中性線的轉(zhuǎn)換對UPS電源性能的影響和對策

(2) 中性線瞬時中斷

當(dāng)UPS上游市電和發(fā)電機電源轉(zhuǎn)換采用先斷后合4極ATS時，UPS輸入中性線會出現(xiàn)瞬時中斷。中性線瞬時中斷與“斷零”不同，“中性線與相線轉(zhuǎn)換極同時動作的4極ATS”，在轉(zhuǎn)換過程中相線和中性線同時斷開和同時接通，不存在使負(fù)載側(cè)中性點偏移和三相電壓不平衡的問題，但會使UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開。同樣，“中性線最后斷開，最先閉合的4極ATS”也只存在UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的問題。UPS輸出中性線不是斷線，UPS的逆變器仍然可以產(chǎn)生中性線，只是中性線沒有接地。

UPS的輸入和輸出中性線接地基準(zhǔn)斷開的危害與“斷零”對UPS的危害相同，參見本節(jié)的(1)中分析。

(3) 中性線基準(zhǔn)斷開對負(fù)載設(shè)備的危害

有些重要負(fù)載設(shè)備在UPS輸出中性線基準(zhǔn)斷開時受到的影響與UPS的情況類似。

4.3 對UPS 中性線的基本要求

IEC/EN62040-1-2和GB7260-4明確規(guī)定：在UPS輸出中性線依賴于輸入電源中性線的場合，應(yīng)提供適當(dāng)?shù)陌惭b設(shè)計說明，防止由于電源的隔離/轉(zhuǎn)換引起的中性線基準(zhǔn)的中斷現(xiàn)象。

CEMEP European UPS Guide也明確規(guī)定：許多UPS系統(tǒng)采用輸入電源的中性線作為UPS 輸出中性線的基準(zhǔn)，當(dāng)對UPS上游電源采用多電源隔離或轉(zhuǎn)換時，應(yīng)特別注意要確保輸入電源中性線基準(zhǔn)在UPS運行期間不會斷開。

對UPS中性線的具體要求和措施介紹如下。

(1)UPS上游和下游均采用TN-S系統(tǒng)

輸入市電電源中性線固定接地，且僅在變壓器(或低壓進線柜處)一處接地，UPS輸入和輸出供電系統(tǒng)均為TN-S系統(tǒng)。

(2)UPS輸入中性線和輸出中性線連接

UPS輸出的中性線與市電輸入中性線連接，并通過市電中性線接地。

(3)UPS輸入中性線不應(yīng)長時間斷開

UPS上游低壓配電分路均應(yīng)采用3極斷路器，確保UPS上游的斷路器在任何狀態(tài)下，從市電中性點至UPS的中性線輸入端的電路都不會斷開。

(4)UPS輸入中性線不應(yīng)瞬時斷開

在UPS上游電源轉(zhuǎn)換的情況下，不允許UPS輸入中性線瞬時斷開。有些UPS可能在輸出端采用輸出隔離變壓器，或借助于輸出配電單元(PDU)中的隔離變壓器獲得新的與市電中性線隔離的、獨立接地的中性線。因此，可保證UPS輸出中性線接地基準(zhǔn)(即負(fù)載設(shè)備的輸入電源中性線接地基準(zhǔn))不會中斷(圖10)。但是，為了確保UPS自身的正常運行，仍不允許UPS輸入中性線斷開。

圖10借助于輸出隔離變壓器產(chǎn)生獨立電源(SDS)的UPS

(5)嚴(yán)禁在UPS 輸出端將中性線與地線(PE)直接連接

應(yīng)該指出，不允許在UPS 輸出端將UPS 輸出中性線直接連接到接地極或PE線，這樣雖然可以保證UPS輸出中性線基準(zhǔn)的連續(xù)不斷，但由于TN-S系統(tǒng)的中性線多點接地，將會引發(fā)供電系統(tǒng)更嚴(yán)重的故障。

5 上游電源中性線轉(zhuǎn)換的UPS的解決方案

5.1 采用中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路

隨著配電系統(tǒng)對接地故障保護(GFP)要求越來越高，為保證GFP的正常運行，多電源的中性線必須隔離，采用4極ATS已成為必然趨勢。其中中性線重疊轉(zhuǎn)換4極ATS轉(zhuǎn)換電路(圖7)既解決了對GFP的影響問題，又不會引起中性線中斷。而中性線先斷后合的4極ATS (圖6) 對UPS和負(fù)載設(shè)備運行尚有嚴(yán)重影響，已被現(xiàn)場故障所證實。因此，在UPS 應(yīng)用中，中性線重疊轉(zhuǎn)換的4極ATS轉(zhuǎn)換電路是唯一最佳選擇(圖11)。

此外，在暫未采用接地保護GFP的配電系統(tǒng)或采用了GFP保護裝置但系統(tǒng)中，只有一個ATS的場合，也可以采用圖1的3極ATS的轉(zhuǎn)換電路。

圖11 上游采用中性線重疊轉(zhuǎn)換ATS的UPS

5.2 采用中性線先斷后合4極ATS 的解決方案

如果UPS 上游已采用了中性線先斷后合4極ATS的轉(zhuǎn)換電路(圖6)，可考慮采用以下方案。

(1)增加旁路隔離變壓器

如圖12所示，UPS的主輸入直接從副邊為Y型接法，中性線接地的市電變壓器電源引入;旁路輸入由同一電源的另一分路經(jīng)旁路隔離變壓器引入。旁路隔離變壓器的副邊也是Y型接法，中性點接地。旁路隔離變壓器的中性線連接接到UPS輸出中性線。實際上，UPS 的輸出中性線是通過旁路隔離變壓器的中性線接地的。這種接地電路的特點是如下。

① UPS的輸出中性線與旁路變壓器的中性線連接。旁路變壓器的中性線是通過旁路變壓器副邊產(chǎn)生并獨立接地，這個中性線基準(zhǔn)不會因上游中性線轉(zhuǎn)換而斷開，而且避免了與低壓配電系統(tǒng)中其它負(fù)載公用中性線的情況。因而有利于UPS輸出中性線對地電壓(零地電壓)的控制。

② UPS的輸出中性線和市電輸入電路的中性線通過旁路變壓器隔離。

③ 如果UPS設(shè)備與旁路變壓器的位置距負(fù)載比較近，可以有效抑制共模噪聲，確保UPS 輸出“零地電壓”較小。

圖12 用旁路隔離變壓器產(chǎn)生輸入中性線的UPS 接地系統(tǒng)

圖12 的電路適用于傳統(tǒng)有變壓器的UPS，隔離變壓器固定接在旁路電路中，因為整流器只需要3相3線電源(無中性線)，仍由市電變壓器供電，在正常情況下工作于整流-逆變的雙變換方式，由市電直接供電，沒有因增加了旁路變壓器而增加損耗。

(2)增加UPS 輸入變壓器

因為無變壓器UPS的整流器也需要3相4線(包括中性線)電源，上述隔離變壓器必須同時為整流器和旁路提供3相4線電源。實際上，對于無變壓器UPS，需要增加一臺輸入隔離變壓器，主輸入和旁路輸入均由這個輸入隔離變壓器供電(見圖13)。