中性線的轉換對UPS電源性能的影響和對策

1 引言

在UPS供電系統中，UPS設備位于交流輸入電源和關鍵負載之間，其上游是交流輸入電源亦即低壓配電系統，下游是各種關鍵負載。任何UPS在正常情況下都是以市電電源為輸入能源，UPS 將市電電源進行適當的變換和調節，供給負載穩定可靠地交流電源。當市電電源停電或技術指標超出預定的容限時，UPS利用內部儲能裝置(蓄電池)繼續運行為負載供電。市電長時間停電時，則必須啟動備用發電機組供電。

在電信和數據中心等重要應用場合，低壓配電系統通常采用兩路市電和多臺變壓器，并配置一臺或多臺備用發電機組。為了確保UPS輸入電源的供給，市電與備用發電機組之間需要進行轉換。

傳統的轉換電路采用3極自動轉換開關(ATS)。在3極ATS的轉換電路中，當配電電路中發生接地故障時，接地故障電流有分流現象，導致接地故障保護裝置(GFP)拒動。此外，中性線電流的分流將導致接地故障保護裝置誤動。近年來，在重要應用中均要求采用具有包括GFP的4段保護斷路器，為了避免接地故障保護裝置工作異常，4極ATS的轉換電路應用日益增加。4極ATS的轉換電路除了轉換3個相線外，還增加第4個極轉換中性線，4極ATS的特點，是保證互相轉換的兩個電源完全隔離，消除了接地故障電流和中性線電流的分流，保證了接地故障保護裝置的正常工作。但轉換過程中性線可能有中斷，導致UPS中性線基準(接地)斷開，引發UPS系統故障。

現已發現由于中性線基準斷開，引起UPS設備工作異常，甚至導致UPS停機和負載停電的嚴重故障。UPS上游電源中性線的轉換對GFP和UPS的影響，已成為最受關注和亟待解決的問題。也是當前UPS系統設計必須考慮的重要內容。

本文討論UPS上游電源轉換電路的種類及原理，分析中性線基準斷開對UPS運行的影響，提出工程設計實用解決方法。

2 電信和數據中心低壓配電接地系統和保護要求

按照YD/T5040-2005《通信電源設備安裝工程設計規范》的規定，電信和數據中心的低壓交流供電系統應采用TN-S系統。

TN-S系統具有許多優越性，例如，在TN-S系統中，有三相不對稱負載和非線性負載時，中性線N中有電流流過，但保護地線PE中在正常時沒有電流流過，因此保護地線PE上沒有電壓，對于設備機殼接保護地線PE的各個負載設備不會產生電磁干擾，所以適用于通信、數據處理和精密電子設備的應用場合。TN-S系統當保護地線PE斷開時，在正常情況下不會使負載設備機殼接保護地線PE的設備機殼帶電，比較安全。

需要說明的是，TN系統包括TN-S、TN-C和TN-C-S三個分系統，而電信和數據中心一般只采用TN-S系統。TN-C系統的PEN 線有PE線和N線的作用，可節省一根導線。但是，TN-C系統在有三相不對稱負載和有非線性負載時，其PEN線中有電流流過，因此對機殼接PEN線的各個負載設備會產生電磁干擾。TN-C系統還存在以下問題：① 對于單相負載設備，如果PEN線斷開，則設備外殼將帶220V故障電壓;② 不能直接裝設GFP(或RCD)保護器。 TN-C-S系統在前面一段配電系統具有TN-C系統的特性，在后面一段配電系統具有TN-S的特性。

過去通信局站曾廣泛采用TN-C，由于存在上述缺陷，現在已不允許采用。TN-C-S系統僅在特殊情況下采用, 但應特別注意，禁止在TN-S后面再采用TN-C系統。

TN-S系統的保護，主要有過載長延時、短路短延時、短路瞬時、接地故障保護。其中接地故障保護(GFP)是指相線與電氣設備外露可導電部分(如機殼、建筑金屬構件等)之間的短路，這與相線與中性線之間的短路、相線之間的短路不同。接地故障電流較小，常常不能使過流保護電器動作。接地故障點有時會出現電弧，故有易引起火災的危險。因此，GFP接地故障保護十分重要。根據NEC的要求， TN系統中大于(等于)1000A的斷路器必須采用GFP，歐盟有些國家已將GFP定為強制性要求。近年來，我國電信和數據中心等的低壓配電系統工程中，重要開關均要求具有GFP接地故障保護功能。因此，如下所述，在進行市電和發電機轉換電路設計時，應特別注意與GFP兼容的問題。

3 市電電源與備用發電機組的轉換電路

市電電源與備用發電機組的轉換電路，有采用3極ATS和采用4極ATS的兩類轉換電路。

3.1 采用3極ATS的轉換電路

傳統的市電和發電機轉換電路采用3極ATS,只進行三個相線的轉換，不進行中性線的轉換。市電和發電機組中性線是公用的(兩者的中性線固定連接在一起)。3極ATS 轉換電路在轉換過程中中性線沒有中斷現象。

按照發電機中性線的接地位置的不同，采用3極ATS的轉換電路有如下兩種。

(1) 發電機中性線通過市電中性線接地的轉換電路

圖1示出傳統采用3 極ATS的轉換電路，發電機的中性線與市電中性線連接并在市電進線柜處接地。發電機組的中性線在發電機處不接地，發電機組的機座通過PE線在市電進線柜接地。

在這種轉換電路中，因為電源系統的中性線僅在市電進線柜一處接地，對于接地故障的檢測是安全可靠的。在市電供電的情況下，如果發生了接地故障，接地故障保護裝置(GFP)將會正確地檢測出接地故障電流，發出信號，使市電進線開關斷開。

應該指出，圖1是采用3極ATS時的正確電路，過去曾長期應用，一般情況下是比較理想的。但是，隨著配電電路對接地故障保護的需求，圖1 的3極ATS 轉換電路暴露出一些缺點，例如：因為發電機的中性線不在發電機處接地，在發電機側不能實現接地故障檢測(注：目前發電機輸出斷路器一般不設接地保護，但當有接地故障時應告警，故需要進行接地故障檢測)。

值得特別注意的是，如果供電系統中有多個轉換開關,有可能造成中性線電流的分流，使接地故障的檢測出現錯誤，導致接地故障斷路器在無接地故障時異常跳閘。如圖2所示，在市電供電時，中性線電流會在市電和發電機的中線之間分配，流經3極ATS-2的中性線電流有一部分通過市電中性線返回市電電源，其余電流將流向發電機的中性線，并經另一個轉換開關(3極ATS-1)返回市電電源。因為這部分電流未經過GFP-2檢測電路，被認為是接地故障電流，故可能引起接地故障保護斷路器K2在無接地故障時異常跳閘。

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