引言
　　
　　在UPS配电系统中,UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间,其上游是交流输入低压配电系统,下游是各种关键负载。UPS在正常情况下都是以市电为输入能源，UPS将市电电源进行适当的变换和调节，供给负载稳定可靠的交流电源。当市电停电或技术指标超出预定的容限时，UPS利用储能装置(蓄电池)继续运行为负载供电。市电长时间停电时，超过储能装置(蓄电池)后备时间，则必须起动备用发电机组供电。
　　
　　在数据中心等重要应用场合,低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器，并配置一台或多台备用发电机组。为了确保UPS输入电源的供给，市电与备用发电机组之间、双重市电电源以及母联开关之间等需要进行转换。如果这些开关选用4极开关，在转换过程中间，必然涉及到中性线可能断开的问题。那么，中性线断开对UPS配电系统有什么影响呢？
　　
　　1 输入电源中性线中断对UPS配电系统的影响分析
　　
　　1.1 数据中心UPS的接地系统和中性线基准
　　
　　UPS对其所连接的负载而言是一个交流电源,对市电电源而言是一个负载。也就是说，UPS涉及到两个低压配电系统，即上游配电系统和下游配电系统。上游接地系统是指市电至UPS输入端的低压接地系统,下游接地系统是指UPS输出端至关键负载的低压接地系统。
　　
　　根据GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.6条：数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S系统。
　　
　　图1是当前普遍采用的一类内置逆变输出变压器Tr2的双变换UPS的电路图。图中UPS的上游接地系统为TN-S，UPS的下游接地系统也是TN-S。UPS的主输入和旁路输入均由副边为Y型接法、中性点接地的市电变压器Tr1供给，UPS输出中性线和负载中性线固定接到市电电源的中性线，市电电源的中性线在低压进线柜中连接到接地极上。因此，UPS电源的输出中性线不是独立接地，而是通过上游电源的中性线接地。即UPS输出中性线是由其输出变压器产生,而中性线的基准(接地)是从市电的中性线取得的。

　           　　         图1   有变压器UPS的接地系统
　　
　　图2是当前普遍采用的另一类无变压器UPS中性线连接的示意图，市电输入中性线与逆变器输出的中性点(即蓄电池的中心点)连接,其余与图1完全相同。因此UPS的中性线的基准(接地)也是通过市电的中性线接地的。
　　
　　                           图2 无变压器UPS的接地系统
　　
　　UPS中性线基准从市电输入电源的中性线取得是比较经济的方法,但UPS的中性线基准完全依赖于市电输入电源中性线的基准。
　　
　　1.2 UPS的输入中性线断开引发的问题
　　
　　如果UPS的输入中性线断开，因各厂家UPS内部电路多种多样，部分UPS可能出现下列问题：
　　
　　•导致部分UPS需要三相4线电源供电的整流器和其他部件的运行异常，UPS转为电池运行模式
　　
　　•导致部分UPS逻辑电路的参考点丢失
　　
　　在部分UPS控制电路中，中性线接地基准是用作UPS逻辑电路的参考点的，如果系统在运行时中性线接地基准断开，将会产生瞬变电压，导致UPS检测电路出现错误。例如：UPS误认为输出电压过高或过低而转旁路，或者使UPS关机等。
　　
　　•导致EMC/RFI抑制电路的功能失效
　　
　　部分UPS中的EMC/RFI抑制电路的功能只能在预定的TN-S系统下有效，中性线基准断开后，配电系统的瞬变将可能超过EMC/RFI的抑制能力，因而影响UPS的正常运行。
　　
　　•导致UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统
　　
　　由于UPS的输入中性线断开，UPS输出的中性线接地会丢失，因此使UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统。这不符合GB50174-2017《数据中心设计规范》的要求。且IT接地系统需要绝缘监视装置（IMD）和故障定位装置对第一次绝缘故障时告警,定位并消除故障，以防止二次短路故障潜在的危险电流。但由于原TN-S系统一般无绝缘监测和告警设备，因此存在更大的潜在危害。
　　
　　更重要的是，当UPS输入电源中断时，UPS运行在电池放电模式给负载供电，UPS输出三相继续带电运行，中性线接地基准的断开会使负载侧中性点偏移和三相电压不平衡，负载较轻的一相电压升高，负载较重的一相电压下降，造成负载工作异常，严重情况下甚至导致单相负载设备烧坏。（业内多处数据中心曾发生相关案例）
　　
　　2 UPS上游的低压配电系统接地型式建议
　　
　　在数据中心，低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器，并配置一台或多台备用发电机组，数据中心低压配电系统的接地型式是典型的多电源TN系统。根据国家标准GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》P25页对多电源TN系统的接地要求：
　　
　　对于具有多电源的TN系统（图3）和的对用电设备采用单独PE和N的多电源TN-C-S系统，应符合下列要求：
　　
　　1)不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接；
　　
　　2)中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与用电设备连接；
　　
　　3)电源中性点间相互连接的导体与PE之间，应只一点连接，并应设置在总配电屏内；
　　
　　4)对装置的PE可另外增设接地；
　　
　　               图3 对用电设备采用单独PE和N的多电源TN-C-S系统
　　
　　结合国家建筑标准设计图集14D504《接地装置安装》P194页：
　　
　                     　图4 电网和柴油发电机系统接地示意图
　　
　　从标准规范和图集可以看出，变压器和发电机组的N线都不应在其本体处直接接地，两者的N线只在配电柜内与PE一点连接。这样从变压器或发电机出来连接到配电柜的N线应是PEN线，根据规范PEN线上是严禁设置开关断开PEN线的，所以从变压器和发电机引来电源的进线开关需设计为3极开关，变电所母联开关也可设计为3极。（此点也可参见著名电气专家王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第4节配电变电所内总开关和母联开关不需装用4极开关）
　　
　　形成如下图所示配电系统：
　　
　　           图5  配电系统集中一点接地（引自《西门子供配电系统设计手册》）
　　
　　在现代大型数据中心中，很多设计UPS系统容量已接近变压器容量，UPS的输入直接就连接到变压器出口的一级配电柜中。如采用上述低压配电系统接地型式和3极开关，将极大地避免UPS的输入中性线断开引起的问题。
　　
　　3 UPS上游的4极转换开关建议采用中性线重叠转换开关
　　
　　上图5配电系统集中一点接地的情况比较适用于多电源相邻的情况，但现实中很多时候发电机组距离变配电所很远，如果发电机中性线还是在变配电所一点接地，当发电机端发生接地故障，会因故障点距离接地点太远造成故障电流小，不易实现故障保护动作，存在安全隐患，所以必须要有发电机组中性线单独接地的情况。配电系统存在2处接地点，如图6所示情况：
　　
　            　 图6  配电系统2点集中接地（引自《西门子供配电系统设计手册》）
　　
　　这时，市电与油机切换的转换开关就必须用4极转换开关。为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题，建议采用中性线重叠转换开关。
　           　

