本文依次從開關“斷零”導致的中性點偏移對設備安全運行的影響,等電位聯結對人員預期接觸電壓的影響以及雜散電流的危害幾個角度對數據中心UPS供電系統中開關極數與安全性的關系展開分析。

UPS作為數據中心供配電系統中關鍵的電能質量設備,為數據中心提供了的連續、可靠、安全的電力保障。雖然UPS已應用數十年,但其輸入、輸出配電柜中的主路輸入開關、旁路輸入開關、輸出開關和維修旁路開關是應該選用3極開關還是應該選用4極開關一直是行業內爭論的焦點,在相關標準、規范中至今仍沒有形成共識,成為困擾技術人員的重要問題。本文依次從開關“斷零”導致的中性點偏移對設備安全運行的影響,等電位聯結對人員預期接觸電壓的影響以及雜散電流的危害幾個角度對數據中心UPS供電系統中開關極數與安全性的關系展開分析。

一、“斷零”問題對開關極選擇的影響

UPS主要由整流器、電池充電器、逆變器構成的主路和由晶閘管構成的靜態旁路兩部分組成,如圖1所示。從圖中可以看出UPS的主路和靜態旁路共用中性線,中性線N從UPS的輸入端輸入為靜態旁路和主路的整流器、電池充電器、逆變器提供工作基準后經UPS的輸出端輸出。

在GB50174-2017《數據中心設計規范》第8.1.6條規定“數據中心低壓配電系統的接地型式宜采用TN系統。采用交流電源的電子信息設備,其配電系統應采用TN-S系統。”圖2為數據中心中UPS中性線聯結示意圖,負載設備中性線N、UPS中性線N通過配電系統連接到市電電源中性點N上,獲得中性線N的基準點(接地點)。

若UPS處于主路工作模式或是電池工作模式時發生“斷零”故障。因主路工作模式為在線雙變換模式UPS輸出的交流電是市電經過整流器整流為直流后經過逆變器逆變所產生,與市電輸入的交流電在電氣上可認為是“隔離”的。電池模式輸出交流為蓄電池中的直流電能經逆變器逆變轉換所產生,同樣與市電輸入的交流電在電氣上也可認為是“隔離”的。在接地方式上這兩種模式可認為是不依存于市電接地方式的“另起系統”。雖然UPS具有一定的帶三相不平衡負載的能力,可在這兩種模式下將相電壓限制在允許范圍之內,但因UPS的中性線N與電源中性點斷開后,UPS中性線N的基準點不再與市電的基準點一致,電流經逆變器逆變后的出線端成為“另起系統”的起點(origin),UPS供配電系統變成為IT系統,違背了GB50174-2017《數據中心設計規范》第8.1.6條規定。

當UPS工作于旁路工作模式發生“斷零”故障時,由于UPS輸出端通過靜態旁路與市電電源端直接相連,即UPS輸出與市電采用相同的接地方式,因靜態旁路無法像主路一樣隔離和限制各相電壓。“斷零”后UPS及后端的負載設備中性線N處于懸浮狀態,一旦三相負載不平衡將會使各負載設備的端電壓依據歐姆定律重新進行分配,即產生中性點偏移現象,如圖3所示。

圖中N點為UPS中性線N與電源的基準點(接地點)相連接的基準點,N‘點為UPS中性線N與電源的基準點(接地點)斷開后形成的新基準點。

此時,電阻大的負載設備所在相線獲得較高相電壓(如上圖BN‘),導致過壓發生損壞甚至燒毀。電阻小的負載設備所在相線獲得較低相電壓(如上圖CN‘),導致欠壓無法正常工作。

在UPS工作時會根據負載或自身的情況調整在主路工作模式和旁路工作模式之間相互切換。例如,當主路過載或整流器故障導致輸入開關跳閘時UPS將自動轉到旁路工作,在圖1所示的拓撲結構中,通常將中性線N放置在UPS的旁路輸入上,此時主路輸入開關可以使用3極開關。對于旁路由于其內部由電子元器件構成,在某些極端的情況下可能會發生內部短路問題,造成旁路輸入開關的“跳閘”,若此時旁路輸入開關使用4極開關,將會引起整個UPS供電系統的“斷零”,在開關動作一瞬間由于系統內磁性和儲能元件內殘存的電荷不會馬上消失,可能會產生瞬時過電壓損壞負載,因此不建議UPS的旁路輸入開關使用4極開關。

