張軍呂馨

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

不間斷電源整合系統(tǒng)雙電源轉(zhuǎn)換過程接地方案

張軍呂馨

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京 100037)

論述地鐵不間斷電源(UPS)整合系統(tǒng)在兩個(gè)電源轉(zhuǎn)換過程中存在的中性線斷開的問題。UPS饋出變壓器的中性點(diǎn)是通過進(jìn)線電源的中性線接地，指出電源轉(zhuǎn)換時(shí)UPS出現(xiàn)回路中性點(diǎn)懸浮不再接地的情況。對UPS中性點(diǎn)懸浮問題提出解決方案，從而提高UPS供電的可靠性。

地鐵;不間斷電源;整合系統(tǒng);雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置;中性點(diǎn)接地

在近幾年北京和上海的地鐵設(shè)計(jì)中，采用了不間斷電源(UPS)整合系統(tǒng)。所謂UPS整合系統(tǒng)，就是將原來由部分弱電系統(tǒng)分別設(shè)置的UPS按各系統(tǒng)用電需求整合到一起，統(tǒng)一供電，達(dá)到對UPS及蓄電池統(tǒng)一維護(hù)、監(jiān)控、采購并減少人工維護(hù)管理成本的目的。筆者在UPS電源整合的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)UPS整合系統(tǒng)在電源轉(zhuǎn)換過程中存在中性線斷開、中性點(diǎn)懸浮的問題。若此時(shí)三相不平衡，則中性點(diǎn)懸浮不接地而形成中性點(diǎn)漂移，會(huì)導(dǎo)致某相電壓過高，存在燒毀負(fù)載的可能，下面就此問題進(jìn)行探討。

1 UPS整合系統(tǒng)方案

1.1 UPS整合系統(tǒng)的供電

地鐵UPS整合系統(tǒng)為一級負(fù)荷，由車站變電所的低壓400 V不同母線各引入一路獨(dú)立電源進(jìn)行供電。UPS進(jìn)線電源處設(shè)PC級的三相四極雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，四極轉(zhuǎn)換裝置使得兩個(gè)電源在切換過程中相線和中性線均斷開。雙電雙電源互換時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間為秒級(一般為2～4 s)。

1.2 UPS設(shè)備構(gòu)成

從功能設(shè)置角度考慮，UPS設(shè)備主要由以下幾部分構(gòu)成:交流進(jìn)線回路、雙電源自動(dòng)切換裝置、高頻開關(guān)整流充電模塊(N+1冗余配置)、蓄電池組、逆變器、交流饋線回路、靜態(tài)旁路回路、檢修旁路回路、監(jiān)控模塊等。

UPS電源整合系統(tǒng)的部分裝置如圖1所示。

圖1 UPS電源整合系統(tǒng)

UPS出線變壓器設(shè)置在逆變器之后，在圖1的A處(見圖5)。通常UPS主機(jī)為進(jìn)口成套產(chǎn)品，主機(jī)內(nèi)各器件、開關(guān)均不能隨意改動(dòng)(見圖1虛線框內(nèi)的設(shè)備)。

1.3 UPS的接地方式

在UPS主機(jī)內(nèi)，只設(shè)置一組中性線(N線)端子排，主機(jī)進(jìn)線和出線線纜的中性線實(shí)際上接在一起。在變電所，配電變壓器的中性點(diǎn)是接在接地端子排上的，即UPS主機(jī)通過其進(jìn)線的中性線與變電所的接地端子排在變電所進(jìn)行了接地，如圖2所示。

圖2 UPS主機(jī)接地

1.4 UPS整合系統(tǒng)的負(fù)載情況

UPS整合系統(tǒng)為各弱電系統(tǒng)提供UPS電源，弱電系統(tǒng)通常包括通信、信號、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警(FAS)/設(shè)備監(jiān)控(BAS)、自動(dòng)售檢票(AFC)等。UPS整合系統(tǒng)應(yīng)滿足各設(shè)備系統(tǒng)電壓制式和等級的要求，同時(shí)還要滿足各設(shè)備系統(tǒng)電源容量和供電時(shí)間要求、各饋出回路的實(shí)際需要性及各饋出回路的同期性。需要整合的這些系統(tǒng)有的要求三相電源供電，有的要求單相電源供電，但各負(fù)載的需求不盡相同，要由各具體工程確定。

