陳 游， 張 青

(中國建筑設計研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

UPS(Uninterruptible Power System)是由變流器、開關(guān)和儲能裝置組合構(gòu)成的，在輸入電源發(fā)生故障時維持負載電力連續(xù)性的設備。在民用建筑電氣設計中，消防報警系統(tǒng)、安防系統(tǒng)設備通常需要使用UPS作為自備應急電源。目前，國家規(guī)范、行業(yè)標準都對UPS的設置要求做了相關(guān)規(guī)定。但由于UPS在工程項目中，一般屬于用量較少的電氣設備，常常受到設計師的忽視，易造成遺漏或偏差。因此，本文依據(jù)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定及UPS設備特性進行歸納總結(jié)，同時對UPS輸入設計和接地做法進行了分析，供設計師參考。

1 UPS設置場所

UPS作為應急電源，應根據(jù)用電需求進行配備，相關(guān)規(guī)范規(guī)定如下。

JGJ 16-2008《民用建筑電氣設計規(guī)范》(以下簡稱“《民規(guī)》”)中6.3.2條規(guī)定：符合下列情況之一時，應設置UPS裝置：1 當用電負荷不允許中斷供電時；2 允許中斷供電時間為毫秒級的重要場所的應急備用電源。此條從電源性質(zhì)上對UPS設置提出要求，屬于原理性的規(guī)范。GB 50116-2013《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》(以下簡稱“《火規(guī)》”)中10.1.1條規(guī)定：火災自動報警系統(tǒng)應設置交流電源和蓄電池備用電源。此條規(guī)定了火災自動報警系統(tǒng)應采用蓄電池作為備用電源，且為強制性條文。因此，火災自動報警系統(tǒng)應設置不間斷電源(UPS)裝置。

GB 50348-2004《安全防范工程技術(shù)規(guī)范》(以下簡稱“《安規(guī)》”)中3.12.3條規(guī)定：系統(tǒng)監(jiān)控中心和系統(tǒng)重要設備應配備相應的備用電源裝置。此條提出了安防系統(tǒng)應配備備用電源，但未要求使用UPS。在公安部發(fā)布的GA/T 367-2001《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中4.5.4條也提到：備用電源可以是下列之一或其組合：二次電池及充電器；UPS電源；備用發(fā)電機。

由上可知，當用電設備不允許中斷供電或者允許中斷供電時間為毫秒級時需使用UPS做應急備用電源。對于民用建筑中常見的電氣設備，火災自動報警系統(tǒng)必須采用UPS供電；安防系統(tǒng)設備應配備備用電源，可選用UPS或備用發(fā)電機。

2 UPS容量選取

UPS容量是指UPS的帶載能力。UPS容量的確定是UPS選型的首要問題。容量過大會導致UPS長期處于重載運行狀態(tài)，輸出波形發(fā)生畸變，造成UPS逆變器的驅(qū)動元件損壞。容量過小、過度輕載運行，會使UPS的輸入功率因數(shù)和整機效率降低，增加UPS自身的損耗。故在確定UPS容量時，應根據(jù)負荷容量選擇，并適當留有裕量。規(guī)范對UPS容量選取的相關(guān)規(guī)定如下。

《民規(guī)》中6.3.3條規(guī)定：對電子計算機供電時，UPS裝置的額定輸出功率應大于計算機各設備額定功率總和的1.2倍，對其他用電設備供電時，其額定輸出功率應為最大計算負荷的1.3倍?！痘鹨?guī)》中10.1.5條規(guī)定：消防設備應急電源輸出功率應大于火災自動報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)全負荷功率的120%?！栋惨?guī)》中3.12.4條規(guī)定：主電源和備用電源應有足夠容量。應根據(jù)入侵報警系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)等的不同供電消耗，按總系統(tǒng)額定功率的1.5倍設置主電源容量。3.12.3條規(guī)定：系統(tǒng)前端設備視工程實際情況，可由監(jiān)控中心集中供電，也可本地供電。

因此，對于消防報警系統(tǒng)負荷，應按全系統(tǒng)額定功率的1.2倍配備UPS容量，對于安防負荷，應按入侵報警系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)總?cè)萘康?.5倍配備UPS容量。根據(jù)工程情況，UPS容量的選取可考慮前端設備，也可不考慮前端設備。

3 蓄電池容量選取

蓄電池作為UPS的儲能結(jié)構(gòu)，決定了不間斷電源UPS裝置的儲能/放電時間。規(guī)范對于蓄電池容量規(guī)定如下。

《火規(guī)》中10.1.5條規(guī)定：蓄電池組的容量應保證火災自動報警及聯(lián)動控制系統(tǒng)在火災狀態(tài)同時工作負荷條件下連續(xù)工作3h以上。GA/T 367-2001《視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》中4.5.4條規(guī)定：備用電源，其容量應至少能保證系統(tǒng)正常工作時間不小于1h?！栋惨?guī)》中3.12.4條規(guī)定：應根據(jù)管理工作對主電源斷電后系統(tǒng)防范功能的要求，選擇配置持續(xù)工作時間負荷管理要求的備用電源。

由上可知，對于消防報警系統(tǒng)負荷，蓄電池容量應保證持續(xù)工作時間>3h；對于安防負荷，蓄電池容量應保證持續(xù)工作時間>1h，可根據(jù)管理工作要求相應延長。

