工業(yè)UPS 并機(jī)系統(tǒng)輸出隔離變壓器接地探究

薛磊

(陜西延長中煤榆林能源化工股份有限公司，陜西 榆林 718500)

0 引言

UPS 即“不間斷電源”，也是指“交流不間斷電源”，它的主要功能是向負(fù)載提供不間斷交流電源。正常情況下，UPS 從市電輸入交流電源后，經(jīng)過整流模塊的轉(zhuǎn)換為直流電源，可以為電池充電，再經(jīng)過逆變模塊轉(zhuǎn)換為交流電源，為負(fù)載提供可靠的交流電源。當(dāng)市電故障時，UPS 從蓄電池放電，經(jīng)逆變模塊變換后，繼續(xù)向負(fù)載提供不間斷交流電源。當(dāng)電池電源放完后，市電電源繼續(xù)停電時UPS 將停止工作。UPS 設(shè)備自身故障或負(fù)載過壓、過載時，負(fù)載由靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至旁路電源供電。這樣就增加了UPS 供電的可靠性，有效抑制電源的各種干擾。

為實現(xiàn)UPS 的功能，UPS 內(nèi)部必須具有主路和旁路切換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用并聯(lián)冗余方式。并且有適當(dāng)?shù)慕拥叵到y(tǒng)，正確選擇接地系統(tǒng)可以保證UPS 的可靠運行，滿足負(fù)載的供電要求，確保人身和設(shè)備安全，同時可以有效故障保護(hù)動作。

UPS 接地是一個非常復(fù)雜的問題，不適當(dāng)接地會引起供電的問題，嚴(yán)重時會造成系統(tǒng)癱瘓。其中與接地系統(tǒng)有直接關(guān)系最常見的問題之一是UPS 輸出中性線對地的電壓過高，直接影響UPS 電源的穩(wěn)定運行。UPS 接地是非常重要的，必須要妥善解決。

1 目前“1+1”UPS 的設(shè)計方案

對工業(yè)“1+1”UPS 設(shè)計，目前主要有兩套UPS輸出直接并聯(lián)冗余系統(tǒng)設(shè)計和兩套UPS 輸出經(jīng)STS快速切換系統(tǒng)設(shè)計。

1.1 UPS 輸出直接并聯(lián)冗余系統(tǒng)設(shè)計方案

UPS 輸出直接并聯(lián)冗余系統(tǒng)設(shè)計方案，該設(shè)計的優(yōu)點：一次性投資小，且應(yīng)用廣泛；缺點：兩套UPS 運行時相互制約，對并機(jī)系統(tǒng)控制要求極高，只要并機(jī)系統(tǒng)控制稍有問題，兩套UPS 直接切除，并同時切換至旁路，UPS 的可靠性降低，易發(fā)生裝置停車事故，且該方案設(shè)計對UPS 接地系統(tǒng)要求極高。設(shè)計方案如圖1 所示。

1.2 UPS 輸出經(jīng)STS 快速切換系統(tǒng)設(shè)計方案

UPS 輸出經(jīng)STS 快速切換系統(tǒng)設(shè)計方案，該設(shè)計的優(yōu)點：兩套UPS 運行相互獨立，運行方式較為靈活，系統(tǒng)可靠性高，且單套UPS 故障后，不影響另外一臺UPS 的運行；缺點：一次性投資較大。該設(shè)計對系統(tǒng)的接地要求不高，且容易施工。設(shè)計方案如圖2所示。

2 目前配電接地系統(tǒng)及對電網(wǎng)的影響

低壓配電系統(tǒng)接地有IT 系統(tǒng)、TT 系統(tǒng)、TN 系統(tǒng)3 種方式，目前工業(yè)、化工主要的接地系統(tǒng)還是TN系統(tǒng)[2]。

2.1 IT 系統(tǒng)

IT 系統(tǒng)主要用于環(huán)境條件差、易發(fā)生短路事故或火災(zāi)爆炸的危險場所。但在零線上不能裝斷零保護(hù)，也不能設(shè)置零線重復(fù)接地，不然容易形成不同電位的接地點之間的環(huán)流，造成運行中的零線溫度升高。

