在UPS供电系统中,UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间,其上游是交流输入电源亦即低压配电系统,下游是各种关键负载。任何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。当市电电源停电或技术指标超出预定的容限时,UPS利用内部储能装置(蓄电池)继续运行为负载供电。市电长时间停电时,则必须起动备用发电机组供电。

在电信和数据中心等重要应用场合,低压配电系统通常采用两路市电和多台变压器,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需要进行转换。

传统的转换电路采用3极自动转换开关(ATS)。在3极ATS的转换电路中,当配电电路中发生接地故障时,接地故障电流有分流现象,导致接地故障保护装置(GFP)拒动,此外,中性线电流的分流将导致接地故障保护装置误动。近年来,在重要应用中均要求采用具有包括接地保护性能(GFP)的4段保护断路器。为了避免接地故障保护装置工作异常,4极ATS转换电路的应用日益增加。4极ATS的转换电路除了转换3个相线外,还增加第4个极即转换中性线,4极ATS的特点是保证互相转换的两个电源完全隔离,消除了接地故障电流和中性线电流的分流,保证了接地故障保护装置的正常工作。但转换过程中,中性线可能有中断,导致UPS中性线基准(接地)断开,引发UPS系统故障。

现已发现由于中性线基准断开,引起UPS设备工作异常,甚至导致UPS停机和负载停电的严重故障。UPS上游电源中性线的转换对GFP和UPS的影响已成为最受关注和亟待解决的问题。也是当前UPS系统设计必须考虑的重要内容。

本文讨论UPS上游电源转换电路的种类及原理,分析中性线基准断开时对UPS运行的影响,提出工程设计实用解决方法。

1   电信和数据中心低压配电接地系统和保护要求

按照YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》的规定,电信和数据中心的低压交流供电系统应采用TN-S系统。

TN-S系统具有许多优越性,例如,在TN-S系统中,有三相不对称负载和非线性负载时,中性线N中有电流流过,但保护地线PE中在正常时没有电流流过,因此保护地线PE上没有电压,对于设备机壳接保护地线PE的各个负载设备不会产生电磁干扰,所以适用于通信、数据处理和精密电子设备的应用场合。TN-S系统当保护地线PE断开时,在正常情况下不会使负载设备机壳接保护地线PE的设备机壳带电,比较安全。

需要说明的是,TN系统包括TN-S、TN-C和TN-C-S三个分系统,而电信和数据中心一般只采用TN-S系统。TN-C系统的PEN线有PE线和N线的作用,可节省一根导线。但是,TN-C系统在有三相不对称负载和有非线性负载时,其PEN线中有电流流过,因此对机壳接PEN线的各个负载设备会产生电磁干扰。TN-C系统还存在以下问题:

(1)对于单相负载设备,如果PEN线断开,则设备外壳将带220V电压。

(2)不能直接装设GFP(或RCD)保护器。TN-C-S系统在前面一段配电系统具有TN-C系统的特性,在后面一段配电系统具有TN-S的特性。

TN-S系统的保护主要有过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地故障保护。其中接地故障保护(GFP)是指相线与电气设备外露可导电部分(如机壳、建筑金属构件等)之间的短路,这与相线和中性线之间的短路、相线之间的短路不同。接地故障电流较小,常常不能使过流保护电器动作。接地故障点有时会出现电弧,故有易引起火灾的危险。因此,GFP接地故障保护十分重要。根据NEC的要求,TN系统中大于等于1000A的断路器必须采用GFP,欧盟有些国家已将GFP定为强制性要求。近年来我国电信和数据中心等低压配电系统工程中,重要开关均要求具有GFP接地故障保护功能。因此,如下所述,在进行市电和发电机转换电路设计时,应特别注意与GFP兼容的问题。

2   市电电源与备用发电机组的转换电路

市电电源与备用发电机组的转换电路,有采用3极ATS和采用4极ATS的两种转换电路。

2.1   采用3极ATS的转换电路

传统的市电和发电机转换电路采用3极ATS,只进行三个相线的转换,不进行中性线的转换。市电和发电机组中性线是公用的(两者的中性线固定连接在一起)。3极ATS转换电路在转换过程中中性线没有中断现象。

按照发电机中性线的接地位置的不同,采用3极ATS的转换电路有如下两种。

(1)发电机组的中性线通过市电中性线接地的转换电路

图1  采用3极ATS的市电和发电机转换电路 (发电机中性线通过市电进线柜接地)

图1示出传统的采用3极ATS的转换电路,发电机的中性线与市电中性线连接并在市电进线柜处接地。发电机组的中性线在发电机处不接地。发电机组的机座通过PE线在市电进线柜接地。
在这种转换电路中,因为电源系统的中性线仅在市电进线柜一处接地,对于接地故障的检测是安全可靠的,在市电供电的情况下,如果发生了接地故障,接地故障保护装置(GFP)将会正确地检测出接地故障电流,发出信号,使市电进线开关断开。

应该指出,图1是采用3极ATS时的正确电路,过去曾长期应用,一般情况下是比较理想的。但是,随着配电电路对接地故障保护的需求,图1的3极ATS转换电路暴露出一些缺点,例如:因为发电机组的中性线不在发电机处接地,在发电机侧不能实现接地故障检测(注:目前发电机输出断路器一般不设接地保护,但当有接地故障时应告警,故需要进行接地故障检测)。

值得特别注意的是,如果供电系统中有多个转换开关,有可能造成中性线电流的分流,使接地故障的检测出现错误,导致接地故障断路器在无接地故障时异常跳闸。如图2所示。在市电供电时,中性线电流会在市电和发电机的中线之间分配,流经3极ATS-2的中性线电流有一部分通过市电中性线返回市电电源,其余电流将流向发电机的中性线,并经另一个转换开关(3极ATS-1)返回市电电源。因为这部分电流未经过GFP-2检测电路,被认为是接地故障电流,故可能引起接地故障保护断路器K2在无接地故障时异常跳闸。

