不间断电源整合系统双电源转换过程接地方案

张军吕馨

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

不间断电源整合系统双电源转换过程接地方案

张军吕馨

(北京城建设计发展集团股份有限公司 北京 100037)

论述地铁不间断电源(UPS)整合系统在两个电源转换过程中存在的中性线断开的问题。UPS馈出变压器的中性点是通过进线电源的中性线接地，指出电源转换时UPS出现回路中性点悬浮不再接地的情况。对UPS中性点悬浮问题提出解决方案，从而提高UPS供电的可靠性。

地铁;不间断电源;整合系统;双电源自动转换装置;中性点接地

在近几年北京和上海的地铁设计中，采用了不间断电源(UPS)整合系统。所谓UPS整合系统，就是将原来由部分弱电系统分别设置的UPS按各系统用电需求整合到一起，统一供电，达到对UPS及蓄电池统一维护、监控、采购并减少人工维护管理成本的目的。笔者在UPS电源整合的实际设计过程中，发现UPS整合系统在电源转换过程中存在中性线断开、中性点悬浮的问题。若此时三相不平衡，则中性点悬浮不接地而形成中性点漂移，会导致某相电压过高，存在烧毁负载的可能，下面就此问题进行探讨。

1 UPS整合系统方案

1.1 UPS整合系统的供电

地铁UPS整合系统为一级负荷，由车站变电所的低压400 V不同母线各引入一路独立电源进行供电。UPS进线电源处设PC级的三相四极双电源自动转换装置，四极转换装置使得两个电源在切换过程中相线和中性线均断开。双电双电源互换时，转换时间为秒级(一般为2～4 s)。

1.2 UPS设备构成

从功能设置角度考虑，UPS设备主要由以下几部分构成:交流进线回路、双电源自动切换装置、高频开关整流充电模块(N+1冗余配置)、蓄电池组、逆变器、交流馈线回路、静态旁路回路、检修旁路回路、监控模块等。

UPS电源整合系统的部分装置如图1所示。

图1 UPS电源整合系统

UPS出线变压器设置在逆变器之后，在图1的A处(见图5)。通常UPS主机为进口成套产品，主机内各器件、开关均不能随意改动(见图1虚线框内的设备)。

1.3 UPS的接地方式

在UPS主机内，只设置一组中性线(N线)端子排，主机进线和出线线缆的中性线实际上接在一起。在变电所，配电变压器的中性点是接在接地端子排上的，即UPS主机通过其进线的中性线与变电所的接地端子排在变电所进行了接地，如图2所示。

图2 UPS主机接地

1.4 UPS整合系统的负载情况

UPS整合系统为各弱电系统提供UPS电源，弱电系统通常包括通信、信号、火灾自动报警(FAS)/设备监控(BAS)、自动售检票(AFC)等。UPS整合系统应满足各设备系统电压制式和等级的要求，同时还要满足各设备系统电源容量和供电时间要求、各馈出回路的实际需要性及各馈出回路的同期性。需要整合的这些系统有的要求三相电源供电，有的要求单相电源供电，但各负载的需求不尽相同，要由各具体工程确定。

2 问题及解决方案探讨

2.1 问题

UPS整合系统进线采用的是四极双电源转换装置，进线处的中性线在两路电源转换过程中要断开，此时馈出线变压器的中性点悬浮，不再接地。参加UPS整合系统的个别系统有单相负载的需求，如办公自动化(OA)、火灾自动报警(FAS)等，这些系统的单相负载造成整个UPS整合系统存在三相不平衡的情况，使得两路电源在转换过程中因中性点悬浮不接地而形成中性点漂移，这可能导致某相电压过高、烧毁负载的情况。

2.2 方案

2.2.1 三相负荷平衡

中性点飘移是由于负载三相不平衡造成的，因此在设计时应尽量将三相负载配平衡，以减少中性点的飘移量，进而减小电压偏移对负载的影响。由于整合的弱电专业较多，且三相负载的各相分配均由各弱电专业自行设计，通常弱电设计人员对配电设计不大专业，故需配电专业设计人员根据各弱电专业的负荷需求进行配电回路的协调，以使三相输出的负载不平衡度最大相和最小相负载的基波均方根电流之差控制在最小范围内。

2.2.2 双电源切换装置采用三相三极

如图3所示，在变电所低压供电的为单母线分段方案情况。母线联络开关如采用三极开关，则母线上的中性线导通不断开;若在用电负荷侧也采用三极双电源转换装置将两段母线的中性线再导通，则此时中性线电流既可由本回路的中性线返回到本侧电源变压器的中性点，也可绕道沿另一电源回路的中性线经变电所低压柜中性排返回到另一台变压器的中性点，后一电流即杂散电流。这一杂散电流可引起一些不良后果，如杂散电流的通路可形成一大包绕环，杂散电流产生的杂散磁场可能会对敏感信息技术设备产生干扰。

