3   输入电源中性线中断对UPS 的影响

3.1   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涉及到两个低压供电系统,即上游供电系统和下游供电系统。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。

用于电信和数据中心、计算机系统的UPS,其上游和下游接地系统均应采用TN-S系统。如前所述,TN-S是电信系统最理想的低压接地系统,通信局(站)的低压配电系统都采用TN-S系统,也就是说安装在通信局站UPS的上游接地系统必然是TN-S系统。UPS的下游是为关键负载ICT(信息和通信技术设备)供电的,也应采用TN-S系统。

图8是当前普遍采用的,有输出变压器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8  有变压器UPS的接地系统

图9是无变压器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8完全相同。因此UPS 的中性线也是通过市电的中性线接地的。

图9  无变压器UPS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的中性线基准依赖于市电输入电源中性线的基准。当UPS上游电源转换采用中性线先断后合的4极ATS,或UPS上游低压进线柜和UPS交流输入配电屏采用4极断路器时,就可能引起UPS系统的中性线基准断开,导致UPS和负载设备的工作异常。

3.2   UPS输入中性线断开的危害分析

(1)中性线长时间断开

中性线长时间断开是指在正常供电的情况下中性线长时间的断开,而三个相线仍然正常连接和供电,即通常所说的“断零”。“断零”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,甚至导致单相负载设备烧坏。

此外,“断零”对UPS的危害有:

①导致需要三相4线电源供电的整流器和其他部件的运行异常

②导致UPS逻辑电路的参考点丢失

在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。

③导致EMC/RFI抑制电路的功能失效

UPS和一些负载设备中的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。

④导致UPS输入和输出供电系统从TN-S转换到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输入和输出供电系统均从TN-S转变为IT系统。这不符合YD/T5040《通信电源设备安装工程设计规范》的要求。因此,当负载出现相间短路或接地短路故障时,由于故障电流较小,不会使断路器断开。虽然第一次短路故障可以不断开电源,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。

(2)中性线瞬时中断

当UPS上游市电和发电机电源转换采用先断后合4极ATS时,UPS输入中性线会出现瞬时中断,中性线瞬时中断与“断零”不同,“中性线与相线转换极同时动作的4极ATS”在转换过程中相线和中性线同时断开和同时接通,不存在使负载侧中性点偏移和三相电压不平衡的问题,但会使UPS的输入和输出中性线接地基准断开。同样,“中性线最后断开,最先闭合的4极ATS”也只存在UPS的输入和输出中性线接地基准断开的问题。UPS输出中性线不是断线,UPS的逆变器仍然可以产生中性线,只是中性线没有接地。

UPS的输入和输出中性线接地基准断开的危害与“断零”时对UPS的危害相同。

(3)中性线基准断开对负载设备的危害

有些重要负载设备在UPS输出中性线基准断开时受到的影响与UPS的情况类似。

3.3   对UPS中性线的基本要求

IEC/EN62040-1-2和GB7260-4明确规定:在UPS输出中性线依赖于输入电源中性线的场合,应提供适当的安装设计说明,防止由于电源的隔离/转换引起中性线基准的中断现象。

CEMEP European UPS Guide也明确规定:许多UPS系统采用输入电源的中性线作为UPS输出中性线的基准,当对UPS上游电源采用多电源隔离或转换时,应特别注意要确保输入电源中性线基准在UPS运行期间不会断开。

下面是对UPS中性线具体的要求和措施。

(1)UPS上游和下游均采用TN-S系统

输入市电电源中性线固定接地,且仅在变压器(或低压进线柜处)一处接地。UPS输入和输出供电系统均为TN-S系统。

(2)UPS输入中性线和输出中性线连接

UPS输出的中性线与市电输入中性线连接,并通过市电中性线接地。

(3)UPS输入中性线不应长时间断开

UPS上游低压配电分路均应采用3极断路器。确保UPS上游的断路器在任何状态下,从市电中性点至UPS的中性线输入端的电路都不会断开。

(4)UPS输入中性线不应瞬时断开

在UPS上游电源转换的情况下,不允许UPS 输入中性线瞬时断开。有些UPS可能在输出端采用输出隔离变压器Tr1,或借助于输出配电单元(PDU)中的隔离变压器Tr2获得新的与市电中性线隔离的、独立接地的中性线。因此可保证UPS输出中性线接地基准(即负载设备的输入电源中性线接地基准)不会中断,如图10所示。但是,为了确保UPS自身的正常运行,仍不允许UPS输入中性线断开。

图10  借助于输出隔离变压器产生独立电源(SDS)的UPS

(5)严禁在UPS输出端将中性线与地线(PE)直接连接

不允许在UPS输出端将UPS输出中性线直接连接到接地极或PE线,这样虽然可以保证UPS输出中性线基准的连续不断,但由于TN-S系统的中性线多点接地,将会引发供电系统更严重的故障。

