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数据中心UPS上游低压配电系统4极开关的应用问题
  • 在数据中心UPS配电系统中,UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间。UPS上游交流低压配电系统中如果选用4极开关,将引起UPS输入电源中性线断开的问题,建议从低压配电系统的整体架构着手,UPS上游低压配电开关采用3极开关或4极中性线重叠转换开关为宜。

     引言
      
      在UPS配电系统中,UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间,其上游是交流输入低压配电系统,下游是各种关键负载。UPS在正常情况下都是以市电为输入能源,UPS将市电电源进行适当的变换和调节,供给负载稳定可靠的交流电源。当市电停电或技术指标超出预定的容限时,UPS利用储能装置(蓄电池)继续运行为负载供电。市电长时间停电时,超过储能装置(蓄电池)后备时间,则必须起动备用发电机组供电。
      
      在数据中心等重要应用场合,低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器,并配置一台或多台备用发电机组。为了确保UPS输入电源的供给,市电与备用发电机组之间、双重市电电源以及母联开关之间等需要进行转换。如果这些开关选用4极开关,在转换过程中间,必然涉及到中性线可能断开的问题。那么,中性线断开对UPS配电系统有什么影响呢?
      
      1 输入电源中性线中断对UPS配电系统的影响分析
      
      1.1 数据中心UPS的接地系统和中性线基准
      
      UPS对其所连接的负载而言是一个交流电源,对市电电源而言是一个负载。也就是说,UPS涉及到两个低压配电系统,即上游配电系统和下游配电系统。上游接地系统是指市电至UPS输入端的低压接地系统,下游接地系统是指UPS输出端至关键负载的低压接地系统。
      
      根据GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.6条:数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备,其配电系统应采用TN-S系统。
      
      图1是当前普遍采用的一类内置逆变输出变压器Tr2的双变换UPS的电路图。图中UPS的上游接地系统为TN-S,UPS的下游接地系统也是TN-S。UPS的主输入和旁路输入均由副边为Y型接法、中性点接地的市电变压器Tr1供给,UPS输出中性线和负载中性线固定接到市电电源的中性线,市电电源的中性线在低压进线柜中连接到接地极上。因此,UPS电源的输出中性线不是独立接地,而是通过上游电源的中性线接地。即UPS输出中性线是由其输出变压器产生,而中性线的基准(接地)是从市电的中性线取得的。


                           图1   有变压器UPS的接地系统
      
      图2是当前普遍采用的另一类无变压器UPS中性线连接的示意图,市电输入中性线与逆变器输出的中性点(即蓄电池的中心点)连接,其余与图1完全相同。因此UPS的中性线的基准(接地)也是通过市电的中性线接地的。
      
                                 图2 无变压器UPS的接地系统
      
      UPS中性线基准从市电输入电源的中性线取得是比较经济的方法,但UPS的中性线基准完全依赖于市电输入电源中性线的基准。
      
      1.2 UPS的输入中性线断开引发的问题
      
      如果UPS的输入中性线断开,因各厂家UPS内部电路多种多样,部分UPS可能出现下列问题:
      
      •导致部分UPS需要三相4线电源供电的整流器和其他部件的运行异常,UPS转为电池运行模式
      
      •导致部分UPS逻辑电路的参考点丢失
      
      在部分UPS控制电路中,中性线接地基准是用作UPS逻辑电路的参考点的,如果系统在运行时中性线接地基准断开,将会产生瞬变电压,导致UPS检测电路出现错误。例如:UPS误认为输出电压过高或过低而转旁路,或者使UPS关机等。
      
      •导致EMC/RFI抑制电路的功能失效
      
      部分UPS中的EMC/RFI抑制电路的功能只能在预定的TN-S系统下有效,中性线基准断开后,配电系统的瞬变将可能超过EMC/RFI的抑制能力,因而影响UPS的正常运行。
      
      •导致UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统
      
      由于UPS的输入中性线断开,UPS输出的中性线接地会丢失,因此使UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统。这不符合GB50174-2017《数据中心设计规范》的要求。且IT接地系统需要绝缘监视装置(IMD)和故障定位装置对第一次绝缘故障时告警,定位并消除故障,以防止二次短路故障潜在的危险电流。但由于原TN-S系统一般无绝缘监测和告警设备,因此存在更大的潜在危害。
      
      更重要的是,当UPS输入电源中断时,UPS运行在电池放电模式给负载供电,UPS输出三相继续带电运行,中性线接地基准的断开会使负载侧中性点偏移和三相电压不平衡,负载较轻的一相电压升高,负载较重的一相电压下降,造成负载工作异常,严重情况下甚至导致单相负载设备烧坏。(业内多处数据中心曾发生相关案例)
      
      2 UPS上游的低压配电系统接地型式建议
      
      在数据中心,低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器,并配置一台或多台备用发电机组,数据中心低压配电系统的接地型式是典型的多电源TN系统。根据国家标准GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》P25页对多电源TN系统的接地要求:
      
      对于具有多电源的TN系统(图3)和的对用电设备采用单独PE和N的多电源TN-C-S系统,应符合下列要求:
      
      1)不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接;
      
      2)中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘,且不得将其与用电设备连接;
      
      3)电源中性点间相互连接的导体与PE之间,应只一点连接,并应设置在总配电屏内;
      
      4)对装置的PE可另外增设接地;
      
                     图3 对用电设备采用单独PE和N的多电源TN-C-S系统
      
      结合国家建筑标准设计图集14D504《接地装置安装》P194页:
      