4 UPS輸入設計

UPS的主要構(gòu)成為：整流器、逆變器、蓄電池、旁路開關(guān)，如圖1所示。整流器把市電或油機的交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，為逆變器和蓄電池提供能量。逆變器把市電經(jīng)整流后的直流電能或蓄電池的直流電能轉(zhuǎn)換為電壓和頻率都比較穩(wěn)定的交流電能。蓄電池為UPS 提供一定后備時間的電能輸出。在市電正常時，由充電器為其提供電能并轉(zhuǎn)換為化學能；在市電中斷時，其將化學能再轉(zhuǎn)換為電能，為逆變器提供能量。為提高UPS 系統(tǒng)工作的可靠性，設置旁路開關(guān)，能承受負載的瞬時過載或短路電流。當遇到UPS已接市電但未開機、開機時UPS緩啟過程中、負載超載、逆變器故障、關(guān)機時UPS停機過程中、UPS過溫保護等情況，UPS均會自動轉(zhuǎn)到旁路供電。

UPS有兩個電源輸入，主路電源和旁路電源。但在UPS的產(chǎn)品制造標準GB 7260.3-2016《不間斷電源設備》附錄A中規(guī)定，主路和旁路的電源輸入端子也可連接在一起。與兩種構(gòu)成相對應，市面上主流UPS產(chǎn)品也有單電源輸入與雙電源輸入之分。

前面所提幾本規(guī)范對于單電源輸入與雙電源輸入沒有作出規(guī)定，但在GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規(guī)范》中6.1.2條明確規(guī)定：交流不間斷電源(UPS)供電系統(tǒng)的主路輸入(整流器輸入)和靜態(tài)旁路的輸入，應分別引自不同的輸入開關(guān)。雙電源輸入的優(yōu)勢在于，若主路輸入線路或開關(guān)故障，旁路輸入能正常工作。因此，在設計中，宜為UPS預留兩路獨立的輸入。

另外，《民規(guī)》中6.3.6條和6.2.5條規(guī)定，UPS宜采用兩路電源供電。此兩路電源指UPS的主路或旁路輸入均應由兩段獨立的變壓器母線經(jīng)ATS互投而來，和前面所述的雙電源輸入為兩個概念，不應混淆，UPS輸入接線方式如圖2所示。

UPS內(nèi)部含有主路輸入開關(guān)Q1，旁路輸入開關(guān)Q2、Q3(Q2為靜態(tài)旁路開關(guān)，Q3為維修旁路開關(guān))和輸出開關(guān)Q4，而Q5、Q6為UPS外部的對UPS進行配電的配電箱中的配出開關(guān)，設計中應注意Q5、

圖2 UPS輸入接線方式

Q6與Q1、Q2、Q3的匹配。表1為某主流品牌UPS開關(guān)配置要求。

UPS配置開關(guān)要求 表1

5 UPS接地設計

UPS所帶負載多為服務器等IT設備，由于服務器負荷率不同，造成UPS三相負荷很難平衡，從而在N線中存有不平衡電流，導致中性點偏移，即中性線與PE線之間存在電位差。然而，服務器等IT設備對中性線與PE線之間的電位差即零地電壓限值是1～2V，那么UPS中性線接地應如何設置，以解決中性點偏移和零地電壓的問題，且見下文分析。

根據(jù)整流方式的不同，UPS分為工頻機和高頻機。工頻機由可控硅SCR整流，因其工作頻率均為工頻50Hz，故稱為工頻UPS。高頻機由IGBT整流，可通過加在其門極的驅(qū)動來控制IGBT的開通與關(guān)斷，開關(guān)頻率通常在幾kHz到上百kHz，故稱為高頻UPS。SCR整流屬于降壓整流，要輸出220V/380V電壓，就必須增加升壓隔離變壓器。IGBT整流通過高頻直流斬波進行升壓，可不帶升壓變壓器。根據(jù)是否帶變壓器進行系統(tǒng)隔離，UPS接地存在兩種不同的做法。

工頻UPS接地圖如圖3所示。變壓器之后的負載輸出可認為是與原電源裝置獨立的電氣系統(tǒng)，即“另起的系統(tǒng)”，該系統(tǒng)可有獨立于原系統(tǒng)的中性點。因此，為限制零地電壓，應將UPS輸出端N線做重復接地，在變壓器之后形成新的TN-S系統(tǒng)。圖3中，輸出端N線取自隔離變壓器次級Y 形繞組的中性點，可從通信機房的交流工作接地排上單獨引線至該輸出點。

圖3 工頻UPS接地圖

高頻UPS接地圖如圖4所示。因為高頻UPS不帶輸出變壓器，高頻UPS負載所需要的N線和PE線都從前端進線引來。根據(jù)GB 16895.3-2017《建筑物電氣裝置 第5-54部分 電氣設備的選擇和安裝 接地裝置和保護導體》中543.4.3條規(guī)定：如果從裝置的任一點起，中性導體、中間導體、線導體和保護功能導體分別采用單獨的導體，則不允許將該中性導體、中間導體、線導體再連接到裝置的任何其他的接地部分。也就是說，N線和PE線從前端分開后，在整個系統(tǒng)中必須分開，因此N線不允許做重復接地。應盡量平衡三相負荷，以解決中性點偏移問題。

圖4 高頻UPS接地圖

6 結(jié)束語