IT 系統(tǒng)配電無中性線，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，故障相對地電流為非故障相對地的電容電流，其值較小，不需要立即切斷故障回路，保證供電的連續(xù)性。IT供電系統(tǒng)在供電距離不是很長時，供電的可靠性高、安全性好。但是在供電距離很長時，供電線路對大地的分布電容很大，在負(fù)載發(fā)生短路故障或漏電時設(shè)備外殼帶電，容易造成觸電事故。

2.2 TT 系統(tǒng)

TT 系統(tǒng)中有較大量單相220 V 用電設(shè)備，如果相線和零線任意一線斷裂，就會引起零線的電位升高，電氣設(shè)備的外殼不能直接接零線，進(jìn)而要采用TT 系統(tǒng)。當(dāng)電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)均裝設(shè)漏電裝置，且負(fù)荷側(cè)裝設(shè)斷零保護(hù)，才能成為完整的供電系統(tǒng)。

2.3 TN 系統(tǒng)

TN 系統(tǒng)又有3 種接線方式：TN-C 系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)、TN-C-S 系統(tǒng)。TN 系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意以下方面：

(1) TN-C、TN-S、TN-C-S 系統(tǒng)在正常運行時，TN-C 系統(tǒng)外殼電位等于工作零線電位，TN-S 系統(tǒng)外殼電位為零，TN-C-S 系統(tǒng)外殼電位不為零，等于工作零干線上的電位。

(2) TN-C 系統(tǒng)斷零后三相負(fù)荷不對稱，零位偏移，單相設(shè)備電壓升高，可能會造成設(shè)備燒毀，且用電設(shè)備外殼接零帶電，無零線后漏電保護(hù)無法起到保護(hù)作用。TN-S 系統(tǒng)三相回路零線斷開后會燒毀設(shè)備，但外殼不帶電。

(3) TN-C 系統(tǒng)應(yīng)將零線重復(fù)接地，無論發(fā)生單相接地或零線斷開情況，均能降低零線和電氣設(shè)備外殼電位，但不能消除觸電的危險。TN-C-S 系統(tǒng)中的PEN線應(yīng)重復(fù)接地，N 線不宜重復(fù)接地。

綜上所述的配電系統(tǒng)中，應(yīng)推薦使用TN-S 系統(tǒng)，造成觸電的風(fēng)險性較小。

3 針對配電接地方案設(shè)計并聯(lián)冗余UPS 接地系統(tǒng)方案

對于工業(yè)機(jī)UPS 供電系統(tǒng)而言，由于用戶的供電電網(wǎng)的負(fù)載類型的多樣性(例電動機(jī)的頻繁啟停和加載/ 減載操作等)，距10 kV/0.4 kV 主變壓器的距離的遠(yuǎn)近的差異性以及市電供配系統(tǒng)中的線纜路由的差異性和變化性等諸多因素的不同。

根據(jù)用戶的不同應(yīng)用場合，采取不同的設(shè)計方案。

3.1 TN-S 接地系統(tǒng)設(shè)計方案

對UPS 供電系統(tǒng)距主變壓器的距離較近，且位于同一供電配電柜中的用電設(shè)備不會產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾和電流“沖擊”的場合。

建議：采用如圖3 所示的TN-S 設(shè)計方案。該方案主要用于配電室內(nèi)電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，供電負(fù)荷較為普通，非線性負(fù)載少的供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波較少，且設(shè)備啟動過程中對配電網(wǎng)影響較小的配電中心，例如：小型配電室、辦公樓層供電、區(qū)域內(nèi)供電等。

圖3 采用TN-S 設(shè)計方案的工業(yè)型“1+1”UPS 供電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)

3.2 局部凈化型設(shè)計方案

對UPS 供電系統(tǒng)距主變壓器的距離較遠(yuǎn)，且位于同一供電配電柜中的用電設(shè)備、易產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾和電流“沖擊”的場合。

建議：如圖4 所示的采用局部凈化型TN-S 設(shè)計方案的工業(yè)機(jī)型UPS 供電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)。其優(yōu)點是：不僅可以確保由UPS 供電系統(tǒng)所供電的各種用電設(shè)備的安全運行，而且還可避免因采用傳統(tǒng)TN-C-S 接地設(shè)計方案所帶來的PEN 線過長以及位于380 V/220 V隔離變壓器之前的各種用電設(shè)備和UPS 供電系統(tǒng)所面臨的干擾和安全供電的故障隱患。

