對UPS漏電保護的研究設計

我們研制的供電系統(tǒng)中，既要求具有漏電保護的功能，又要求電源具有不間斷的能力。所以，我們在每個供電系統(tǒng)中采用了一臺3kVA高頻在線式不間斷電源和一臺30mA的定時漏電保護斷路器。在一個供電系統(tǒng)調(diào)試過程中，多次出現(xiàn)過下述現(xiàn)象：市電正常時，高頻在線式不間斷電源空載啟動，當輸出繼電器動作，切斷旁路，接通逆變電路時，市電斷路器的漏電保護動作，從而切斷了市電。似乎驗證了目前的一種說法；UPS的前端不能加裝帶有漏電保護的斷路器。為此，對其進行了探討。

對UPS的一種漏電保護誤動進行了探討。其中包括對電源濾波器、漏電保護以及它們一起使用時過渡過程的探討。最后提出了相應的解決方法。

l UPS正常開機工作

??? 市電正常時，高頻在線式不間斷電源空載啟動，當UPS接到開機命令后，開機電路開始工作。主電路首先通過旁路輸出。當CPU檢測到逆變器工作正常后，發(fā)出控制信號，驅(qū)動輸出繼電器動作，切斷旁路，接通逆變電路，完成UPS的開機過程。在我們研制的8個供電系統(tǒng)中，有7個供電系統(tǒng)的UPS開機工作一直正常。

2 UPS的漏電保護動作現(xiàn)象
??? 在我們研制的供電系統(tǒng)中，出現(xiàn)過引言中所述的現(xiàn)象，因此，無法利用市電供電。應該說明的是，這種UPS的漏電保護動作的現(xiàn)象并非在每次UPS啟動時都出現(xiàn)。在8個供電系統(tǒng)中，只在一個系統(tǒng)中多次出現(xiàn)過。

3 UPS的漏電保護誤動作原因分析
3.l 不間斷電源輸出部分電路圖
??? 對上述現(xiàn)象，最初我們以為UPS的主電路板和控制板有問題，在更換新的主電路板和控制板后，現(xiàn)象依舊。后來分別更換了新的充電板和輸入濾波板，仍然不能排除。最后，懷疑輸出電源濾波器有問題。干脆拆掉輸出電源濾波器，uPs就可以正常啟動了。說明問題可能與輸出電源濾波器有大。
??? 該UPS輸出部分的電路圖如圖l所示．UPS的市電輸入、斷路器、漏電保護以及UPS的大部分沒有畫出。

3.2原因分析
3.2.1電源濾波器
??? 該UPS設置輸出電源濾波器的目的主要是要濾掉電源輸出中的高頻干擾，同時降低電源波形的止弦失真度。電源線中的干擾分為兩種：

??? ——共模干擾，即在火線與地線間、中線與地線間存在的干擾，共模干擾在火線與中線中同時存在，大小相等，相位相同；
??? ——差模干擾，即在火線與中線問存在的干擾，差模干擾在火線與中線中同時存在，大小相等，相位相反。
??? 由于電源線中往往同時存在上述兩種干擾，因此，一般電源濾波器由共模濾波電路(L1、L2和Cy)和差模濾波電路(L1和L2的差值與Cx)綜合構(gòu)成。其中L1和L2為繞在同一磁環(huán)上的兩個匝數(shù)相同、繞向相同的獨立線圈，當電源頻率分量經(jīng)過時，由于磁通抵消，電感很小，易于通過。當共模頻率分量經(jīng)過時，由于磁通相加，電感很大，不易通過而被抑制。
??? 共模電感L1和L2一般在零點幾至幾十mH．共模電容Cy一般要在漏電流較小的前提下，取較大值。差模電感一般在幾十至幾百μH，差模電容Cx要選擇耐電壓足夠的陶瓷或聚酯電容器。市場上賣的電源濾波器一般是對共模干擾設計的，如果要對差模干擾起作用，應該另外增加兩個獨立的差模抑制電感。共模電感的磁性材料以金屬磁性材料(1J8510.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果較好。差模電感的磁性材料以金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火的磁性材料(國產(chǎn)ZW-1)效果較好，而不用開口鐵氧體材料。
??? 該UPS設置的20A電源濾波器的參數(shù)為：L1=0.7mH,Cx=0.47μF,Cy=4.7nF。
3.2.2漏電保護器
??? 該供電系統(tǒng)設置漏電保護囂的主要目的是要保護人身和設備的安全。因為，當系統(tǒng)中的電氣設備絕緣性能下降時，不僅電氣設備存在隱患，而且威脅到工作人員的安全。
3.2.2.l 漏電流
??? 1)穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)漏電流是指在250V交流電壓條件下，濾波器能安全工作所規(guī)定的最大漏電流。它由兩部分組成，即電容電流Lc，絕緣電阻泄漏電流IL。
??? Ic=2πfUCy???? （1）
式中：f為電源頻率；
????? U為加在電容上的電壓；
????? Cy為共模電容量。
??? 由式(1)可知，電容電流與電源頻率、加在電容上的電壓和共模電容量成正比。
??? IL=U/R1?????? （2）
式中：RL為泄漏電阻，它包括電容內(nèi)的體電阻和電容外的絕緣泄漏電阻。
??? 2)非穩(wěn)態(tài)或動態(tài)漏電流是當輸出繼電器動作，接通逆變電路時，在等效電阻r、電感L和電容C串聯(lián)電路接通正弦電源的過渡過程中產(chǎn)生的電流。在這種過渡過程中可能產(chǎn)生較大的振蕩衰減的漏電流。其中，L=L1,C=Cy。其簡化電路如圖2所示。

