離的)，但絕對(duì)不能反過(guò)來(lái)，將TN—S系統(tǒng)安裝在TN—C系統(tǒng)的上線。
　　
2、UPS零地電壓的產(chǎn)生及解決方法(江偉石／工程師中達(dá)電通UPS產(chǎn)品處技術(shù)總監(jiān)　
　　
UPS零地電壓產(chǎn)生的原因是由于在高頻諧波下，導(dǎo)線之間不再是一個(gè)純電組性元件，而是一個(gè)集電感、電容和電阻為一體的混合體。因?yàn)榫€間存在耦合電感和電容，高次諧波將在零線，地線之間產(chǎn)生一定的高頻電流，也可能抬升零地電壓?！　?br /> 　　
解決UPS零地電壓有以下方法：　　
　　
(1)縮短零線長(zhǎng)度，增大零線截面積可減小零線電抗，從而將低零地電壓。該解決方案的優(yōu)點(diǎn)是效果明顯，從零線電抗計(jì)算公式Zn=ρL／S看，當(dāng)線長(zhǎng)L減小，導(dǎo)線載面積增大，Zn隨之減小，零地電壓也同時(shí)降低。但受到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況限制，不太容易實(shí)現(xiàn)。需要在機(jī)房初期設(shè)計(jì)階段充分考慮，否則很難更改?！　?br /> 　　
(2)對(duì)于雙變換在線UPS，當(dāng)逆變器工作時(shí)，UPS輸入端零線電流理論上應(yīng)該為零。但由于機(jī)房輸入配電柜內(nèi)流過(guò)所有電纜的都是大電流，這些電流包括UPS、機(jī)房的逆變器、本樓層的照明以及空調(diào)等。每一根電纜都含有大量的電磁干擾，所有的這些電纜被捆扎在一起走長(zhǎng)線，使得這些高頻干擾互相串?dāng)_，高頻干擾電流在零線、地線上流過(guò)帶來(lái)了零、地之間的壓降。從測(cè)試波形上看，零地之間的高頻成分呈非固定頻率的雜波，也可以反映干擾為多種設(shè)備電流的電磁干擾疊加。
　　
將UPS的相線和零線、地線分開(kāi)走線，兩者的距離應(yīng)該保證在20cm以上，最好能做到40cm。其他動(dòng)力電纜也應(yīng)該遠(yuǎn)離UPS零線。如現(xiàn)場(chǎng)施工不能分開(kāi)，零線和地線可考慮用鎧裝屏蔽電纜，可達(dá)到同樣效果。　　
　　
(3)UPS負(fù)載端加隔離變壓器，并將隔離后的零線接地。這種解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于能夠非常有效地解決負(fù)載端零地電壓?jiǎn)栴}。因?yàn)楦綦x后的零線接地，可以保證負(fù)載的零地電壓趨近于零。隔離變壓器是一個(gè)非常成熟的產(chǎn)品，品種全，可以滿足各種功率等級(jí)的要求，供貨周期短，價(jià)格低廉，而且安全可靠，無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。目前計(jì)算機(jī)機(jī)房用戶多采用這種配電方式?！　?br /> 　　
綜上所述，推薦使用UPS負(fù)載端加裝隔離變壓器方案，此方案可一勞永逸地解決零地電壓?jiǎn)栴}。在某些場(chǎng)合方案三不能實(shí)施時(shí)，可考慮方案一、二為備選。

3、較大的零地電壓可加隔離變壓器(施耐德一APC公司中國(guó)產(chǎn)品技術(shù)部技術(shù)總監(jiān)　　
　　
零地電壓的產(chǎn)生是由于不平衡負(fù)載產(chǎn)生的基波電流)以及3次和3n次諧波產(chǎn)生的高次諧波電流，其有效值包括不平衡基波電流和高次諧波電流，標(biāo)準(zhǔn)限值為有效值2V(GB50174—2008)，這是衡量零線是否接好的方法；但是lV不等于沒(méi)有問(wèn)題，5V也可能不發(fā)生問(wèn)題?？赏ㄟ^(guò)平衡三相負(fù)載，降低諧波電流；降低零線電流傳輸阻抗(增大導(dǎo)線截面，減小節(jié)點(diǎn)阻抗，縮短零線傳輸距離，增加UPS端、負(fù)載端隔離變壓器)對(duì)零地電壓進(jìn)行治理。UPS的內(nèi)置逆變變壓器不隔離中線，零地電壓是系統(tǒng)原有特性。旁路加隔離變壓器，重新產(chǎn)生中線，零地電壓降低。對(duì)于無(wú)逆變變壓器的UPS，最有效的隔離方法是在輸入端采用兩個(gè)獨(dú)立的變壓器，也町在輸出端增加一個(gè)隔離變壓器，或可在旁路增加一個(gè)隔離變壓器，并使輸入端共用。[!--empirenews.page--]
　　
議題二：UPS供電系統(tǒng)與上級(jí)電源匹配問(wèn)題　　
　　
1、發(fā)電機(jī)+電力穩(wěn)壓器+“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)的匹配調(diào)控 (李成章／高級(jí)工程師艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司高級(jí)技術(shù)顧問(wèn))　　
　　
