UPS供电系统设计技术探讨

UPS作为重要的备用电源设备，已经在金融、通信等传统领域的数据中心得到了广泛的应用，随着大功率UPS制造技术的不断突破，UPS正逐步大量应用于制造业、工业等领域的自动化生产线和DCS、PLC系统中。UPS供电系统接地设计、UPS供电方式及绿色性能等受到相关技术人员的关注。　　
　　
在UPS供电系统接地设计中，如何处理雩地电压问题，石化行业UPS应用中，针对不同的DCS系统接地方式，如何选择合理、适用的UPS接地方式，以及UPS供电系统与备用发电机如何实现容量匹配，本期栏目将继续邀请UPS用户专家和UPS厂商技术人员针对上述话题以及UPS选型等问题进行讨论、交流，同时欢迎感兴趣的读者能够积极参与。　　
　　
议题一、UPS供电系统接地设计　　
　　
1、UPS接地方式应与DCS采用的系统接地方式相配合(周瑶强／助理工程师新疆独山子乙烯厂电气车间)　　
　　
石化系统设计中，DCS有三种系统接地方式：隔离的中性点(IT)、接地的中性点(TT)和外露导电零部件连接到中性点(TN，又分为TN—C和TN—S)。DCS采用何种系统接地方式应从人身安全、设备保护和运行观点出发进行判断，选择正确的接地方式。当DCS采用的系统接地方式确定以后，就需要UPS采用相应的接地方式配合。　　
　　
DCS采用中性点隔离系统(IT)时，当发生一相接地时，接地电流、电压都很小，不会危害人员安全，也不会造成设备保护动作。如果此时采用绝缘监视装置(IMD)及时发现接地故障，并由一台故障定位装置进行定位并进行维修，消除故障点，那么不会造成任何损失。中性点隔离系统(IT)可以提供最好的服务连续性，化工企业必须使用这种系统才可以确保其连续运行的可靠性。　　
　　
DCS采用中性点接地系统(TT)时，当发生一相接地时，接地电压大，电流小，可能造成断路器不跳闸，危害人员安全，也会造成设备损坏。此时必须采用残余电流检测保护装置(RCD)才可以立刻将故障点断开，那么此断路器所带的设备将全部失电，可能因此造成装置停工。中性点接地系统(TT)是最容易设计和安装的方案，但是必须在所有的出线开关上装设残余电流检测装置(RCD)。
　　
DCS采用外露导电零部件接中性点系统(TN)时，当发生一相接地时，接地电压，电流都很大，会危害人员安全，也会造成设备损坏。但是由于此时的故障电流比采用中性点接地系统(TT)大4089／15.3=267倍，所以断路器可以非常快速地切断故障点，而不需要使用残余电流检测保护装置(RCD)，可以最大限度地保护人身安全。但这种方式是以断开故障点为代价，断路器所带的设备全部失电，可能因此造成装置停工。外露导电零部件接中性点系统(TN)在故障时有大的故障电流流过，很高的EMC性能，可以非常迅速地切断故障电流，最大限度地保护人身，设备的安全。　　
　　
用于UPS的接地系统类型可能采用的系统接地方式取决于：　　
　　
1)UPS上线已有的系统接地方式或为UPS上线专门选择的系统接地方式。
　
2)UPS下线的系统接地方式，其选择可能取决干：再次使用与上线相同的系统；上线或者下线安装有隔离变压器，它能改变系统的接地方式；负载要求(如计算机系统要求使用TN—C或TN—S)。下线配电系统的结构，带有静态切换开关(STS)。　　[p]
　　
3)某些要求是安全标准所强制执行的，例如，在保护导体PE或PEN中，永远也不允许中断以保证故障电流的流通。TN—C系统(没有中断的PEN)可以安装在TN—S系统的上线(N和PE是分离的)，但绝对不能反过来，将TN—S系统安装在TN—C系统的上线。
　　
2、UPS零地电压的产生及解决方法(江伟石／工程师中达电通UPS产品处技术总监　
　　
UPS零地电压产生的原因是由于在高频谐波下，导线之间不再是一个纯电组性元件，而是一个集电感、电容和电阻为一体的混合体。因为线间存在耦合电感和电容，高次谐波将在零线，地线之间产生一定的高频电流，也可能抬升零地电压。　　
　　
解决UPS零地电压有以下方法：　　
　　