式中：Um為電源電壓的峰值；
ω為電源電壓的角頻率；
Ψ為電路接通時電源電壓的初相角。
該電路的電流強制分量為

??? 當電路中的電阻較小時，即，電路產(chǎn)生振蕩，電容器上的電壓和電流分別為

???

??? 忽略電阻的影響，將電路參數(shù)L=0.7 mH，C=4.7 nF代入上述公式中，由于電路自由振蕩角頻率遠遠高于電源角頻率314rad／s，所以電路產(chǎn)生振蕩。當Ψ=φ時，電路中產(chǎn)生的最大過電流有效值高達570mA以上。這可能引起30mA的大于O.ls的定時漏電保護器動作。實際上，電路接通時正弦電源電壓的初相角Ψ為隨機量．大部分并不等于電路交流阻抗的相位角φ，所產(chǎn)生的過電流不一定超過30 mA；另外，電路中存在電阻，使電路中產(chǎn)生的過電流峰值降低和衰減，所產(chǎn)生的過電流也不一定超過30mA，電路中產(chǎn)生過電流的時間不一定超過0.1s。
??? 實際情況是，在我們研制的8個供電系統(tǒng)中，只在一個系統(tǒng)中多次出現(xiàn)過UPS空載啟動時，市電斷路器的漏電保護動作，切斷了市電的現(xiàn)象，但是，也不是每次UPS空載啟動時都出現(xiàn)市電斷路器漏電保護動作的現(xiàn)象。
??? 我們對上述電路接通正弦電源時，漏電流的過渡過程進行了上百次測試，測試時利用霍爾電流傳感器測量漏電流，測試電壓與漏電流的轉(zhuǎn)換比例為100mA／lV。典型測試圖見圖3～圖6。

??? 由圖3測量到，漏電流最高峰值為106mA，漏電流衰減時間為幾百μS。

??? 由圖4測量到。漏電流最高峰值為298mA，漏電流衰減時間為幾百μS，漏電流第一個振蕩脈寬為4μS。

??? 由圖5測量到，漏電流最高峰值為152mA，漏電流衰減時間為幾百μS。

由圖6測量到，漏電流最高峰值為408mA，漏電流衰減時間為幾百μS。

??? 從上述測試中可以看到．由于電路接通時正弦電源電壓的仞相角Ψ為隨機量，大部分并不等于電路交流阻抗的相位角φ，所以電路中產(chǎn)生的過電流峰值大小不是崮定值，但是一般都超過30mA；由于電路中存在電阻，致使電路中產(chǎn)生的過電流峰值衰減很陜，一般漏電流衰減時間為幾百μS。
??? 3)上述電路切斷正弦電源與接通正弦電源相比較可能具有更大的危害性，即當在電路中的電感電流最大時刻切斷正弦電源，電感中的能量將會轉(zhuǎn)移到電容器中，從而導致電容器的電壓升高。這不僅會引起電容電流的增大，而且會影響電容器的安全運行和降低火線對地線的絕緣性能。因此，對這種工作狀態(tài)也應當給予相應的關注。
3.2.2.2漏電保護
??? 電流對人體的傷害程度與通過人體電流的大小、持續(xù)時間、電流通過人體的途徑、電流的種類和人體的狀況等多種因素有關。
??? 工頻電流對人體的作用見表l。一般取工頻電流對人體的作用安全值為30mA·s。而高頻電流對人體的傷害程度比工頻電流要小。

??? 漏電保護器的動作電流分為很多種，從30 mA到20A不等。
??? 漏電保護器的動作時間有兩種，一種為定時動作，一般小于0.ls。定時漏電保護器的框圖見圖7。其中，檢測電路分為漏電流檢測和漏電壓檢測，比較電路為檢測信號與給定信號相比較的電路，輸出電路為漏電保護器控制斷路器分斷的電路。

