不間斷電源整合系統雙電源轉換過程接地方案

張軍呂馨

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

不間斷電源整合系統雙電源轉換過程接地方案

張軍呂馨

(北京城建設計發展集團股份有限公司 北京 100037)

論述地鐵不間斷電源(UPS)整合系統在兩個電源轉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是通過進線電源的中性線接地，指出電源轉換時UPS出現回路中性點懸浮不再接地的情況。對UPS中性點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;雙電源自動轉換裝置;中性點接地

在近幾年北京和上海的地鐵設計中，采用了不間斷電源(UPS)整合系統。所謂UPS整合系統，就是將原來由部分弱電系統分別設置的UPS按各系統用電需求整合到一起，統一供電，達到對UPS及蓄電池統一維護、監控、采購并減少人工維護管理成本的目的。筆者在UPS電源整合的實際設計過程中，發現UPS整合系統在電源轉換過程中存在中性線斷開、中性點懸浮的問題。若此時三相不平衡，則中性點懸浮不接地而形成中性點漂移，會導致某相電壓過高，存在燒毀負載的可能，下面就此問題進行探討。

1 UPS整合系統方案

1.1 UPS整合系統的供電

地鐵UPS整合系統為一級負荷，由車站變電所的低壓400 V不同母線各引入一路獨立電源進行供電。UPS進線電源處設PC級的三相四極雙電源自動轉換裝置，四極轉換裝置使得兩個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，轉換時間為秒級(一般為2～4 s)。

1.2 UPS設備構成

從功能設置角度考慮，UPS設備主要由以下幾部分構成:交流進線回路、雙電源自動切換裝置、高頻開關整流充電模塊(N+1冗余配置)、蓄電池組、逆變器、交流饋線回路、靜態旁路回路、檢修旁路回路、監控模塊等。

UPS電源整合系統的部分裝置如圖1所示。

圖1 UPS電源整合系統

UPS出線變壓器設置在逆變器之后，在圖1的A處(見圖5)。通常UPS主機為進口成套產品，主機內各器件、開關均不能隨意改動(見圖1虛線框內的設備)。

1.3 UPS的接地方式

在UPS主機內，只設置一組中性線(N線)端子排，主機進線和出線線纜的中性線實際上接在一起。在變電所，配電變壓器的中性點是接在接地端子排上的，即UPS主機通過其進線的中性線與變電所的接地端子排在變電所進行了接地，如圖2所示。

圖2 UPS主機接地

1.4 UPS整合系統的負載情況

UPS整合系統為各弱電系統提供UPS電源，弱電系統通常包括通信、信號、火災自動報警(FAS)/設備監控(BAS)、自動售檢票(AFC)等。UPS整合系統應滿足各設備系統電壓制式和等級的要求，同時還要滿足各設備系統電源容量和供電時間要求、各饋出回路的實際需要性及各饋出回路的同期性。需要整合的這些系統有的要求三相電源供電，有的要求單相電源供電，但各負載的需求不盡相同，要由各具體工程確定。

2 問題及解決方案探討

2.1 問題

UPS整合系統進線采用的是四極雙電源轉換裝置，進線處的中性線在兩路電源轉換過程中要斷開，此時饋出線變壓器的中性點懸浮，不再接地。參加UPS整合系統的個別系統有單相負載的需求，如辦公自動化(OA)、火災自動報警(FAS)等，這些系統的單相負載造成整個UPS整合系統存在三相不平衡的情況，使得兩路電源在轉換過程中因中性點懸浮不接地而形成中性點漂移，這可能導致某相電壓過高、燒毀負載的情況。

2.2 方案

2.2.1 三相負荷平衡

中性點飄移是由于負載三相不平衡造成的，因此在設計時應盡量將三相負載配平衡，以減少中性點的飄移量，進而減小電壓偏移對負載的影響。由于整合的弱電專業較多，且三相負載的各相分配均由各弱電專業自行設計，通常弱電設計人員對配電設計不大專業，故需配電專業設計人員根據各弱電專業的負荷需求進行配電回路的協調，以使三相輸出的負載不平衡度最大相和最小相負載的基波均方根電流之差控制在最小范圍內。

