中性线的转换对UPS性能的影响和对策文档格式.docx
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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*,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*。
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
（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。
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。
CEMEPEuropeanUPSGuide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/EN62040-1-2UninterruptiblePowerSystems（UPS）Part1-2:
GeneralandsafetyrequirementsforUPSusedinrestrictedaccesslocations,4.9.22
[2]CEMEPEuropeanUPSGuide9-6isolationofneutral.
[3]IEC/EN60950-1Safetyofinformationtechnologyequipment,AnnexV.
[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
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