??? 另一種為具有反時限電路的漏電保護器，其框圖見圖8。反時限電路足動作時間和動作電流類似電容器對電阻放電的指數(shù)曲線的電路，即動作電流越大，動作時間越快；動作電流越小，動作時間越慢。

??? 為防止人身觸電，漏電保護器的動作時間和動作電流選擇原則是，動作時間和動作電流的乘積為30mA·s。
??? 定時和反時限漏電保護器的特性見圖9。其中ABC直線為O.ls定時漏電保護器的特性，B點動作時間和動作電流的乘積為30mA·s，正好符合要求。而A點動作時間和動作電流的乘積為3mA·s．余量過大。C點動作時間和動作電流的乘積為300mA·s，很不安全。可見選擇定時漏電保護器不太合理。DBE曲線為反時限漏電保護器的特性，全部曲線卜的點都接近30mA·s，可見選擇反時限漏電保護器比較合理。

3.3解決措施
??? 通過上述UPS的漏電分析，為了解決可能出現(xiàn)的這類漏電保護誤動，可以考慮下述措施。
3.3.1提高泄漏電阻
??? 從式(2)中可以看出．提高電容器的泄漏電阻可以降低電容器的泄漏電流。這可以從選擇電容器本身和加強電容外部的絕緣兩方面入手。
3.3.2設置旁路開關
??? 設置旁路開關與漏電保護器并聯(lián)。在啟動UPS的過渡過程中，旁路開關閉合漏電保護器，以避開啟動UPS時電路中產(chǎn)生的過電流引起漏電保護誤動作。在啟動UPS完成后，打開旁路開關，使漏電保護器起到正常漏電保護的作用。
3.3.3設置阻尼限流
??? 設置阻尼限流電阻與開關并聯(lián)環(huán)節(jié)。在啟動UPS的過渡過程中，斷開并聯(lián)開關，串入阻尼限流電阻，以降低啟動UPS時電路中產(chǎn)生的過電流，從而避免漏電保護誤動作。在啟動UPS完成后，閉合與阻尼限流電阻并聯(lián)的開關，使電路轉(zhuǎn)入正常運行，漏電保護器可以起到漏電保護的作用。
3.3.4采用直流啟動
??? 由于該公司生產(chǎn)的3kVA高頻在線式UPS具有直流啟動功能，所以可以進行下述操作：斷開交流輸入開關和負載，采用直流啟動UPS，待UPS工作正常后，再閉合交流輸入開關，而轉(zhuǎn)入交流供電運行。這樣可以避免電路接通正弦電源時可能產(chǎn)生的峰值較高的振蕩衰減的漏電流引起漏電保護誤動作。
3.3.5設置頻率區(qū)分環(huán)節(jié)
??? 由于電路自由振蕩角頻率ω’遠遠高于工頻電源角頻率，所以，可以設置頻率區(qū)分環(huán)節(jié)，區(qū)分開電路自由振蕩分量和工頻分量，以避免較高頻率的漏電流引起漏電保護誤動作。例如，頻率區(qū)分環(huán)節(jié)可以為低通濾波器，只允許頻率較低的工頻分量通過，而不允許頻率較高的自由振蕩分量通過。

4 結(jié)語
??? 分析UPS漏電保護的誤動現(xiàn)象，應當從整個供電系統(tǒng)的全局出發(fā)，充分認識組成系統(tǒng)的各個單元的性能和參數(shù)，以及它們之間配合的合理性。另外，還應當從整個供電系統(tǒng)的啟動、運行和關閉的全過程出發(fā)，充分認識不同過程中可能出現(xiàn)的問題。
??? 本文對上述UPS漏電保護的誤動現(xiàn)象，通過比較詳細的分析和實驗檢測，探討了引起市電斷路器漏電保護誤動作的原因。著重從電路的組成和參數(shù)、UPS啟動的工作過程來分析了漏電流產(chǎn)牛的原因。從而提出了增強電容器的內(nèi)、外絕緣泄漏電阻的必要性和檢查漏電保護器的動作時間和動作電流的選擇足否合理的問題。
??? 對UPS漏電保護的誤動現(xiàn)象，不管足由于穩(wěn)態(tài)漏電流．還是由于在UPS啟動時，電源濾波器的電阻、電感和電容串聯(lián)電路接通正弦電源的過渡過程中產(chǎn)生的較大的振蕩衰減漏電流，引起的30mA的定時漏電保護器動作，采取本文推薦的相應解決措施，有可能排除這種漏電保護誤動現(xiàn)象。而不應當一概否定漏電保護器和電源濾波器的聯(lián)合使用。
??? 對在UPS啟動時，電源濾波器的電阻、電感和電容串聯(lián)電路切斷正弦電源的過渡過程也應當給予相應的關注