部分UPS主路和旁路均設有輸入中性線N,在UPS工作時為了實現主路和旁路的同步切換,在設計時將主路和旁路中性線N短接在一起。該設計使不同的接地系統在同一供電范圍內共存成為可能。UPS的主路工作模式下和在旁路工作模式下均以同一電位為參考,避免了不同中性導體系統中性線N之間電位差不同以及電磁兼容(EMC)帶來的問題。可參見GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》第444.4.6.1條、GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》第7.1.2條。在UPS旁路輸入的中性線N不設置開關時即旁路輸入采用3極開關的情況下,主路輸入再為中性線N設置4開關變得毫無意義,從經濟性的角度考慮不建議主路采用4極開關。

此外,當4極開關長期使用時由于構成觸頭接觸電阻中膜電阻的原因使中性線觸頭老化程度大于相觸頭老化程度,時常發生輸出開關中性線所在極不導電的問題,致使UPS供電系統發生“斷零”故障。

從上述分析可知UPS中性線N與電源的基準點(接地點)斷開,無論工作在主路模式還是工作在旁路模式都會導致很多問題。因此,UPS配電柜中的主路輸入開關、旁路輸入開關以及輸出開關均不應使用4極開關,以消除“斷零”隱患。

二、等電位聯結對開關極數的影響

下面分析當主路輸入開關、旁路輸入開關以及輸出開關使用3極開關時在發生三相不平衡的情況下,在進行維修操作時觸碰N線會不會發生觸電事故。

由于數據中心供電采用的TN-S系統,在變壓器處地線PE和中性線N連在一起并接地,PE線和N線在變壓器處等電位,即在圖中PE線和N線重合于N點,此時零地電壓即UNN'=0。如果三相負載嚴重不平衡,則會造成中性線上出現較大電流。由于電纜內阻的存在,導致配電系統中性點從“N”點偏移到“N’”點,|UNN'|>0即在中性線和地線產生零地電壓,如圖4所示。

在由UPS主路為負載進行供電時,YD/T1095-2018《通信用交流不間斷電源(UPS)》標準第4.3.10條規定:輸出電壓不平衡度應≤3%(即100%不平衡負載的情況下:輸入電壓與頻率為額定值,輸出任意一相位額定阻性負載,其余相空載,輸出電壓不平衡度應≤3%)。假設UPS輸出電壓不平衡度位3%,粗略計算零地電壓為:220V×3%=6.6V,此值遠小于人體受電擊時安全電壓限值50V。

當需要對UPS進行維修時,電流不再經過UPS整流逆變雙變換經由維修旁路對負載設備進行供電,此時UPS以無法對電壓不平衡度進行限制,不平衡度和零地電壓由負載和市電共同決定。由TN-S系統構成原理可知,在市電電源端地線PE和中性線N連在一起并接地,此時中性線N上的電壓仍然是由不平衡電流與在線路內阻引起,由于數據中心市電電源端(10?.4KV變壓器)至UPS之間供電路徑長度通常不會很長該數值仍不會很大。

下面對數據中心中是否可以不斷開中性線而對UPS進行維修更換進行分析,在進行維護更換工作時因輸入及輸出三相開關均斷開不需考慮其相線否帶電的問題,僅需考慮人員接觸中性線N時產生的預期接觸電壓,圖5為人接觸數據中心UPS供電系統中心線N線的預期接觸電壓示意圖。

根據GB50174-2017《數據中心設計規范》第8.4.4條:數據中心內所有設備的金屬外殼、各類金屬管道、金屬線槽、建筑物金屬結構必須進行等電位聯接并接地,圖中黑色虛線為等電位聯結。

根據《工業與民用供配電設計手冊》(第四版)第1455頁,式(15.2-1)中Z_s說明;GB50054-2011《低壓配電設計規范》第5.2.5條、第5.2.8條文及條文說明。

故障回路為:中性線——人體——PE線——電源,如圖紅線箭頭所示。

依據GB50054-2011《低壓配電設計規范》第2.0.1條、第2.0.21條預期接觸電壓Uf為故障電流If在接觸點A點和等電位聯結點MEB點所產生的壓降，即故障電流通過等電位聯結導體所產生的電壓。

根據GB50054-2011《低壓配電設計規范》第5.2.10條及公式5.1.10:在TN系統中,當配電箱或配電回路同時直接或間接給固定式、手持式或移動式電氣設備供電時,應采用下列措施之一:

1、應使配電箱至總等電位聯結點之間的一段保護導體的阻抗符合下式要求:

(1)

50——為人體受電擊時安全電壓限值50V

ZL——為配電箱至總等電位聯結點之間的一段保護導體的阻抗(Ω)