4   上游电源中性线转换的UPS 解决方案

4.1   采用中性线重叠转换的4极ATS转换电路。

随着配电系统对接地故障保护(GFP)要求越来越高,为保证GFP的正常运行,多电源的中性线必须隔离,采用4极ATS已成为必然趋势。其中中性线重叠转换4极ATS转换电路(见图7)既解决了对GFP的影响问题,又不会引起中性线中断。而中性线先断后合的4极ATS(见图6)对UPS和负载设备运行尚有严重影响,已被现场故障所证实。因此,在UPS应用中,中性线重叠转换的4极ATS转换电路是唯一最佳选择,如图11所示。

图11  上游采用中性线重叠转换ATS的UPS

此外,在暂未采用接地保护GFP的配电系统或采用了GFP保护装置但系统中只有一个ATS的场合,也可以采用图1中3极ATS的转换电路。

4.2   采用中性线先断后合4极ATS 的解决方案

如果UPS上游已采用了中性线先断后合4极ATS的转换电路(见图6),可考虑采用以下方案:
(1)增加旁路隔离变压器

图12是UPS的主输入直接从副边为Y型接法,中性线接地的市电变压器电源引入;旁路输入由同一电源的另一分路经旁路隔离变压器引入。旁路隔离变压器的副边也是Y型接法,中性点接地。旁路隔离变压器的中性线连接到UPS输出中性线。实际上,UPS的输出中性线是通过旁路隔离变压器的中性线接地的。

图12  用旁路隔离变压器产生输入中性线的UPS接地系统

这种接地电路的特点是:

①UPS的输出中性线与旁路变压器的中性线连接。旁路变压器的中性线是通过旁路变压器副边产生并独立接地,这个中性线基准不会因上游中性线转换而断开。而且避免了与低压配电系统中其它负载公用中性线的情况。因而有利于UPS输出中性线对地电压(零地电压)的控制;

②UPS的输出中性线和市电输入电路的中性线是通过旁路变压器隔离的;

③如果UPS设备与旁路变压器的位置距负载比较近,可以有效抑制共模噪声,确保UPS输出“零地电压”较小。

图12的电路适用于传统有变压器的UPS,隔离变压器固定接在旁路电路中,因为整流器只需要3相3线电源(无中性线),仍由市电变压器供电,在正常情况下工作于整流-逆变的双变换方式,由市电直接供电,没有因为增加了旁路变压器而增加损耗。

(2)增加UPS输入变压器

因为无变压器UPS的整流器也需要3相4线(包括中性线)电源,上述隔离变压器必须同时为整流器和旁路提供3相4线电源。对于无变压器UPS,需要增加一台输入隔离变压器,主输入和旁路输入均由这个输入隔离变压器供电,如图13所示。

图13  用输入隔离变压器产生输入中性线的UPS接地系统

(3)UPS直接接入中性线中断的电源设备的可能性探讨

在采用中性线先断后合4极ATS的情况下，假设某UPS设备在输入电源中性线中断100～200ms的情况下，不会引起UPS工作异常；而且低压配电系统市电和发电机组转换电路的4极ATS在转换过程中中性线中断时间小于50～60ms。在理论上这种情况可以考虑直接接入中性线中断的低压配电系统电源。但需经厂家承诺和试验核实，慎重设计。

值得注意的是,在以上情况下,尽管UPS可以正常运行,但中性线中断现象对UPS下游负载的影响依然存在,这可以通过采用输出隔离变压器(见图10)或利用UPS输出精密配电柜中的隔离变压器加以解决。即由隔离变压器的副边产生一个独立接地的中性线,构成一个新的TN-S系统

5   结束语

(1)为确保市电低压配电系统接地故障保护(GFP)的正常运行,市电和备用发电机组之间的转换电路应采用4极ATS。

(2)为确保ATS下游UPS设备的正常运行,应采用中性线重叠转换(或中性线先合后断转换)的4极ATS。

(3)市电低压配电柜和UPS输入配电柜应采用3极断路器(在有总等电位联结的情况下,TN-S系统一般不需要设4极开关),以确保UPS的输入中性线不会断开。

(4)如果市电和发电机组之间的转换电路已采用了中性线先断后合的4极ATS,UPS可采用旁路隔离变压器或输入隔离变压器解决方案。

参考文献
[1] IEC/EN 62040-1-2 Uninterruptible Power Systems (UPS) Part 1-2:General and safety 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 不间断电源,第1-2部分 限制触及区使用的UPS的一般规定和安全要求.
[5] YD/T5040-2005 通信电源设备安装设计规范.
[6] JGJ/T16-2008民用建筑电气设计规范.

作者简介

刘希禹,男。中讯邮电咨询设计院有限公司教授级高工,长期从事通信电源研究设计工作。曾获全国科技大会奖和省部级科技进步奖多项,出版专著二册,发表论文70余篇,多次参加国际电信能源会议(INTELEC)并发表论文。享受国务院政府津贴。

（御风）