图3 末端采用三极转换开关

即使变电所母线联络开关采用四极开关，将低压柜内中性排断开，但由于低压柜内的中性排要与PE(保护地)排连接，另一电源中性线上的电流也能通过三极双电源切换装置的中性线→变电所低压柜PE排→低压柜中性排回到本回路变压器的中性点，杂散电流也不能避免。

再换个简单说法，本回路中性线通过另一电源回路的中性线接地，已违反了TN-S接地系统“当保护导体与中性导体分开后不应再合并，且中性导体不应再接地”的要求。

使用三极双电源切换装置带来了上述问题，说明这不是好的解决方案。

2.2.3 UPS系统馈出线变压器中性点接地

为简化说明，现举例说明设有1个旁路开关的UPS系统的工作情况。如图4所示，UPS馈出变压器出线开关K2和旁路开关K1均采用四极开关，变压器中性点接地，设两个相互绝缘的中性线端子排N1和N2。

当整流逆变回路工作时，开关K2闭合，K1断开。在这种工况下，由于变压器中性点接地，进线前的四极双电源切换装置在切换过程中不会出现中性点悬浮问题。而且，由于K1断开中性线，N1和N2不连通，进线的中性线N1不会接地。

当旁路开关工作时，开关K1闭合，K2断开。在这种工况下，K2断开中性线，N2不再接地。K1闭合，将出线端的N2和电源端的N1连通。此时，进线前的四极双电源切换装置在切换过程中处于断电状态(没有蓄电池串入旁路中)，也没有中性点悬浮问题。

图4 带有1个旁路的接线

根据上述对图4接线情况的分析，具体到图1，如果有条件，可将机柜内的开关接线改造，如图5所示。按图3的做法，在有出线变压器的机柜内设置两个互相绝缘的中性线端子排。将变压器出线开关14QF改为四极开关，UPS出线变压器中性点单独接在中性线端子N2上，并将此中性线端子通过变压器中性点进行接地，开关14QF的进线接至中性线N2端子排。旁路开关11QF、12QF、21QF也要改为四极开关，进线都接至中性线端子排N1。这样接线后，在整流-逆变主回路工作时，14QF闭合，旁路开关断开隔离中性线端子排N1，出线变压器中性点在机柜内接地，当双电源切换装置切换电源时，就不会出现中性点悬浮问题。在任一旁路开关闭合工作时，14QF断开，隔离中性线端子排N2，不会让中性线端子排N1接地，满足规范对低压配电采用TN-S接地系统“当保护导体与中性导体分开后不应再合并，且中性导体不应再接地”的要求。

此种方案也能满足GB 50303—2002《建筑电气工程施工质量验收规范》第9.1.4条“不间断电源输出端的中性线(N极)，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地”的要求。

图5 修改后的UPS电源整合系统

2.3 完善

目前，笔者参与的是UPS主机为进口设备的项目，内部开关均为三极，国内厂家不能改造。设计能采取的方案只能是尽量在配电设计上使负载三相平衡，以减小双电源切换装置时的电压偏差。

3 结语

对于UPS整合系统的设备生产商来说，内部开关采用三极开关本身并无问题;但对应于具体的UPS整合系统，因按一级负荷配电，两路电源采用了双电源转换装置进行转换。在此情况下，UPS的接地就出现了上述问题。

在车站UPS整合系统设计中，对于出现的接地问题，应采取合理的方案进行解决。首先，要使各用电负载的配电尽量三相平衡，特别是当UPS整合后的二次配电由各弱电系统自行完成时，要注意各专业的配合与协调，避免由于出现单相负荷配电回路的三相不平衡而引起中性点漂移问题;其次，在有条件的情况下，按本文2.3节修改UPS内部开关。同时，UPS旁路及变压器需完善系统方案，合理配置旁路数量，精简配电回路，减少“断中性线”点，以增强UPS整合系统的可靠性，达到利用UPS系统得到稳定、单一、高质量的交流电源的目的。

［1］GB 50157—2003地铁设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2003:100.

［2］GB 50303—2002建筑电气工程施工质量验收规范［S］.北京:中国计划出版社，2002:27.

［3］JGJ 16—2008民用建筑电气设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008:166.

［4］王厚余.建筑物电气装置500问［M］.北京:中国电力出版社，2008:135，140-141.

［5］上海申通地铁集团有限公司.弱电系统UPS电源整合设计指导意见［S］.上海，2007.

［6］盛蓉蓉.UPS电源整合在城市轨道交通中的应用［J］.世界轨道交通，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

作者简介:张军，男，大学本科，工程师，从事轨道交通设计研究，keyren@126.com

(编辑:郭 洁)