                           图4 电网和柴油发电机系统接地示意图
      
      从标准规范和图集可以看出,变压器和发电机组的N线都不应在其本体处直接接地,两者的N线只在配电柜内与PE一点连接。这样从变压器或发电机出来连接到配电柜的N线应是PEN线,根据规范PEN线上是严禁设置开关断开PEN线的,所以从变压器和发电机引来电源的进线开关需设计为3极开关,变电所母联开关也可设计为3极。(此点也可参见著名电气专家王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第4节配电变电所内总开关和母联开关不需装用4极开关)
      
      形成如下图所示配电系统:
      
                 图5  配电系统集中一点接地(引自《西门子供配电系统设计手册》)
      
      在现代大型数据中心中,很多设计UPS系统容量已接近变压器容量,UPS的输入直接就连接到变压器出口的一级配电柜中。如采用上述低压配电系统接地型式和3极开关,将极大地避免UPS的输入中性线断开引起的问题。
      
      3 UPS上游的4极转换开关建议采用中性线重叠转换开关
      
      上图5配电系统集中一点接地的情况比较适用于多电源相邻的情况,但现实中很多时候发电机组距离变配电所很远,如果发电机中性线还是在变配电所一点接地,当发电机端发生接地故障,会因故障点距离接地点太远造成故障电流小,不易实现故障保护动作,存在安全隐患,所以必须要有发电机组中性线单独接地的情况。配电系统存在2处接地点,如图6所示情况:
      
                   图6  配电系统2点集中接地(引自《西门子供配电系统设计手册》)
      
      这时,市电与油机切换的转换开关就必须用4极转换开关。为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题,建议采用中性线重叠转换开关。
                 

           图7 中性线重叠转换开关

    带有中性线重叠转换功能的自动转换开关,其N线构造与相线不同——N与L1/L2/L3不同时动作。在转换过程中,确保每一时刻均有一路电源的N线保持与负载连接。
      
      这种转换开关在转换过程中,市电和发电机的中性线是重叠接在电路中的,即以“先合后断”的方式进行中性线转换,或称为“中性线重叠转换”,如图7所示。当从市电向发电机转换时,首先接上发电机的中性线,然后转换3个相线,再断开市电的中性线,最后,ATS的4极开关与发电机电源连接。反之亦然。即转换过程中负载的中性线同时与市电和发电机的中性线连接,转换后只与市电或发电机一个电源的中性线连接,实现了市电和发电机的中性线完全隔离。需要注意的是:带有中性线重叠转换功能的开关其中性线始终连接负载,不能具备双分位置;带有中性线重叠转换功能的开关可能造成接地保护失效;如需要接地保护,请设置延时以躲过中性线重叠时间。
      
      另外,UPS系统容量较小时,设计中多会将UPS接入二级配电系统。当一级配电系统采用上图5的系统架构,为避免三极转换开关将产生杂散电流而引起不良后果(如图8),UPS上游的二级配电系统常常会应用4极转换开关。同上述分析,此时也建议采用具有中性线重叠转换功能的4极转换开关。
      
      图8 两电源共用配电盘,末端装用3极电源转换开关将产生杂散电流而引起不良后果(引自王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第5节)
      
      4 UPS上游已存在4极开关或中性线断开4极转换开关的对策
      
      现有建筑电气设计中可以看到变电所设计时变压器出口总开关、母联开关和发电机出口总开关采用4极开关的情况,也经常看到4极转换开关采用的是中性线断开的4极转换开关。当UPS上游配电系统存在这些情况时,为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题,建议可采用如下应对措施:
      
      1)对于需要输入中性线才能正常工作的UPS电源,建议在UPS输入端增加隔离变压器,隔离变压器二次侧采用星型连接,中性点直接接地。


                         图9 UPS输入端加装隔离变压器

      2)对于不需要输入中性线也能正常工作的UPS电源,建议在UPS旁路输入端、输出端或列头配电柜增加隔离变压器,隔离变压器二次侧采用星型连接,中性点直接接地。


                             图10 UPS 旁路输入端加装隔离变压器
        

                           图11 UPS输出端加装隔离变压器
       

                          图12  列头配电柜加装隔离变压器

      在旁路输入端加装隔离变压器的优点是不占用UPS的容量,但缺点是当切换到旁路供电时冲击电流会使电压有瞬时跌落,且距离负载如果太远,负载端零地电压可能稍大;在输出端或列头配电柜加装隔离变压器的优点是可以靠近负载,负载端零地电压小,但缺点是需要占用UPS的容量,且变压器的励磁涌流需要加以限制才能保证UPS逆变器正常运行。
      
      无论在哪里增加隔离变压器,隔离变压器的占地和投资对用户来说都是增加建设成本。
      
      5 结束语
      
      随着数据中心建设的快速发展,UPS的应用越来越广泛,UPS装机容量也越来越大。为减小因为UPS输入中性线断开而给用户带来的损失,建议从低压配电系统的整体架构着手,UPS电源上游低压配电开关采用3极开关或4极中性线重叠转换开关为宜。
      
      参考文献
      
      [1]王厚余 低压电气装置的设计安装和检验(第二版)北京:中国电力出版社,2007
      
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      [5]中国建筑标准设计研究院 国家建筑标准设计图集14D504接地装置安装
      
      [6]施耐德电气 WOTPC系列自动转换开关产品目录SCDOC18582016.11
      
      [7]西门子(中国)有限公司供配电系统设计手册第一册:配电系统设计原则TIPCoC,2012
      
      编辑:Harris
      

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