       图7 中性线重叠转换开关

带有中性线重叠转换功能的自动转换开关，其N线构造与相线不同——N与L1/L2/L3不同时动作。在转换过程中，确保每一时刻均有一路电源的N线保持与负载连接。
　　
　　这种转换开关在转换过程中,市电和发电机的中性线是重叠接在电路中的，即以“先合后断”的方式进行中性线转换，或称为“中性线重叠转换”,如图7所示。当从市电向发电机转换时，首先接上发电机的中性线，然后转换3个相线，再断开市电的中性线，最后，ATS的4极开关与发电机电源连接。反之亦然。即转换过程中负载的中性线同时与市电和发电机的中性线连接，转换后只与市电或发电机一个电源的中性线连接,实现了市电和发电机的中性线完全隔离。需要注意的是：带有中性线重叠转换功能的开关其中性线始终连接负载，不能具备双分位置；带有中性线重叠转换功能的开关可能造成接地保护失效；如需要接地保护，请设置延时以躲过中性线重叠时间。
　　
　　另外，UPS系统容量较小时，设计中多会将UPS接入二级配电系统。当一级配电系统采用上图5的系统架构，为避免三极转换开关将产生杂散电流而引起不良后果（如图8），UPS上游的二级配电系统常常会应用4极转换开关。同上述分析，此时也建议采用具有中性线重叠转换功能的4极转换开关。
　　
　　图8 两电源共用配电盘，末端装用3极电源转换开关将产生杂散电流而引起不良后果（引自王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第5节）
　　
　　4 UPS上游已存在4极开关或中性线断开4极转换开关的对策
　　
　　现有建筑电气设计中可以看到变电所设计时变压器出口总开关、母联开关和发电机出口总开关采用4极开关的情况，也经常看到4极转换开关采用的是中性线断开的4极转换开关。当UPS上游配电系统存在这些情况时，为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题，建议可采用如下应对措施：
　　
　　1)对于需要输入中性线才能正常工作的UPS电源，建议在UPS输入端增加隔离变压器，隔离变压器二次侧采用星型连接，中性点直接接地。

　　                   图9 UPS输入端加装隔离变压器

　　2)对于不需要输入中性线也能正常工作的UPS电源，建议在UPS旁路输入端、输出端或列头配电柜增加隔离变压器，隔离变压器二次侧采用星型连接，中性点直接接地。

　　                       图10 UPS 旁路输入端加装隔离变压器
    

                       图11 UPS输出端加装隔离变压器
   

                      图12  列头配电柜加装隔离变压器

　　在旁路输入端加装隔离变压器的优点是不占用UPS的容量，但缺点是当切换到旁路供电时冲击电流会使电压有瞬时跌落，且距离负载如果太远，负载端零地电压可能稍大；在输出端或列头配电柜加装隔离变压器的优点是可以靠近负载，负载端零地电压小，但缺点是需要占用UPS的容量，且变压器的励磁涌流需要加以限制才能保证UPS逆变器正常运行。
　　
　　无论在哪里增加隔离变压器，隔离变压器的占地和投资对用户来说都是增加建设成本。
　　
　　5 结束语
　　
　　随着数据中心建设的快速发展，UPS的应用越来越广泛，UPS装机容量也越来越大。为减小因为UPS输入中性线断开而给用户带来的损失，建议从低压配电系统的整体架构着手，UPS电源上游低压配电开关采用3极开关或4极中性线重叠转换开关为宜。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]王厚余 低压电气装置的设计安装和检验（第二版）北京：中国电力出版社，2007
　　
　　[2]刘希禹 中性线的转换对UPS性能的影响和对策UPS应用（2013-03-04）http://www.upsapp.com/articledetail.asp?id=795
　　
　　[3]中国电力科学研究院 GB50065-2011交流电气装置的接地设计规范北京：中国计划出版社，2011
　　
　　[4]中国电子工程设计院 GB50174-2017数据中心设计规范北京：中国计划出版社，2017
　　
　　[5]中国建筑标准设计研究院 国家建筑标准设计图集14D504接地装置安装
　　
　　[6]施耐德电气 WOTPC系列自动转换开关产品目录SCDOC18582016.11
　　
　　[7]西门子(中国)有限公司供配电系统设计手册第一册：配电系统设计原则TIPCoC,2012
　　
　　编辑：Harris