小容量UPS的操作過電壓防護(hù)方案

在建筑、通訊、電力等領(lǐng)域，過電壓防護(hù)已經(jīng)成為必不可缺的部分，而UPS(不間斷電源)作為供電系統(tǒng)，其過電壓防護(hù)技術(shù)及應(yīng)用仍然不能得到正確的理解，甚至受到忽視。本文結(jié)合實際，針對UPS應(yīng)用當(dāng)中的過電壓防護(hù)需求，提出適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。

1.過電壓防護(hù)概念的變化

當(dāng)遠(yuǎn)處發(fā)生雷擊時，雷電浪涌通過電網(wǎng)或通訊線路傳輸?shù)皆O(shè)備端，雖然不一定立即損毀設(shè)備，也會對設(shè)備內(nèi)部造成累計性損害。另外，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，設(shè)備遭受來自線路上的其它浪涌干擾(例如各種動力設(shè)備啟動運行時對電網(wǎng)所帶來的操作過電壓現(xiàn)象)的可能性也很高，其對設(shè)備的影響可能更大。

因此，再簡單直觀地認(rèn)定“沒有雷電就不需要過電壓防護(hù)”，顯然是不正確的?？梢哉f，目前的過電壓防護(hù)工作已經(jīng)由傳統(tǒng)的防雷轉(zhuǎn)向直擊雷、雷電電磁脈沖、地電位反擊和操作過電壓的綜合防護(hù)。

2. UPS應(yīng)用中的“防雷”誤區(qū)

2.1 誤區(qū)之一：“防雷器”只是防雷

在UPS實際應(yīng)用中，經(jīng)常會遇到這種情況：明明是晴空萬里，感覺不到任何雷電的現(xiàn)象，UPS內(nèi)置的“防雷器”卻損壞了。用戶說是UPS機(jī)器質(zhì)量有問題，可UPS本身卻仍然可以繼續(xù)正常工作。

如果附近沒有重型的動力設(shè)備，要想用“操作過電壓”來說服用戶，恐怕也不太容易。事實上，國外對此類普通低壓配電線路上的各種電壓浪涌情況，也有不少統(tǒng)計和報道。例如美國的一則統(tǒng)計表明：在10000小時內(nèi)，在線間發(fā)生的各種電壓值浪涌的次數(shù)，超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達(dá)到800余次，其中超過1000V的就有300余次。

可想而知，根本不需要雷電作用，要讓“防雷器”動作或損壞，是完全可能的。

2.2 誤區(qū)之二：廉價“防雷器”也防雷

不少用戶出于對相關(guān)規(guī)定的考慮，要求UPS在較低價格的條件下，也要配置“防雷器”，個別廠家為了“滿足”用戶要求，隨便裝個小壓敏電阻也稱作“有防雷”。事實上，一般小通流容量的壓敏電阻只能具備一定的過電壓防護(hù)作用，如果確實需要防雷，就必須考慮足夠的通流容量器件及相關(guān)的成本。

3.　UPS的過電壓防護(hù)需求

UPS作為供電系統(tǒng)，必然存在來自多個方面的線路連接，包括市電交流輸入、UPS交流輸出、通信接口等。嚴(yán)格來說，這三個端口都應(yīng)設(shè)置過電壓防護(hù)。本文主要討論交流端口的操作過電壓防護(hù)問題

UPS的過電壓防護(hù)包含兩重的意義：一方面，來自外部的各種浪涌或電壓尖峰對UPS構(gòu)成一定影響，需要進(jìn)行防護(hù);另一方面，這些浪涌或電壓尖峰有可能透過UPS影響到負(fù)載，必要時也需要進(jìn)行防護(hù)。

4.　小容量UPS的電源過電壓防護(hù)特征

配置大型UPS的數(shù)據(jù)中心或控制中心，其所在的建筑物或機(jī)房一般都具備比較完善的整體防雷系統(tǒng)，到達(dá)UPS端的過電壓殘值不高;而小UPS的使用環(huán)境則比較差，除了防雷，還要考慮對周邊電網(wǎng)上的操作過電壓的浪涌沖擊防護(hù)。

另一方面，大型UPS成本空間較多，防護(hù)方案容易實現(xiàn);而小UPS則成本捉襟見肘，所能采用的防護(hù)手段和器件有限。

5.　小容量UPS的電源過電壓防護(hù)方案

過電壓防護(hù)措施的效果和成本與其器件和方案的選擇有著重要的關(guān)系。選擇較低動作電壓和較大通流容量的SPD器件可以降低其殘壓，但動作電壓太低會由于電源的不穩(wěn)造成SPD器件頻繁動作而提前失效，通流容量較大則造成防護(hù)成本過高。通常情況下，小容量UPS主要還不是考慮防雷，而是對電源操作過電壓的防護(hù)。

