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)。　

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。