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。母線聯絡開關如采用三極開關，則母線上的中性線導通不斷開;若在用電負荷側也采用三極雙電源轉換裝置將兩段母線的中性線再導通，則此時中性線電流既可由本回路的中性線返回到本側電源變壓器的中性點，也可繞道沿另一電源回路的中性線經變電所低壓柜中性排返回到另一臺變壓器的中性點，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，雜散電流產生的雜散磁場可能會對敏感信息技術設備產生干擾。

圖3 末端采用三極轉換開關

即使變電所母線聯絡開關采用四極開關，將低壓柜內中性排斷開，但由于低壓柜內的中性排要與PE(保護地)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，雜散電流也不能避免。

再換個簡單說法，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“當保護導體與中性導體分開后不應再合并，且中性導體不應再接地”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系統饋出線變壓器中性點接地

為簡化說明，現舉例說明設有1個旁路開關的UPS系統的工作情況。如圖4所示，UPS饋出變壓器出線開關K2和旁路開關K1均采用四極開關，變壓器中性點接地，設兩個相互絕緣的中性線端子排N1和N2。

當整流逆變回路工作時，開關K2閉合，K1斷開。在這種工況下，由于變壓器中性點接地，進線前的四極雙電源切換裝置在切換過程中不會出現中性點懸浮問題。而且，由于K1斷開中性線，N1和N2不連通，進線的中性線N1不會接地。

當旁路開關工作時，開關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，進線前的四極雙電源切換裝置在切換過程中處于斷電狀態(沒有蓄電池串入旁路中)，也沒有中性點懸浮問題。

圖4 帶有1個旁路的接線

根據上述對圖4接線情況的分析，具體到圖1，如果有條件，可將機柜內的開關接線改造，如圖5所示。按圖3的做法，在有出線變壓器的機柜內設置兩個互相絕緣的中性線端子排。將變壓器出線開關14QF改為四極開關，UPS出線變壓器中性點單獨接在中性線端子N2上，并將此中性線端子通過變壓器中性點進行接地，開關14QF的進線接至中性線N2端子排。旁路開關11QF、12QF、21QF也要改為四極開關，進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，14QF閉合，旁路開關斷開隔離中性線端子排N1，出線變壓器中性點在機柜內接地，當雙電源切換裝置切換電源時，就不會出現中性點懸浮問題。在任一旁路開關閉合工作時，14QF斷開，隔離中性線端子排N2，不會讓中性線端子排N1接地，滿足規范對低壓配電采用TN-S接地系統“當保護導體與中性導體分開后不應再合并，且中性導體不應再接地”的要求。

此種方案也能滿足GB 50303—2002《建筑電氣工程施工質量驗收規范》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，做重復接地”的要求。

圖5 修改后的UPS電源整合系統

2.3 完善

目前，筆者參與的是UPS主機為進口設備的項目，內部開關均為三極，國內廠家不能改造。設計能采取的方案只能是盡量在配電設計上使負載三相平衡，以減小雙電源切換裝置時的電壓偏差。

3 結語

對于UPS整合系統的設備生產商來說，內部開關采用三極開關本身并無問題;但對應于具體的UPS整合系統，因按一級負荷配電，兩路電源采用了雙電源轉換裝置進行轉換。在此情況下，UPS的接地就出現了上述問題。

在車站UPS整合系統設計中，對于出現的接地問題，應采取合理的方案進行解決。首先，要使各用電負載的配電盡量三相平衡，特別是當UPS整合后的二次配電由各弱電系統自行完成時，要注意各專業的配合與協調，避免由于出現單相負荷配電回路的三相不平衡而引起中性點漂移問題;其次，在有條件的情況下，按本文2.3節修改UPS內部開關。同時，UPS旁路及變壓器需完善系統方案，合理配置旁路數量，精簡配電回路，減少“斷中性線”點，以增強UPS整合系統的可靠性，達到利用UPS系統得到穩定、單一、高質量的交流電源的目的。

［1］GB 50157—2003地鐵設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，2003:100.

［2］GB 50303—2002建筑電氣工程施工質量驗收規范［S］.北京:中國計劃出版社，2002:27.

［3］JGJ 16—2008民用建筑電氣設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，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］上海申通地鐵集團有限公司.弱電系統UPS電源整合設計指導意見［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，大學本科，工程師，從事軌道交通設計研究，keyren@126.com

(編輯:郭 潔)