5.1 早期的方案

在早期的設(shè)計中，出于成本考慮，小UPS與其他普通電源產(chǎn)品類似，一般是在220Vac輸入EMI上采用14D471的氧化鋅壓敏電阻(MOV)進(jìn)行過電壓防護(hù)。

一般的14D471壓敏電阻產(chǎn)品，其通流容量大約在6kA(8/20μs，一次)以下，這在電網(wǎng)穩(wěn)定的地區(qū)沒有問題，但是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū)，采用14D471的壓敏電阻是比較容易損壞的，這是由于操作過電壓浪涌與雷電浪涌相比，幅度雖然較低，但持續(xù)時間較長，而且呈周期性，這對于通流容量較小的壓敏電阻來說，吸收浪涌的熱量連續(xù)積累而來不及散發(fā)，是非常容易損壞的。

5.2 方案的改進(jìn)

一種方案是增加MOV的通流容量，例如選用20D471、25D471甚至32D471的MOV器件，使通流容量提高到10kA至25KA(8/20μs，一次)左右。這樣，既能夠承受較長時間或周期性的過電壓能量瀉放，也能夠令線上的殘壓保持在較低水平。不過，這會使防護(hù)成本大大增加(數(shù)十倍的增加)。

另一種方案是增加MOV的動作電壓，例如選用14D561或14D621等MOV器件，使動作電壓從470V提高到560V或620V。這樣，在不改變通流容量的情況下，大大減少了MOV的動作機(jī)率和瀉能時間，而又不增加成本。不過，這會使線上的殘壓有所提高。

氣體放電管(GDT)是一種新型的適合采用的SPD器件，由于其價格也還比較便宜。與MOV相比較，GDT具有如下重要的特點：

A). GDT比之MOV具有較好的重復(fù)放電特性，不易損壞。

B). MOV是箝位型元件，而GDT則是短路型元件。一旦GDT動作之后，呈近似短路的低阻狀態(tài)，其短路動作將可能持續(xù)半個周波(10ms)左右，直至過零點時才能中斷。因此，如圖二所示，氣體放電管一般需要與短路保護(hù)器件(例如保險絲或斷路器等)配合使用。

C). GDT的動作電壓精度較MOV要低，通常MOV的動作電壓精度為±10%，而GDT的動作電壓精度為±20%。

對于戶外型UPS，由于雷電浪涌及操作過電壓頻繁，考慮到短路保護(hù)器件的恢復(fù)并不方便，一般不宜直接采用氣體放電管作過電壓防護(hù)器件。

5.3 組合方案

由于MOV和GDT具有不同的性能特點，其應(yīng)用也有較大差異。理想的過電壓防護(hù)器件要求漏電流小、動作響應(yīng)快、殘壓低、不易老化等，而現(xiàn)有單一器件并不能完全符合要求。

在電涌的沖擊下，MOV與GDT器件的殘壓波形分別如圖三所示：

為了結(jié)合兩種器件的特點，可以將兩種器件進(jìn)行組合使用，以發(fā)揮器件各自所長。

如圖四所示為兩種器件串聯(lián)使用的方式，MOV的漏電流比GDT要大，而GDT則不存在該問題;但GDT則存在跟隨電流的問題，與MOV串聯(lián)使用后，MOV對其具有一定的限流作用，并可以及時地中斷跟隨電流。

在實際應(yīng)用中，還可以改進(jìn)為如圖四所示，在放電管兩端并接電容器。發(fā)生電涌時，電容器初始充電狀態(tài)相當(dāng)于短路，令MOV率先導(dǎo)通，同時電容器又作為GDT的蓄能元件;電容器充電完畢，GDT導(dǎo)通并形成電容器的放電回路。

為了降低負(fù)載端的殘壓幅度，還需要同時在UPS的輸出端加一級SPD，這樣就構(gòu)成了如圖六所示的兩級SPD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。SPD1作為第一級過電壓防護(hù)器件，電涌入侵時有較高的殘壓，而SPD2則作為第二級過電壓防護(hù)，其殘壓較低。

6.　結(jié)束語

過電壓防護(hù)器件的故障同樣也是UPS的故障，同樣會給UPS的使用和維護(hù)帶來極大的不便，在較低成本的條件下，選擇設(shè)計適當(dāng)?shù)倪^電壓防護(hù)措施，已經(jīng)成為現(xiàn)代UPS應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

參考文獻(xiàn)

YD-T5098-2001《通訊局(站)雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計規(guī)范》

張榮林、謝浩瀚《防雷產(chǎn)品的技術(shù)原理及發(fā)展》