中性線的轉(zhuǎn)換對UPS電源性能的影響和對策

圖1 采用3極ATS市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線通過市電進(jìn)線柜接地)

圖2 具有多個3極轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換電路(市電供電時中線電流的分流的情況)

(2)發(fā)電機(jī)組中性線在發(fā)電機(jī)處接地的轉(zhuǎn)換電路

圖3示出采用3 極ATS，而發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處單獨接地的轉(zhuǎn)換電路。由發(fā)電機(jī)中性點引出的中性線與市電的中性點連接，發(fā)電機(jī)組的機(jī)座與中性點連接并在發(fā)電機(jī)處接地。在這種轉(zhuǎn)換電路中，由于市電電源系統(tǒng)中性線在市電進(jìn)線柜和發(fā)電機(jī)兩處接地，會引起中性線電流和接地故障電流的分流，影響接地故障保護(hù)裝置的正常工作。

圖3 采用3極ATS 的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路(發(fā)電機(jī)中性線在發(fā)電機(jī)處獨立接地)

圖4示出在市電供電的情況下，當(dāng)發(fā)生接地故障時，故障電流IGF分流的情況。IGF有一部分通過自故障點至發(fā)電機(jī)中性點的PE線、發(fā)電機(jī)組中性點和公共的中性線N返回市電中性點，因而沒有被GFP檢測到。這可能造成有接地故障時接地故障保護(hù)裝置拒動。

圖5 示出這種轉(zhuǎn)換電路的另一個問題：中性線電流IN被分流。如圖所示，IN有一部分經(jīng)公共中性線、發(fā)電機(jī)的中性點和發(fā)電機(jī)組的接地線返回市電電源。這將可能出現(xiàn)GFP檢測器的對故障電流的誤檢測，造成在無接地故障時接地保護(hù)裝置誤動。

圖4 采用3極ATS(發(fā)電機(jī)中性線獨立接地)接地故障電流分流的情況

圖5 采用3極ATS(發(fā)電機(jī)中性線獨立接地)中性線電流分流的情況

3.2 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

如前所述，傳統(tǒng)的市電/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用3極ATS，是不轉(zhuǎn)換中性線的轉(zhuǎn)換電路，無論發(fā)電機(jī)的中性線在何處接地，市電和發(fā)電機(jī)的中性線都是固定連接的。因而出現(xiàn)了接地故障電流和中線電流的分流現(xiàn)象，導(dǎo)致接地故障電流的檢測錯誤。顯而易見，為了避免上述種種問題，應(yīng)該進(jìn)行中性線的轉(zhuǎn)換，使市電和發(fā)電機(jī)組完全隔離。轉(zhuǎn)換中性線的市電和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電路采用4極ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范》規(guī)定：正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間的轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān);帶接地故障保護(hù)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用4極開關(guān)。

4極ATS有中性線斷開的轉(zhuǎn)換開關(guān)和中性線觸頭重疊轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換開關(guān)兩種。

(1) 采用中性線斷開的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

在圖6的電路中采用4極ATS，除了轉(zhuǎn)換三個相線外，還利用第四個極轉(zhuǎn)換中性線。實現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的完全隔離。發(fā)電機(jī)的中性線和機(jī)座在發(fā)電機(jī)處獨立接地，與市電中性線沒有連接。因此，發(fā)電機(jī)是“獨立系統(tǒng)”。這個電路消除了由于中性線多點接地而引起的接地故障檢測錯誤和斷路器的異常跳閘(圖4，圖5)。此外，在發(fā)電機(jī)輸出也可以進(jìn)行接地故障檢測和告警。

中性線斷開的4極ATS采用“先斷后合”的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中，兩個電源接地的中線沒有連接到一起，不會引起接地故障檢測的錯誤。中性線轉(zhuǎn)換極與相線轉(zhuǎn)換極同時動作，以防止在感性負(fù)載的存在的情況下，如果中性線極先于相線極斷開，在中性線上產(chǎn)生瞬變高壓和電弧、觸頭腐蝕的現(xiàn)象。

有的4 極ATS設(shè)計為中性線相對于相線，最后斷開，最先閉合;即所謂中性線較相線“先合后分”，以減少轉(zhuǎn)換中性線時產(chǎn)生電壓瞬變的可能性。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)的中性線極的結(jié)構(gòu)與相線極的結(jié)構(gòu)相同，即中性線觸頭與相線觸頭具有相同的電流容量。然而這種轉(zhuǎn)換電路在轉(zhuǎn)換過程仍有中性線瞬時斷開現(xiàn)象。

圖6 采用4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(中性線先斷后合)

(2) 采用中性線觸頭重疊的4極ATS的轉(zhuǎn)換電路

隔離市電和發(fā)電機(jī)電源的另一個辦法，是采用帶重疊中性線觸頭的4極ATS。這種轉(zhuǎn)換開關(guān)在轉(zhuǎn)換過程中，市電和發(fā)電機(jī)的中性線是重疊接在電路中的，即以“先合后斷”的方式進(jìn)行中性線轉(zhuǎn)換。或稱為“中性線重疊轉(zhuǎn)換”。如圖7示，當(dāng)從市電向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換時，首先接上發(fā)電機(jī)的中性線，然后轉(zhuǎn)換3個相線，再斷開市電的中性線，最后，ATS的4極開關(guān)與發(fā)電機(jī)電源連接。反之亦然，即轉(zhuǎn)換過程中負(fù)載的中性線同時與市電和發(fā)電機(jī)的中性線連接，轉(zhuǎn)換后只與市電或發(fā)電機(jī)一個電源的中性線連接，實現(xiàn)了市電和發(fā)電機(jī)的中性線完全隔離。這個電路，由于在轉(zhuǎn)換過程中中性線始終沒有斷開，故不會產(chǎn)生異常的轉(zhuǎn)換瞬變電壓和電弧，因而中性線的觸頭不會因電弧而腐蝕。這個好處在有較大感性負(fù)載時特別明顯。這種ATS的中性線觸頭開距較小，觸頭壓力不高，不配備滅弧室，中性線觸頭材料與相線觸頭的材料也不盡相同。重疊中性線觸頭容量一般可以比相線轉(zhuǎn)換極小些，故比較經(jīng)濟(jì)。因此，這種轉(zhuǎn)換開關(guān)有時也稱為具有重疊中性線觸頭的3極ATS。

圖7轉(zhuǎn)換電路的缺點，是在轉(zhuǎn)換過程中兩個電源的中性線有一段時間連接在一起，在此期間整個轉(zhuǎn)換電路相當(dāng)于采用3極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖3)，中性線電流的分流現(xiàn)象有可能造成接地故障電流檢測錯誤和斷路器異常跳閘(圖4，圖5)。為此，可適當(dāng)調(diào)節(jié)接地故障保護(hù)裝置的響應(yīng)時間，躲過轉(zhuǎn)換過程兩個電源的中性線重疊時間間隔。