ZS——為接地故障回路的阻抗(Ω),包括:相導體、PE導體、電源內阻等

U0——相導體對地標稱電壓(V)

上式實際上是根據人體預期接觸安全限制電壓50V的要求,限制了等電位聯結導體的電阻。對公式(1)進行等效變換可表示為:

(2)

變換后的公式(2)右邊50V為人體受電擊時安全電壓限值,左邊則變為預期接觸電壓的計算公式,從式中可以看出預期接觸電壓的最大值為50V。當人接觸中性線N時,相導體對地標稱電壓U0變為中性線N對地的電壓UNN',預期接觸電壓為Uf可表示為:

(3)實際工程當中ZL和Zs可近似認為是固定值,從圖4可以看出零地電壓值UNN'數值小于相電壓值U0,因此可做如下推導:

(4)

從公式(4)可以看出預期接觸電壓值Uf小于人體安全限制電壓50V,該電壓不足以引起對人體有害的病理生理效應。故數據中心中UPS在斷開相線開關不斷開N線的情況下可以對UPS進行維修操作,即主路輸入開關、旁路輸入開關和輸出開關可以使用3極開關。

三、雜散電流對開關極數選擇的影響

前文討論了主路輸入開關、旁路輸入開關以及輸出開關應使用3極開關的問題,下面分析維修旁路開關是否應同樣使用3極開關的問題。

圖6是為由兩臺UPS并聯而成的數據中心不間斷電源供電系統系統。假設圖6中外部維修旁路使用3極開關即中性線N始終處于聯通狀態,此時維修旁路上中性線N和UPS-1中性線N、UPS-2中性線N形成并聯關系。從負載返回的中性線N的電流,將有一部分進入外部維修旁路。導致UPS-1或UPS-2在輸出端的三相電流和不再為零即:IL1+IL2+IL3+IN≠0,線芯中產生的電磁場無法互相抵消,回路周圍將產生電磁場。

這種工作電流通過不期望的路徑流通的電流稱為雜散電流(straycurrent)伴隨產生的磁場稱為雜散磁場。在GB/T16895.1-2008/IEC60364-1:2005《低壓電氣裝置第1部分:基本原則、一般特性評估和定義》標準第312.2.1.2指出:“對于一個具有多電源的TN系統,在設計不適當的情況下,一些工作電流就可能通過不期望的路徑流通。這些電流可能引起:火災、腐蝕和電磁干擾。”

雜散電流引起的問題可詳細描述為:

1)雜散電流可感應產生雜散電磁場,產生電磁干擾(EMI),使敏感電子設備不正常工作;例如使儀表裝置不正確顯示、繼電保護裝置誤動作、數字信號系統誤碼率增加、顯示系統屏幕閃爍等問題。

2)雜散電流可能因并聯傳導回路的接觸不良產生電火花引燃周邊易燃物造成火災。

3)雜散電流以大地為傳導路徑,因電化學腐蝕接地極、地下基礎鋼筋或金屬管道等金屬部分。

4)雜散電流還可能使剩余電流保護器誤動作,使電氣漏電火災報警系統火拒動或誤動、使RCD無法合閘。

在UPS供電系統中當UPS主機處于正常工作狀態時,因UPS在設計的時候考慮了電磁兼容性能,雜散電流對UPS主機的影響可能不會很大,一旦負載端出現短路尤其是單相短路,雜散電流就會很大產生較強的電磁干擾,影響UPS主機或周圍設備,故維修旁路開關應選用4極開關以切斷雜散電流的流通路徑、消除雜散磁場的干擾。

四、結論

綜合上述,在考慮設備安全和人員安全的角度前提下,從“斷零“導致的中性點偏移的角度分析,斷開中性線N會對負載設備造成不良影響,UPS主路輸入開關、旁路輸入開關和輸出開關不應使用4極開關;從數據中心接地及等電位的角度分析,不斷開中性線N對設備維護的預期接觸電壓值小于人體安全限制電壓50V,UPS主路輸入開關、旁路輸入開關和輸出開關可以使用3極開關;從雜散電流的角度對雜散電流和雜散磁場的分析,維修旁路在UPS正常工作時不斷開中性線N會對UPS和周圍設備造成影響,維修旁路開關應使用4極開關。

根據以上分析得出UPS主路輸入開關、旁路輸入開關、輸出開關和維修旁路開關推薦使用極數如下表所示:

作者：曾顯達 王軍 王星

審核編輯：湯梓紅