数据机房UPS输入/输出及电涌过电压防护设计

郭德盛

(上海信盛电讯设备网络有限公司，上海 200086)

0 引言

一般中小型数据机房电源按一类负荷配电，其设计要求应符合A级或B级机房要求，应采用在线不间断电源(Uninterruptible System Power，UPS)为数据机房提供稳定的高可靠性输出配电。因此，UPS设计取值、输入与输出配置及瞬态电涌抑制是数据机房设计的核心问题。

1 UPS构成及容量选择

1.1 基本功能

UPS安装在市配电柜和负载配电柜之间，可以保障计算机系统在市电停止之后继续工作一段时间，使用户不致因停电而影响工作或丢失数据。UPS在计算机系统和网络应用中主要起到两个作用:应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害;消除市电的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等电源污染，改善电源质量，为计算机系统提供高质量的电源。

1.2 电气构成

UPS电气构成如图1所示。

图1 UPS电气构成

UPS主要由滤波单元、整流单元、逆变单元、静态开光单元和电池组单元、隔离变压器等组成。

滤波单元消除市电输入UPS中的瞬态尖峰，保持电压平稳。整流单元是将交流转化为直流的装置，有两个主要功能:将交流电变成直流电，经滤波后供给负载或供给逆变器;给蓄电池提供充电电压。因此，整流单元同时又起到一个充电器的作用。逆变单元是将直流电转化为交流电的装置，由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。静态开关单元是由两个晶闸管反向并联组成的一种交流开关，当逆变器过载或不能正常工作时，实现把负载不间断地切换到旁路上。

蓄电池组单元(CB)是UPS用来储存电能的装置，由若干个电池串联而成，其容量大小决定了维持放电(供电)的时间。主要功能:当市电正常时，将电能转换成化学能储存在电池内部;当市电故障时，将化学能转换成电能提供给逆变器或负载。

隔离变压器能平衡不平衡载荷对输出的影响，有效抑制计算机类非线性负载引起的输出电压。

图1中，UPS工作主要有三种状态:

(1)S1、S4闭合，UPS正常工作。

(2)过载或UPS故障，S2、S4闭合，旁路输出。

(3)S3闭合，维护旁路，便于UPS送修。

1.3 UPS取值

电池一般按后备15 min～4 h选取。UPS容量标示值为视在功率S=3W/cosφ，其中W为数据机房载荷之和，功率因数cosφ一般取0.70～0.75，冗余计算值一般取3，即设计功率为S/3。一般取三相四线制供电，易达到荷载均衡，减少配电电缆面积。

2 UPS输入/输出设计

2.1 双路单投自动输入配电系统

中心机房的整个动力系统是由两个独立变压器输入的市电1、市电2、双路单投自动转换开关(Automatic Transfer Switch，ATS)组成，以支持机房的动力设备、气体防火系统及UPS在ATS输出并连接入电涌保护器(Surge Protective Device，SPD)共同组成的双输入供电系统。ATS自动输入配电系统如图2所示。如果市电产生故障，ATS能在较短的时间内(80～100 ms)自动切换到备用电路操作，同时UPS输入电源会出现短暂的停电事故，在线式UPS无中断，后备式UPS设备能在4 ms内对设备恢复供电，服务器不会中断。

图2 ATS自动输入配电系统

2.2 UPS与市电静态切换系统切换输出供电系统

将静态切换系统(Static Transfer System，STS)安装在负载设备前端，当UPS失效当机时，利用STS不间断切换市电功能来保证电源设备的供电。UPS与市电STS切换如图3所示。对于制造业公司小型数据机房，STS解决了预算少、机房场地紧张、不可能购买双UPS冗余的难题。

图3 UPS与市电STS切换

将双总线系统中的某路电源作为优选电源提供给用电设备，并实时对两路交流电源的各项指标进行检测，一旦发现当前供电电源出现异常，可以自动将用电设备在极短的间断时间内切换到另一路备用电源上，从而给设备提供稳定、不中断的交流供电。

STS切换时间＜1 ms，切换方式是先断后合，因此两电源在切换时的相位差甚至可以大于180°，因此可应用于高可靠性的不间断供电领域。

3 UPS电涌过电压防护设计

电涌过电压有雷击、太阳黑子磁暴、电路操作过电压、静电放电、核电磁脉冲、微波辐射、短路等7种形式。LPZ防护区划分如图4所示。数据机房一般位于LPZ2第二防护区，主要考虑防护电路操作过电压、短路、静电放电。

3.1 压敏电阻

采用氧化锌压敏电阻(Metal Oxide Varisitor，MOV)保护释放由远距离或传导雷击而引起的电涌雷击，一般接在UPS市电输入前(数据机房配电端)与UPS电输出后。LPZ3区域用于保护使用插座的单个负载而设计的防雷器，选用精确D级防雷器，可以进一步减少雷电电磁脉冲。MOV参数取值如表1所示。MOV电压标称值为1.2××220=373 V。

图4 LPZ防护区划分

一般，断路器串联在MOV电路上，当MOV短路损坏时断开电路连接，厂家推荐值为50 A，但必须小于主回路起动值，达到保护设备的目的。

表1 MOV参数取值

3.2 TVS抑制操作过电压

在UPS的使用过程中，有时会发生STS切换(＜1 ms)、UPS维护旁路合闸、用户电路带负荷起动、短路等操作。感性负荷切断时，磁场瞬态崩溃，在负载电路中产生瞬态高压，造成计算机设备及UPS损坏。