图2  具有多个3极转换开关的转换电路(市电供电时中线电流分流的情况)

(2)发电机组中性线在发电机处接地的转换电路

图3示出采用3极ATS,发电机组中性线在发电机处单独接地的转换电路。由发电机中性点引出的中性线与市电的中性点连接,发电机组的机座与中性点连接并在发电机处接地。在这种转换电路中,由于市电电源系统中性线在市电进线柜和发电机两处接地,会引起中性线电流和接地故障电流的分流,影响接地故障保护装置的正常工作。

图3  采用3极ATS的市电和发电机转换电路  (发电机组中性线在发电机处独立接地)

图4示出在市电供电的情况下,当发生接地故障时,故障电流IGF分流的情况。IGF有一部分通过自故障点至发电机中性点的PE线、发电机组中性点和公共的中性线N返回市电中性点,因而没有被GFP检测到。这可能造成有接地故障时接地故障保护装置拒动。

图4  采用3极ATS(发电机中性线独立接地)接地故障电流分流的情况

图5示出这种转换电路的另一个问题:中性线电流IN被分流。如图所示,IN有一部分经公共中性线、发电机的中性点和发电机组的接地线返回市电电源。这将可能出现GFP检测器对故障电流的误检测,造成在无接地故障时接地保护装置误动。

图5  采用3极ATS(发电机中性线独立接地)中性线电流分流的情况

2.2   采用4极ATS的转换电路

如前所述,传统的市电/发电机转换电路采用3极ATS,是不转换中性线的转换电路,无论发电机的中性线在何处接地,市电和发电机的中性线都是固定连接的。因而出现了接地故障电流和中线电流的分流现象,导致接地故障电流的检测错误。为了避免上述种种问题,应该进行中性线的转换,使市电和发电机组完全隔离。转换中性线的市电和发电机转换电路采用4极ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》规定:正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应当采用4极开关;带接地故障保护的双电源转换开关也应当采用4极开关。

4极ATS有中性线断开的转换开关和中性线触头重叠转换的转换开关两种。

(1)采用中性线断开的4极ATS转换电路

图6电路中,采用4极ATS,除了转换三个相线外,还利用第四个极转换中性线。实现了市电和发电机的完全隔离。发电机的中性线和机座在发电机处独立接地,与市电中性线没有连接。因此发电机是“独立系统”。这个电路消除了由于中性线多点接地而引起的接地故障检测错误和断路器的异常跳闸(见图4、图5)。此外,在发电机输出侧也可以进行接地故障检测和告警。

图6  采用4极ATS的转换电路(中性线先断后合)

中性线断开的4极ATS采用“先断后合”的方式进行转换,在转换过程中,两个电源的接地中线没有连接到一起,不会引起接地故障检测的错误。中性线转换极与相线转换极同时动作,以防止在感性负载情况下,如果中性线极先于相线极断开,在中性线上将产生瞬变高压和电弧而腐蚀触头。

有的4极ATS设计为中性线相对于相线,最后断开,最先闭合;即所谓中性线较相线“先合后分”,以减少转换中性线时产生电压瞬变的可能性。这种转换开关的中性线极的结构与相线极的结构相同,即中性线触头与相线触头具有相同的电流容量。然而这种转换电路在转换过程仍有中性线瞬时断开现象。

(2)采用中性线触头重叠的4极ATS的转换电路

隔离市电和发电机电源的另一个办法是采用带重叠中性线触头的4极ATS。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。这个电路,由于在转换过程中中性线始终没有断开,故不会产生异常的转换瞬变电压和电弧,因而中性线的触头不会因电弧而腐蚀。这个好处在有较大感性负载时特别明显。这种ATS的中性线触头开距较小,触头压力不高,不配备灭弧室,中性线触头材料与相线触头的材料也不尽相同。重叠中性线触头容量一般可以比相线转换极小些,故比较经济。因此,这种转换开关有时也称为具有重叠中性线触头的3极ATS。

图7的转换电路的缺点是在转换过程中两个电源的中性线有一段时间连接在一起,在此期间整个转换电路相当于采用3极ATS的转换电路(见图3),中性线电流的分流现象有可能造成接地故障电流检测错误和断路器异常跳闸(见图4、图5)。为此,可适当调节接地故障保护装置的响应时间,躲过转换过程两个电源的中性线重叠时间间隔。

图7  采用带重叠中性线触点的4极转换开关的转换电路

2.3   采用3极ATS和4极ATS转换电路的性能分析

综上所述,当前电信和数据中心低压配电电路中采用的市电/发电机组转换电路主要有四种,这四种转换电路的性能比较见表1。

表1  各种转换电路的性能

图1的3极ATS转换电路在只有一个ATS的场合,是比较理想的转换电路。

图3的3极ATS转换电路,在市电变压器和发电机两处接地,必然引起接地故障电流和中性线电流的分流,造成接地故障保护异常。此电路在工程中偶有所见,但属于设计或施工的失误,在市电低压进线开关采用接地保护的场合,应避免采用图3的转换电路。

图6和图7的4极ATS转换电路解决了3极转换开关电路对接地故障保护装置的影响问题,近年来应用日益增多。但由于采用的中性线转换方案的不同,尚存在着转换过程中性线中断的问题,值得注意和研究,谨慎采用。图6的电路转换过程中性线有中断现象,对下游电路特别是UPS有严重影响。图7的转换电路在中性线重叠期间对GFP装置有影响,因此要求中性线重叠时间不宜过长,同时应适当调节GFP的响应时间。（御风）