1  UPS电源系统中的异常脱扣现象
　　
　　在含有UPS的电源系统中，UPS一方面作为关键负载的供电电源，担负着重要负载的保护作用，另一方面它又作为电源系统的负载，也需要对其进行电路保护。
　　
　　对于UPS的供电，通常是从主低压配电柜引出，经过若干级的低压配电柜，接入到UPS输入端。在整个输入配电路径中，断路器起到了电流分配和对UPS设备的电流保护作用。然而在UPS真正发生故障时，一些断路器却起不到真正的保护作用，甚至于发生越级跳闸的现象，使得本来一次不大的故障，扩散为整个负载系统的停电，导致重大事故的发生。这就不得不引起设计人员、运维人员和管理人员的高度重视。
　　
　　中大型UPS电源设备通常具有两个输入端口：主电源输入和旁路电源输入，主电源作为整流-逆变之用；旁路电源通常作为逆变器过载时提供故障清除电流之用，或当逆变器故障时向负载提供临时的低等级的供电。因此UPS的输入配电柜中通常有容量相同的或最多相差一个等级的两个输入断路器。
　　
　　在绝大多数情况下，这两个断路器引自同一个上级的大容量断路器，只有极少数UPS的主路和旁路输入引自不同的变压器或两个供电系统。对于后者，当UPS下级短路或UPS自身故障时，切换到旁路（另一路市电或发电机）供电的成功概率较高，即可靠性较高，但也会引起电路设计的复杂化、投资成本的增加。例如两路电源的中性线切换的问题、接地系统变换的问题等。因此仅仅用于对供电可用性要求极高的电源系统中。例如ANSI-TIA942标准中的T4供电等级。而对于同一路供电的UPS系统通常如图1所示。
　　
　　对于一个类似图1的UPS电源系统，各级断路器应该如何设置整定，是一个比较复杂的问题。一般情况下，这个电源系统通常由设计院的电气设计师或机房公司的电气设计人员来完成，由配电柜的专业生产厂家制造，按理说是没有问题的。但事实上，设计院、配电柜的供货商、UPS的供货商以及电气安装单位往往不是一个公司或供应商，即使设计人员按照断路器的完全选择性来设计，配电柜的供应商也未必按照设计去整定所有的断路器，而设计院对UPS的输入要求也未必那样清楚，或者只是按照“宁大勿小”的原则，按照以往设计的经验来选择断路器。到了电气安装时，安装人员只保证正确地连接电缆、合格的电气绝缘，至于断路器的整定，他们也是不予关注。对于UPS的供应商和他们的现场工程师，他们通常只会负责检查UPS输入的两个断路器及其整定，而不会检查更上一级的断路器及其整定，因为他们不是上级配电柜的供应商或设计人员。
　　
　　至此不难看出，整个电源系统得不到专业化的、统一的调整，致使经常出现断路器的异常脱扣、越级跳闸甚至于负载宕机的情况，这就是其中的最主要原因。
　　
　　2 案例分析
　　
　　（1）系统的原整定方案
　　
　　表1是某使用现场发现的一个具有典型意义的案例。
　　
　　其中，UPS容量为500kVA，主路输入电流约735A(380V时)，《安装手册》推荐的输入断路器为800A。由于该配电系统中的所有断路器没有进行过统一的整定，致使UPS整流器发生短路故障时，主输入的1,250A断路器没有动作，而将上级1,600A断路器及变压器出口的2,500A断路器顶掉，结果UPS无旁路输出，负载全部宕机。

该系统的各个断路器整定情况如图2所示。

　　
　　表1为该系统的框图和整定参数值。
　　
　　（2）故障现象分析
　　
　　该电源系统出现的越级跳闸情况，主要存在着如下的错误整定（或未整定）：
　　
　　①上下级断路器的过载电流整定比应大于1.6倍（电子脱扣器）；而此处1600A断路器上Ir=0.7xIn=0.7x1,600=1,120A；而下级1250A断路器上Ir=0.95xIn=0.95x1,250=1,187A，即当发生过载时，1,600A与1,250A可能同时跳闸，如上表Ir栏中的黄色阴影部分。
　　
　　②上下级断路器的过载延时应整定为至少一个时间级差，即2~4秒；而此处上级2500A断路器的tr=2秒，下级1600A断路器的tr=4秒，即当发生过载时，2,500A可能首先动作，而1,600A可能来不及跳闸。如上表tr栏中的灰色阴影部分。
　　
　　③上下级断路器的短路电流整定比应大于1.5倍；而此处上级1600A断路器的Isd=3xIn=3x1,600=4,800A，而下级1250A断路器的Isd=4xIr=4x1,187=4,748A(注：西门子脱扣器是按照Isd=nxIr整定——与施耐德Micrologic5.0一致，与伊顿穆勒电子脱扣器不同)。即发生短路时，1,600A与1,250A可能同时跳闸。如上表Isd栏中的黄色阴影部分。
　　
　　④上下级断路器的短路短延时应整定为至少一个时间级差，即0.1秒；而此处上级1600A断路器的ts=0.1秒，下级1250A断路器的ts=0.2秒，显然是反了。即当发生大电流短路时，1,600A可能首先动作，而1,250A可能还来不及跳闸。如上表tsd栏中的灰色阴影部分。
　　
　　⑤上下级断路器的大电流短路瞬时电流Ii至少应有差别（取决于框架电流之比，而与长延时短延时整定无关）；而此处上级Ii=2xIn=3,200A，而下级Ii=11xIn(固定)=13,750A，显然是不合理的。即发生大电流短路时，1,600A可能首先动作，而1,250A可能仍然不跳闸。如上表Ii栏中的黄色阴影部分。
　　
　　（3）调整后的方案
　　
　　根据“断路器整定”的原则，对各个断路器的脱扣器进行重新整定，如表2所示。
　　
　　3  结束语
　　
　　对于含有UPS的供电系统来说，配电保护是一个很容易被忽视的问题。人们往往更注重UPS、配电柜、断路器的品牌、质量、甚至于价格，在采购安装之后，就觉得万事大吉了，而往往忽视电源系统的整体安全性——统一的调整和整定。只有在出现事故甚至于重大事故之后才会花费时间、花费精力甚至于大量的资金去改造调整。这种“不交学费就不能提高”的做法已经与我们高速发展的信息时代不相融和。
　　
　　同时也需要注意，断路器的整定具有一定的原则性，但也需要一定的灵活性。因为短路电流与负载的类型、电路的阻抗等有关，这就使得断路器的容量选择和保护的整定变得多样化、复杂化。
　　
　　事实上，电路的保护、选择性整定、级联技术等等都已经是发展得非常完善成熟的专业技术，只要花费一点时间去学习是很容易掌握和运用的。也许正因为如此，才更容易被忽视。
　　
　　但愿我们的数据中心的管理者、设计人员和运行人员能够引起高度重视，不断提高运维水平才能保证数据中心的安全性可靠性。
　　
　　作者简介：
　　
　　韩林，1987年起从事UPS电源的现场服务，包括安装、调试和维修。2000年起从事UPS电源市场部工作，包括产品的市场宣传、技术研讨、应用开发等。2008年起从事多项大型数据中心建设项目。在《UPS应用》杂志发表过多篇技术文章。
　　
　　编辑：Harris