在AC 120 V电路中会产生1.4～2.5 kV的瞬态峰值电压，有时甚至高达6 kV，导致线路绝缘击穿、损坏。采用瞬变电压抑制二极管(Transient Voltage Suppressor，TVS)保护敏感度高的设备(服务器、存储及交换设备)，通过高速限压去除操作过电压、短路、静电放电电涌电压干扰，作为第二级抑制峰值保护。

3.2.1 TVS特性

TVS具有极快的响应时间和非常高的电涌吸收能力，使危险的电压尖峰以箝位方式(PN结的雪崩效应)来限制在电路中允许的范围。

瞬态电压是不可预测的，且阻抗随瞬态电压而变化，没有确定的数值。同时在器件承受很大的脉冲电流时，温度变化可造成最高箝位电压有50%～70%的测量误差。在低电流状态下，最低电压和最高脉冲峰值电流状态下的最高籍位电压是可以确定的。TVS箝位作用的响应时间为10-12s，因此用来保护集成电路、MOS器件、数/模混合电路以及其他对电压敏感的半导体元器件，可串联或并联在电路中。

TVS电压—电流特性曲线如图5所示。由图5可见，在瞬态峰值脉冲电压作用下，流过TVS的电流由最大反向剩余电流ID上升到反向击穿电流IR时，其两极呈现的电压由额定反向关断电压URWM上升到击穿电压UBR，TVS被击穿。随着峰值脉冲电流的增大，流过TVS的电流达到峰值脉冲电流IPPM，但两极的电压被箝位到预定的最大箝位电压以下。其后，脉冲电流按指数规律衰减，TVS两极的电压也不断下降，最后恢复到起始状态，这就是TVS抑制电涌脉冲电压保护电子元器件的过程。

3.2.2 TVS主要性能参数

(1)额定反向关断电压 URWM和电流 ID。URWM是最大连续工作的直流或脉冲电压，当URWM加于TVS的两极间时，处于反向关断状态，流过的电流不大于最大反向剩余电流ID。

图5 TVS电压—电流特性曲线

(2)最小击穿电压UBR和击穿电流IR。UBR是TVS的最小雪崩击穿电压。当环境温度为25℃时，在UBR之前TVS不导通。当TVS流过规定的1 mA电流(IR)时，加于TVS两极间的电压为最小击穿电压UBR。按UBR与标准值的离散程度，可把TVS分为 ±5%UBR和 ±10%UBR:对于 ±5%UBR，URWM=0.85UBR;对于 ±10%UBR，URWM=0.81UBR。

(3)最大箝位电压UC和最大峰值脉冲电流IPPM。当持续时间20 μs的脉冲峰值电流IPPM流过TVS时，在两极间出现的最大烽值电压为UC。UC、IPPM反映了TVS抑制电涌电流的能力。UC/UBR称为箝位因子，一般为1.2～1.4。

(4)最大峰值脉冲功耗PPPM。TVS对电涌功率和电涌电流的吸收能力取决于PN结的面积。对于TVS系列产品，波形峰值脉冲功率PPPM的吸收能力可以达到数千瓦，用8/20 μs波形定义。器件吸收的峰值脉冲功率是由TVS上的箝位电压UC和流过TVS的冲击电流峰值IPPM乘积来确定的。根据箝位电压的不同，TVS应用在5～400 V的电路中。

(5)限制系数K1。它表示TVS实际承受电压UC与雪崩击穿电压UBR之比，即K1=UC/UBR。在使用中，TVS的击穿电压UBR应当比被保护电路的工作电压高出10%以上，以防止由于UBR接近电路的工作电压而使TVS的剩余电流影响电路的工作，同时避免了由于温度效应引起的UBR变化。一旦瞬时过电压出现，TVS立即将尖峰电压箝位到安全电压(箝位电压)UC，而让有害部分的能量不经过被保护电路，而是以电流形式通过TVS旁路掉。

4 设计实例

图3中，SPD采用MOV器件，SPD1位于LPZ2、UPS前，取 In=20 kA，SPD2位于 UPS后，取 In=5 kA，SPD损坏隔离取40 A断路器。

选用双向TVS抑制AC 220 V瞬态电涌电压，计算出以下参数:

URWM=1.4×220=308 V

UBR=URWM/0.85=308/0.85=362 V

UC=1.3UBR=1.3×362=470 V

PPPM=UCIp=470×20=1 000 W

注意的是，UBR与标准值的离散程度，取±5%。

5 结语

数据机房中，如果主市电发生故障，ATS能在较短的时间内自动切换到备用电路。UPS单机与市电STS切换输出供电系统，将双总线系统中的某路电源作为优选电源提供给用电设备，并实时地对两路交流电源的各项指标进行检测。MOV、TVS的参数选用要符合电涌过电压防护的要求，给数据机房设备提供稳定、不中断的供电。

［1］ GB 50174—2008 电子计算机机房设计规范［S］.

［2］ 李祥超.防雷工程设计与实践［M］.北京:气象出版社，2010.

［3］ GB 50343—2004 建筑物电子信息系统防雷技术规范［S］.

［4］ GB/T 18802.12—2006 低压配电系统的电涌保护器(SPD)选择和使用［S］.

［5］ 陈伟华.电磁兼容实用手册［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［6］ 郭德盛.特高压屏蔽测试大厅弱电抗干扰施工原理与工艺［J］.电子技术，2014，43(11):63-65.