工業UPS 并機系統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，經過整流模塊的轉換為直流電源，可以為電池充電，再經過逆變模塊轉換為交流電源，為負載提供可靠的交流電源。當市電故障時，UPS 從蓄電池放電，經逆變模塊變換后，繼續向負載提供不間斷交流電源。當電池電源放完后，市電電源繼續停電時UPS 將停止工作。UPS 設備自身故障或負載過壓、過載時，負載由靜態轉換開關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UPS 的功能，UPS 內部必須具有主路和旁路切換，系統結構采用并聯冗余方式。并且有適當的接地系統，正確選擇接地系統可以保證UPS 的可靠運行，滿足負載的供電要求，確保人身和設備安全，同時可以有效故障保護動作。

UPS 接地是一個非常復雜的問題，不適當接地會引起供電的問題，嚴重時會造成系統癱瘓。其中與接地系統有直接關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 的設計方案

對工業“1+1”UPS 設計，目前主要有兩套UPS輸出直接并聯冗余系統設計和兩套UPS 輸出經STS快速切換系統設計。

1.1 UPS 輸出直接并聯冗余系統設計方案

UPS 輸出直接并聯冗余系統設計方案，該設計的優點：一次性投資小，且應用廣泛；缺點：兩套UPS 運行時相互制約，對并機系統控制要求極高，只要并機系統控制稍有問題，兩套UPS 直接切除，并同時切換至旁路，UPS 的可靠性降低，易發生裝置停車事故，且該方案設計對UPS 接地系統要求極高。設計方案如圖1 所示。

1.2 UPS 輸出經STS 快速切換系統設計方案

UPS 輸出經STS 快速切換系統設計方案，該設計的優點：兩套UPS 運行相互獨立，運行方式較為靈活，系統可靠性高，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。該設計對系統的接地要求不高，且容易施工。設計方案如圖2所示。

2 目前配電接地系統及對電網的影響

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

2.1 IT 系統

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

IT 系統配電無中性線，當系統發生接地故障時，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，保證供電的連續性。IT供電系統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，在負載發生短路故障或漏電時設備外殼帶電，容易造成觸電事故。

2.2 TT 系統

TT 系統中有較大量單相220 V 用電設備，如果相線和零線任意一線斷裂，就會引起零線的電位升高，電氣設備的外殼不能直接接零線，進而要采用TT 系統。當電源側和負荷側均裝設漏電裝置，且負荷側裝設斷零保護，才能成為完整的供電系統。

2.3 TN 系統

TN 系統又有3 種接線方式：TN-C 系統、TN-S系統、TN-C-S 系統。TN 系統設計時應注意以下方面：

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

(2) TN-C 系統斷零后三相負荷不對稱，零位偏移，單相設備電壓升高，可能會造成設備燒毀，且用電設備外殼接零帶電，無零線后漏電保護無法起到保護作用。TN-S 系統三相回路零線斷開后會燒毀設備，但外殼不帶電。

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

綜上所述的配電系統中，應推薦使用TN-S 系統，造成觸電的風險性較小。

3 針對配電接地方案設計并聯冗余UPS 接地系統方案

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

根據用戶的不同應用場合，采取不同的設計方案。

3.1 TN-S 接地系統設計方案

對UPS 供電系統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備不會產生強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 設計方案。該方案主要用于配電室內電氣設備結構簡單，供電負荷較為普通，非線性負載少的供電系統。供電系統產生的諧波較少，且設備啟動過程中對配電網影響較小的配電中心，例如：小型配電室、辦公樓層供電、區域內供電等。

圖3 采用TN-S 設計方案的工業型“1+1”UPS 供電系統的接地系統

3.2 局部凈化型設計方案

對UPS 供電系統距主變壓器的距離較遠，且位于同一供電配電柜中的用電設備、易產生強烈電磁干擾和電流“沖擊”的場合。

建議：如圖4 所示的采用局部凈化型TN-S 設計方案的工業機型UPS 供電系統的接地系統。其優點是：不僅可以確保由UPS 供電系統所供電的各種用電設備的安全運行，而且還可避免因采用傳統TN-C-S 接地設計方案所帶來的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備和UPS 供電系統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荷中心局部分離，適合遠距離的供電中心。供電系統的電磁干擾和諧波對負荷中心沒有影響，且彼此間系統獨立，電源系統中的設備啟動和非線性負載的啟動對負荷中心的穩定運行不受影響。因此，該系統更適合化工設備的頻繁啟動、大型的調度中心、鋼鐵行業等。

3.3 TN-C 接地系統設計方案

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

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 接地系統的供電狀態。由此所帶來的負面影響是：干擾問題變得相當嚴峻，在某些異常工況下，甚至還會產生嚴重的安全問題。

圖5 設計錯誤的TN-C 的工業型“1+1”UPS 供電系統的接地系統

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

4 并聯冗余UPS 接地系統方案建議

UPS 接地問題和選擇將會影響負荷中心的穩定運行，UPS 的負荷全部為一級負荷，因此UPS 接地的正確選擇將會是后期運行的關鍵。大型化工企業在選擇UPS 接地方案要慎之又慎，尤其是“1+1”并聯的UPS 設計方案，局部的干擾將直接導致UPS 逆變器無輸出，且兩臺設備同時受到干擾，直接導致下級負荷停電、裝置停車，嚴重影響化工企業的連續運行。

綜上，大型化工企業、重要的數據負荷中心和大型信息中心，建議選用局部凈化型TN-S 設計方案的工業型“1+1”UPS 供電系統的接地系統，確保負荷中心運行的穩定性。

5 結語

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