相關(guān)的檢測(cè)數(shù)據(jù)表明：對(duì)于同一套UPS供電系統(tǒng)而言，不管工作在市電供電條件下，還是工作在發(fā)電機(jī)供電條件下，它不僅具有幾乎相同的cosφ，輸入功率因數(shù)PF，輸入諧波電流絕對(duì)值，而且還具有非常近似的輸入電流諧波的頻譜分布曲線。發(fā)電機(jī)電源的高內(nèi)阻是造成UPS供電系統(tǒng)輸入電壓失真度增大的主要原因，它極易導(dǎo)致電力穩(wěn)壓器及發(fā)電機(jī)的自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作／誤調(diào)操作。為此，過(guò)去為UPS業(yè)界所經(jīng)常使用的技術(shù)措施是利用增大發(fā)電機(jī)的輸出功率同UPS的輸出功率的容量比的辦法改善發(fā)電機(jī)的帶載特性(其實(shí)質(zhì)是通過(guò)增大發(fā)電機(jī)容量的辦法降低發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻)，從而導(dǎo)致投資成本增大。
　　
通過(guò)適當(dāng)?shù)?ldquo;錯(cuò)開(kāi)”兩臺(tái)電力穩(wěn)壓器的開(kāi)機(jī)起動(dòng)浪涌電流的發(fā)生時(shí)間及適當(dāng)?shù)卣{(diào)低電力穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓精度，就能用l臺(tái)150kV·A發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)由兩臺(tái)100kV·A電力穩(wěn)壓器+80kV·A“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)所組成的UPS供電系統(tǒng)，從而達(dá)到節(jié)約投資和運(yùn)行成本的目的?！　?br /> 　　
為確保由電力穩(wěn)壓器+“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)所組成的供電系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)供電的條件下，也能安全和可靠地工作，需要對(duì)這套UPS供電系統(tǒng)執(zhí)行如下的技術(shù)改進(jìn)：　　
　　
將原來(lái)的輸出功率為110kV·A的備用發(fā)電機(jī)組調(diào)換為150kV·A的備用發(fā)電機(jī)(常行功率)?！　?br /> 　　
2)考慮到因發(fā)電機(jī)電源被投入到電力穩(wěn)壓器的輸入端上的時(shí)刻可能出現(xiàn)在具有正弦波形的交流電源的不同相位點(diǎn)上，并進(jìn)而導(dǎo)致它的開(kāi)機(jī)起動(dòng)浪涌電流的幅值會(huì)發(fā)生較大差異的工作特性(其變化規(guī)律是當(dāng)發(fā)電機(jī)電源投入的時(shí)刻出現(xiàn)在正弦波的電壓峰值處時(shí)，它的輸入起動(dòng)浪涌電流的幅值為最小值；當(dāng)其投入的時(shí)刻出現(xiàn)在正弦波的電壓過(guò)零點(diǎn)處時(shí)，其起動(dòng)浪涌電流的幅值為最大值)。

鑒于在過(guò)去的測(cè)試中，兩臺(tái)電力穩(wěn)壓器的輸入端上曾經(jīng)記錄到的最大開(kāi)機(jī)起動(dòng)浪涌電流是一串幅值為220A左右、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)達(dá)0.2s左右的單極性衰減波形。為改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行環(huán)境，盡可能地降低由電力穩(wěn)壓器的開(kāi)機(jī)起動(dòng)浪涌電流所可能帶來(lái)的不利影響。建議相應(yīng)的電力穩(wěn)壓器廠家將兩臺(tái)穩(wěn)壓器的開(kāi)機(jī)起動(dòng)時(shí)間錯(cuò)開(kāi)3s左右?！　?br /> 　　
3)為改善發(fā)電機(jī)的運(yùn)行條件，建議相應(yīng)的UPS廠家對(duì)80kV·A“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行再調(diào)整，以便盡量地減小兩臺(tái)UPS之間的輸入電流和輸出電流的均流不平衡度(通常期望值<5％)及它們之間的環(huán)流，從而提高UPS并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性的目的?！　?br /> 　　
為提高由150kV·A發(fā)電機(jī)+兩臺(tái)100kV·A電力穩(wěn)壓器+80kV·A“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)所組成的UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，常用的技術(shù)措施有：　　
　　