(1)缩短零线长度，增大零线截面积可减小零线电抗，从而将低零地电压。该解决方案的优点是效果明显，从零线电抗计算公式Zn=ρL／S看，当线长L减小，导线载面积增大，Zn随之减小，零地电压也同时降低。但受到现场实际情况限制，不太容易实现。需要在机房初期设计阶段充分考虑，否则很难更改。　　
　　
(2)对于双变换在线UPS，当逆变器工作时，UPS输入端零线电流理论上应该为零。但由于机房输入配电柜内流过所有电缆的都是大电流，这些电流包括UPS、机房的逆变器、本楼层的照明以及空调等。每一根电缆都含有大量的电磁干扰，所有的这些电缆被捆扎在一起走长线，使得这些高频干扰互相串扰，高频干扰电流在零线、地线上流过带来了零、地之间的压降。从测试波形上看，零地之间的高频成分呈非固定频率的杂波，也可以反映干扰为多种设备电流的电磁干扰叠加。
　　
将UPS的相线和零线、地线分开走线，两者的距离应该保证在20cm以上，最好能做到40cm。其他动力电缆也应该远离UPS零线。如现场施工不能分开，零线和地线可考虑用铠装屏蔽电缆，可达到同样效果。　　
　　
(3)UPS负载端加隔离变压器，并将隔离后的零线接地。这种解决方案的优点在于能够非常有效地解决负载端零地电压问题。因为隔离后的零线接地，可以保证负载的零地电压趋近于零。隔离变压器是一个非常成熟的产品，品种全，可以满足各种功率等级的要求，供货周期短，价格低廉，而且安全可靠，无风险。目前计算机机房用户多采用这种配电方式。　　
　　
综上所述，推荐使用UPS负载端加装隔离变压器方案，此方案可一劳永逸地解决零地电压问题。在某些场合方案三不能实施时，可考虑方案一、二为备选。

3、较大的零地电压可加隔离变压器(施耐德一APC公司中国产品技术部技术总监　　
　　
零地电压的产生是由于不平衡负载产生的基波电流)以及3次和3n次谐波产生的高次谐波电流，其有效值包括不平衡基波电流和高次谐波电流，标准限值为有效值2V(GB50174—2008)，这是衡量零线是否接好的方法；但是lV不等于没有问题，5V也可能不发生问题。可通过平衡三相负载，降低谐波电流；降低零线电流传输阻抗(增大导线截面，减小节点阻抗，缩短零线传输距离，增加UPS端、负载端隔离变压器)对零地电压进行治理。UPS的内置逆变变压器不隔离中线，零地电压是系统原有特性。旁路加隔离变压器，重新产生中线，零地电压降低。对于无逆变变压器的UPS，最有效的隔离方法是在输入端采用两个独立的变压器，也町在输出端增加一个隔离变压器，或可在旁路增加一个隔离变压器，并使输入端共用。[p]
　　
议题二：UPS供电系统与上级电源匹配问题　　
　　
1、发电机+电力稳压器+“1+1”UPS并机系统的匹配调控 (李成章／高级工程师艾默生网络能源有限公司高级技术顾问)　　
　　
相关的检测数据表明：对于同一套UPS供电系统而言，不管工作在市电供电条件下，还是工作在发电机供电条件下，它不仅具有几乎相同的cosφ，输入功率因数PF，输入谐波电流绝对值，而且还具有非常近似的输入电流谐波的频谱分布曲线。发电机电源的高内阻是造成UPS供电系统输入电压失真度增大的主要原因，它极易导致电力稳压器及发电机的自动调压系统发生误动作／误调操作。为此，过去为UPS业界所经常使用的技术措施是利用增大发电机的输出功率同UPS的输出功率的容量比的办法改善发电机的带载特性(其实质是通过增大发电机容量的办法降低发电机的内阻)，从而导致投资成本增大。
　　
通过适当地“错开”两台电力稳压器的开机起动浪涌电流的发生时间及适当地调低电力稳压器的稳压精度，就能用l台150kV·A发电机驱动由两台100kV·A电力稳压器+80kV·A“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统，从而达到节约投资和运行成本的目的。　　
　　
为确保由电力稳压器+“1+1”UPS并机系统所组成的供电系统在发电机供电的条件下，也能安全和可靠地工作，需要对这套UPS供电系统执行如下的技术改进：　　
　　
将原来的输出功率为110kV·A的备用发电机组调换为150kV·A的备用发电机(常行功率)。　　
　　