2 問題及解決方案探討

2.1 問題

UPS整合系統(tǒng)進(jìn)線采用的是四極雙電源轉(zhuǎn)換裝置，進(jìn)線處的中性線在兩路電源轉(zhuǎn)換過程中要斷開，此時(shí)饋出線變壓器的中性點(diǎn)懸浮，不再接地。參加UPS整合系統(tǒng)的個(gè)別系統(tǒng)有單相負(fù)載的需求，如辦公自動(dòng)化(OA)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警(FAS)等，這些系統(tǒng)的單相負(fù)載造成整個(gè)UPS整合系統(tǒng)存在三相不平衡的情況，使得兩路電源在轉(zhuǎn)換過程中因中性點(diǎn)懸浮不接地而形成中性點(diǎn)漂移，這可能導(dǎo)致某相電壓過高、燒毀負(fù)載的情況。

2.2 方案

2.2.1 三相負(fù)荷平衡

中性點(diǎn)飄移是由于負(fù)載三相不平衡造成的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量將三相負(fù)載配平衡，以減少中性點(diǎn)的飄移量，進(jìn)而減小電壓偏移對負(fù)載的影響。由于整合的弱電專業(yè)較多，且三相負(fù)載的各相分配均由各弱電專業(yè)自行設(shè)計(jì)，通常弱電設(shè)計(jì)人員對配電設(shè)計(jì)不大專業(yè)，故需配電專業(yè)設(shè)計(jì)人員根據(jù)各弱電專業(yè)的負(fù)荷需求進(jìn)行配電回路的協(xié)調(diào)，以使三相輸出的負(fù)載不平衡度最大相和最小相負(fù)載的基波均方根電流之差控制在最小范圍內(nèi)。

2.2.2 雙電源切換裝置采用三相三極

如圖3所示，在變電所低壓供電的為單母線分段方案情況。母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)如采用三極開關(guān)，則母線上的中性線導(dǎo)通不斷開;若在用電負(fù)荷側(cè)也采用三極雙電源轉(zhuǎn)換裝置將兩段母線的中性線再導(dǎo)通，則此時(shí)中性線電流既可由本回路的中性線返回到本側(cè)電源變壓器的中性點(diǎn)，也可繞道沿另一電源回路的中性線經(jīng)變電所低壓柜中性排返回到另一臺變壓器的中性點(diǎn)，后一電流即雜散電流。這一雜散電流可引起一些不良后果，如雜散電流的通路可形成一大包繞環(huán)，雜散電流產(chǎn)生的雜散磁場可能會(huì)對敏感信息技術(shù)設(shè)備產(chǎn)生干擾。

圖3 末端采用三極轉(zhuǎn)換開關(guān)

即使變電所母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)采用四極開關(guān)，將低壓柜內(nèi)中性排斷開，但由于低壓柜內(nèi)的中性排要與PE(保護(hù)地)排連接，另一電源中性線上的電流也能通過三極雙電源切換裝置的中性線→變電所低壓柜PE排→低壓柜中性排回到本回路變壓器的中性點(diǎn)，雜散電流也不能避免。

再換個(gè)簡單說法，本回路中性線通過另一電源回路的中性線接地，已違反了TN-S接地系統(tǒng)“當(dāng)保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體分開后不應(yīng)再合并，且中性導(dǎo)體不應(yīng)再接地”的要求。

使用三極雙電源切換裝置帶來了上述問題，說明這不是好的解決方案。

2.2.3 UPS系統(tǒng)饋出線變壓器中性點(diǎn)接地

為簡化說明，現(xiàn)舉例說明設(shè)有1個(gè)旁路開關(guān)的UPS系統(tǒng)的工作情況。如圖4所示，UPS饋出變壓器出線開關(guān)K2和旁路開關(guān)K1均采用四極開關(guān)，變壓器中性點(diǎn)接地，設(shè)兩個(gè)相互絕緣的中性線端子排N1和N2。

當(dāng)整流逆變回路工作時(shí)，開關(guān)K2閉合，K1斷開。在這種工況下，由于變壓器中性點(diǎn)接地，進(jìn)線前的四極雙電源切換裝置在切換過程中不會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)懸浮問題。而且，由于K1斷開中性線，N1和N2不連通，進(jìn)線的中性線N1不會(huì)接地。

當(dāng)旁路開關(guān)工作時(shí)，開關(guān)K1閉合，K2斷開。在這種工況下，K2斷開中性線，N2不再接地。K1閉合，將出線端的N2和電源端的N1連通。此時(shí)，進(jìn)線前的四極雙電源切換裝置在切換過程中處于斷電狀態(tài)(沒有蓄電池串入旁路中)，也沒有中性點(diǎn)懸浮問題。