(1)降低UPS的輸入電流諧波分量對(duì)于中、大型UPS而言，可選用6脈沖整流+5次諧波濾波器型UPS、12脈沖整流器型UPS、12脈沖整流+11次諧波濾波器型UPS和6脈沖整流+有源濾波器型UPS。對(duì)于中，小型UPS而言，可選用IGBT脈寬調(diào)制整流器型UPS。　　[!--empirenews.page--]
　　
(2)提高“l+l”UPS并機(jī)系統(tǒng)的并機(jī)性能：通過(guò)準(zhǔn)確、合理的并機(jī)調(diào)機(jī)操作盡可能降低UPS并機(jī)系統(tǒng)的環(huán)流和兩臺(tái)UPS輸出電流的均流不平衡度，從而盡可能提高它對(duì)發(fā)電機(jī)電源的適應(yīng)能力?！　?br /> 　　
(3)在此次對(duì)由發(fā)電機(jī)+電力穩(wěn)壓器+“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)所組成的UPS供電系統(tǒng)所執(zhí)行的系統(tǒng)匹配性調(diào)控操作中，唯一沒(méi)有得到明顯技術(shù)改善的部件是用“熱同步并機(jī)”調(diào)控技術(shù)的UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)的并機(jī)輸出特性較差。有關(guān)的并機(jī)調(diào)控操作的實(shí)踐表明：由于種種原因所限，對(duì)于這套80kV·A“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)而言，它的并機(jī)工作特性、至今仍然處于不能令人滿意的工作狀態(tài)之中?！　?br /> 　　
(4)為盡可能地降低備用發(fā)電機(jī)的輸出功率同UPS供電系統(tǒng)的輸出功率的容量比，可供選擇的技術(shù)措施有：
　　
1)通過(guò)適當(dāng)?shù)?ldquo;錯(cuò)開(kāi)”兩臺(tái)電力穩(wěn)壓器的開(kāi)機(jī)起動(dòng)浪涌電流的出現(xiàn)時(shí)刻點(diǎn)之間的遲時(shí)值及適當(dāng)?shù)卣{(diào)低電力穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓精度，就能用150kV·A發(fā)電機(jī)正常地驅(qū)動(dòng)由兩臺(tái)100kV·A電力穩(wěn)壓器+80kV·A“1+1”UPS并機(jī)系統(tǒng)所組成的UPS供電系統(tǒng)，從而達(dá)到避免使用過(guò)份地增大發(fā)電機(jī)容量技術(shù)措施的目的(如來(lái)用>250kV·A以上的發(fā)電機(jī)組)?！　?br /> 　　
2)對(duì)于配置有發(fā)電機(jī)運(yùn)行控制信號(hào)的UPS來(lái)說(shuō)，可供用戶選用技術(shù)手段是將來(lái)自發(fā)電機(jī)的主輸出開(kāi)關(guān)上的發(fā)電機(jī)工作輔助觸點(diǎn)信號(hào)饋送到UPS的指定干接點(diǎn)通信接口上。此時(shí)，可利用這組輸入信號(hào)來(lái)限制UPS輸入電流及電池充電電流，并禁止逆變器與旁路電源同步，達(dá)到同時(shí)確保發(fā)電機(jī)和UPS穩(wěn)定工作的目的。這個(gè)特性常用于市電停電后，由容量較小的發(fā)電機(jī)向UPS供電的用戶。　　
　　
3)在電力穩(wěn)壓器和備用發(fā)電機(jī)的自動(dòng)穩(wěn)壓調(diào)控線路的電壓采樣輸入信號(hào)線路的前端、增配小功率的5次諧波／11次諧波濾波器。
　
2、UPS供電系統(tǒng)與上級(jí)電源之問(wèn)的容量匹配(江偉石／工程師中達(dá)電通UPS產(chǎn)品處技術(shù)總監(jiān))　　
　　
在UPS與發(fā)電機(jī)匹配使用中，只需為UPS配置少量后備電池以備切換時(shí)使用。發(fā)電機(jī)與市電轉(zhuǎn)換即可以手動(dòng)，也可以設(shè)置自動(dòng)切換設(shè)備(ATS)。當(dāng)市電出現(xiàn)故障，自動(dòng)切換設(shè)備(ATS)將自動(dòng)切換到發(fā)電機(jī)端，發(fā)電機(jī)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間延遲(可根據(jù)客戶需要設(shè)定時(shí)間)自動(dòng)起動(dòng)，提供電力保障。
　　
由于發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻較高(比變壓器高2～3倍)，增加了諧波的副作用。對(duì)于同一套UPS供電系統(tǒng)言，當(dāng)它處于發(fā)電機(jī)供電的條件下運(yùn)行時(shí)，它的輸入電壓諧波分量明顯地高于在市電供電條件下的輸入電壓諧波分量。
　　
簡(jiǎn)單來(lái)講，對(duì)于高頻機(jī)其與上級(jí)發(fā)電機(jī)的容量比可l：1.5。而對(duì)于工頻機(jī)，容量比為1：2~4。