2)考虑到因发电机电源被投入到电力稳压器的输入端上的时刻可能出现在具有正弦波形的交流电源的不同相位点上，并进而导致它的开机起动浪涌电流的幅值会发生较大差异的工作特性(其变化规律是当发电机电源投入的时刻出现在正弦波的电压峰值处时，它的输入起动浪涌电流的幅值为最小值；当其投入的时刻出现在正弦波的电压过零点处时，其起动浪涌电流的幅值为最大值)。

鉴于在过去的测试中，两台电力稳压器的输入端上曾经记录到的最大开机起动浪涌电流是一串幅值为220A左右、持续时间较长达0.2s左右的单极性衰减波形。为改善发电机的运行环境，尽可能地降低由电力稳压器的开机起动浪涌电流所可能带来的不利影响。建议相应的电力稳压器厂家将两台稳压器的开机起动时间错开3s左右。　　
　　
3)为改善发电机的运行条件，建议相应的UPS厂家对80kV·A“1+1”UPS并机系统进行再调整，以便尽量地减小两台UPS之间的输入电流和输出电流的均流不平衡度(通常期望值5％)及它们之间的环流，从而提高UPS并机系统运行的可靠性的目的。　　
　　
为提高由150kV·A发电机+两台100kV·A电力稳压器+80kV·A“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统的运行的可靠性和稳定性，常用的技术措施有：　　
　　
(1)降低UPS的输入电流谐波分量对于中、大型UPS而言，可选用6脉冲整流+5次谐波滤波器型UPS、12脉冲整流器型UPS、12脉冲整流+11次谐波滤波器型UPS和6脉冲整流+有源滤波器型UPS。对于中，小型UPS而言，可选用IGBT脉宽调制整流器型UPS。　　[p]
　　
(2)提高“l+l”UPS并机系统的并机性能：通过准确、合理的并机调机操作尽可能降低UPS并机系统的环流和两台UPS输出电流的均流不平衡度，从而尽可能提高它对发电机电源的适应能力。　　
　　
(3)在此次对由发电机+电力稳压器+“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统所执行的系统匹配性调控操作中，唯一没有得到明显技术改善的部件是用“热同步并机”调控技术的UPS冗余并机系统的并机输出特性较差。有关的并机调控操作的实践表明：由于种种原因所限，对于这套80kV·A“1+1”UPS并机系统而言，它的并机工作特性、至今仍然处于不能令人满意的工作状态之中。　　
　　
(4)为尽可能地降低备用发电机的输出功率同UPS供电系统的输出功率的容量比，可供选择的技术措施有：
　　
1)通过适当地“错开”两台电力稳压器的开机起动浪涌电流的出现时刻点之间的迟时值及适当地调低电力稳压器的稳压精度，就能用150kV·A发电机正常地驱动由两台100kV·A电力稳压器+80kV·A“1+1”UPS并机系统所组成的UPS供电系统，从而达到避免使用过份地增大发电机容量技术措施的目的(如来用>250kV·A以上的发电机组)。　　
　　
2)对于配置有发电机运行控制信号的UPS来说，可供用户选用技术手段是将来自发电机的主输出开关上的发电机工作辅助触点信号馈送到UPS的指定干接点通信接口上。此时，可利用这组输入信号来限制UPS输入电流及电池充电电流，并禁止逆变器与旁路电源同步，达到同时确保发电机和UPS稳定工作的目的。这个特性常用于市电停电后，由容量较小的发电机向UPS供电的用户。　　
　　
3)在电力稳压器和备用发电机的自动稳压调控线路的电压采样输入信号线路的前端、增配小功率的5次谐波／11次谐波滤波器。
　
2、UPS供电系统与上级电源之问的容量匹配(江伟石／工程师中达电通UPS产品处技术总监)　　
　　
在UPS与发电机匹配使用中，只需为UPS配置少量后备电池以备切换时使用。发电机与市电转换即可以手动，也可以设置自动切换设备(ATS)。当市电出现故障，自动切换设备(ATS)将自动切换到发电机端，发电机经过一定的时间延迟(可根据客户需要设定时间)自动起动，提供电力保障。
　　
由于发电机的内阻较高(比变压器高2～3倍)，增加了谐波的副作用。对于同一套UPS供电系统言，当它处于发电机供电的条件下运行时，它的输入电压谐波分量明显地高于在市电供电条件下的输入电压谐波分量。
　　
简单来讲，对于高频机其与上级发电机的容量比可l：1.5。而对于工频机，容量比为1：2~4。