圖4 帶有1個(gè)旁路的接線

根據(jù)上述對圖4接線情況的分析，具體到圖1，如果有條件，可將機(jī)柜內(nèi)的開關(guān)接線改造，如圖5所示。按圖3的做法，在有出線變壓器的機(jī)柜內(nèi)設(shè)置兩個(gè)互相絕緣的中性線端子排。將變壓器出線開關(guān)14QF改為四極開關(guān)，UPS出線變壓器中性點(diǎn)單獨(dú)接在中性線端子N2上，并將此中性線端子通過變壓器中性點(diǎn)進(jìn)行接地，開關(guān)14QF的進(jìn)線接至中性線N2端子排。旁路開關(guān)11QF、12QF、21QF也要改為四極開關(guān)，進(jìn)線都接至中性線端子排N1。這樣接線后，在整流-逆變主回路工作時(shí)，14QF閉合，旁路開關(guān)斷開隔離中性線端子排N1，出線變壓器中性點(diǎn)在機(jī)柜內(nèi)接地，當(dāng)雙電源切換裝置切換電源時(shí)，就不會(huì)出現(xiàn)中性點(diǎn)懸浮問題。在任一旁路開關(guān)閉合工作時(shí)，14QF斷開，隔離中性線端子排N2，不會(huì)讓中性線端子排N1接地，滿足規(guī)范對低壓配電采用TN-S接地系統(tǒng)“當(dāng)保護(hù)導(dǎo)體與中性導(dǎo)體分開后不應(yīng)再合并，且中性導(dǎo)體不應(yīng)再接地”的要求。

此種方案也能滿足GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》第9.1.4條“不間斷電源輸出端的中性線(N極)，必須與由接地裝置直接引來的接地干線相連接，做重復(fù)接地”的要求。

圖5 修改后的UPS電源整合系統(tǒng)

2.3 完善

目前，筆者參與的是UPS主機(jī)為進(jìn)口設(shè)備的項(xiàng)目，內(nèi)部開關(guān)均為三極，國內(nèi)廠家不能改造。設(shè)計(jì)能采取的方案只能是盡量在配電設(shè)計(jì)上使負(fù)載三相平衡，以減小雙電源切換裝置時(shí)的電壓偏差。

3 結(jié)語

對于UPS整合系統(tǒng)的設(shè)備生產(chǎn)商來說，內(nèi)部開關(guān)采用三極開關(guān)本身并無問題;但對應(yīng)于具體的UPS整合系統(tǒng)，因按一級負(fù)荷配電，兩路電源采用了雙電源轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在此情況下，UPS的接地就出現(xiàn)了上述問題。

在車站UPS整合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對于出現(xiàn)的接地問題，應(yīng)采取合理的方案進(jìn)行解決。首先，要使各用電負(fù)載的配電盡量三相平衡，特別是當(dāng)UPS整合后的二次配電由各弱電系統(tǒng)自行完成時(shí)，要注意各專業(yè)的配合與協(xié)調(diào)，避免由于出現(xiàn)單相負(fù)荷配電回路的三相不平衡而引起中性點(diǎn)漂移問題;其次，在有條件的情況下，按本文2.3節(jié)修改UPS內(nèi)部開關(guān)。同時(shí)，UPS旁路及變壓器需完善系統(tǒng)方案，合理配置旁路數(shù)量，精簡配電回路，減少“斷中性線”點(diǎn)，以增強(qiáng)UPS整合系統(tǒng)的可靠性，達(dá)到利用UPS系統(tǒng)得到穩(wěn)定、單一、高質(zhì)量的交流電源的目的。

［1］GB 50157—2003地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2003:100.

［2］GB 50303—2002建筑電氣工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2002:27.

［3］JGJ 16—2008民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008:166.

［4］王厚余.建筑物電氣裝置500問［M］.北京:中國電力出版社，2008:135，140-141.

［5］上海申通地鐵集團(tuán)有限公司.弱電系統(tǒng)UPS電源整合設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見［S］.上海，2007.

［6］盛蓉蓉.UPS電源整合在城市軌道交通中的應(yīng)用［J］.世界軌道交通，2009(2):322-325.

Grounding Solutions of UPS Integration System for Switching Operation Between Two Power Sources

Zhang Jun Lv Xin
(Beijing Urban Construction Design ＆ Development Group Co.，Ltd.，Beijing 100037)

Abstract:Subway Uninterruptible Power System(UPS)integration system can cause the neutral line to open during a switching operation between two power sources.Since the UPS main transformer＇s neutral point is grounded through the power inlet＇s neutral line，the UPS system will momentarily have a floating neutral point and become ungrounded when power supply switches.This article proposed a solution to the issue of floating neutral point，which could improve the reliability of UPS system.

Key words:subway;UPS;integrated system;automatic transfer switching equipment;neutral point grounding

U231.8;U224

A

1672-6073(2014)01-0068-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2014.01.017

收稿日期:2013-01-05

2013-03-06

作者簡介:張軍，男，大學(xué)本科，工程師，從事軌道交通設(shè)計(jì)研究，keyren@126.com

(編輯:郭 潔)