該方案主要用于供電中心和負(fù)荷中心局部分離，適合遠(yuǎn)距離的供電中心。供電系統(tǒng)的電磁干擾和諧波對負(fù)荷中心沒有影響，且彼此間系統(tǒng)獨立，電源系統(tǒng)中的設(shè)備啟動和非線性負(fù)載的啟動對負(fù)荷中心的穩(wěn)定運行不受影響。因此，該系統(tǒng)更適合化工設(shè)備的頻繁啟動、大型的調(diào)度中心、鋼鐵行業(yè)等。

3.3 TN-C 接地系統(tǒng)設(shè)計方案

對UPS 供電系統(tǒng)距主變壓器的距離較遠(yuǎn)，且位于同一供電配電柜中的用電設(shè)備、易產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁干擾和電流“沖擊”的場合，可以采用TN-C 接地系統(tǒng)方案。

建議：如圖5 所示，將380 V/220 V 隔離變壓器的N 線同供電系統(tǒng)中的原PE 線直接相連，從而將整套UPS 實際置于TN-C 接地系統(tǒng)的供電狀態(tài)。由此所帶來的負(fù)面影響是：干擾問題變得相當(dāng)嚴(yán)峻，在某些異常工況下，甚至還會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題。

圖5 設(shè)計錯誤的TN-C 的工業(yè)型“1+1”UPS 供電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)

該方案主要用于供電中心和負(fù)荷中心分離，且供電距離較長的負(fù)荷中心。由于供電距離較長因此PEN線較長，且接地點距離負(fù)荷中心較遠(yuǎn)，因此電源系統(tǒng)產(chǎn)生的電磁干擾和電流“沖擊”的場合，容易影響負(fù)荷中心的穩(wěn)定運行，帶來的干擾問題相當(dāng)嚴(yán)峻，在一些異常工況下，設(shè)備外殼可能帶電，造成設(shè)備和人身安全。該方案更適合不便于接地施工的遠(yuǎn)距離配電中心、局部改造的配電中心、運行相對穩(wěn)定沒有干擾的負(fù)荷中心。

4 并聯(lián)冗余UPS 接地系統(tǒng)方案建議

UPS 接地問題和選擇將會影響負(fù)荷中心的穩(wěn)定運行，UPS 的負(fù)荷全部為一級負(fù)荷，因此UPS 接地的正確選擇將會是后期運行的關(guān)鍵。大型化工企業(yè)在選擇UPS 接地方案要慎之又慎，尤其是“1+1”并聯(lián)的UPS 設(shè)計方案，局部的干擾將直接導(dǎo)致UPS 逆變器無輸出，且兩臺設(shè)備同時受到干擾，直接導(dǎo)致下級負(fù)荷停電、裝置停車，嚴(yán)重影響化工企業(yè)的連續(xù)運行。

綜上，大型化工企業(yè)、重要的數(shù)據(jù)負(fù)荷中心和大型信息中心，建議選用局部凈化型TN-S 設(shè)計方案的工業(yè)型“1+1”UPS 供電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)，確保負(fù)荷中心運行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

針對并聯(lián)冗余不間斷電源系統(tǒng)的不同結(jié)構(gòu)，對UPS 接地問題進(jìn)行了分析，并總結(jié)了出適合工程應(yīng)用的接地方案。UPS 接地系統(tǒng)存在許多問題，需要制定可行的接地方案來解決該問題。UPS 接地系統(tǒng)關(guān)乎整個控制系統(tǒng)的安全運行，尤其特別重要的負(fù)荷更要選擇合適的接地系統(tǒng)。UPS 輸出配電電路設(shè)計成獨立電源系統(tǒng)，以產(chǎn)生接地良好的中性線，從而可以為關(guān)鍵負(fù)載提供可靠的供電質(zhì)量，使中性線對地電壓降到最低。且接地系統(tǒng)局部凈化設(shè)計，將系統(tǒng)的干擾和電流“沖擊”的場合影響降到最低，最大程度地保證負(fù)荷運行的穩(wěn)定性。