民用建筑中UPS设计剖析

陈 游， 张 青

(中国建筑设计研究院有限公司，北京 100044)

0 引言

UPS(Uninterruptible Power System)是由变流器、开关和储能装置组合构成的，在输入电源发生故障时维持负载电力连续性的设备。在民用建筑电气设计中，消防报警系统、安防系统设备通常需要使用UPS作为自备应急电源。目前，国家规范、行业标准都对UPS的设置要求做了相关规定。但由于UPS在工程项目中，一般属于用量较少的电气设备，常常受到设计师的忽视，易造成遗漏或偏差。因此，本文依据规范中的相关规定及UPS设备特性进行归纳总结，同时对UPS输入设计和接地做法进行了分析，供设计师参考。

1 UPS设置场所

UPS作为应急电源，应根据用电需求进行配备，相关规范规定如下。

JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》(以下简称“《民规》”)中6.3.2条规定：符合下列情况之一时，应设置UPS装置：1 当用电负荷不允许中断供电时；2 允许中断供电时间为毫秒级的重要场所的应急备用电源。此条从电源性质上对UPS设置提出要求，属于原理性的规范。GB 50116-2013《火灾自动报警系统设计规范》(以下简称“《火规》”)中10.1.1条规定：火灾自动报警系统应设置交流电源和蓄电池备用电源。此条规定了火灾自动报警系统应采用蓄电池作为备用电源，且为强制性条文。因此，火灾自动报警系统应设置不间断电源(UPS)装置。

GB 50348-2004《安全防范工程技术规范》(以下简称“《安规》”)中3.12.3条规定：系统监控中心和系统重要设备应配备相应的备用电源装置。此条提出了安防系统应配备备用电源，但未要求使用UPS。在公安部发布的GA/T 367-2001《视频安防监控系统技术要求》中4.5.4条也提到：备用电源可以是下列之一或其组合：二次电池及充电器；UPS电源；备用发电机。

由上可知，当用电设备不允许中断供电或者允许中断供电时间为毫秒级时需使用UPS做应急备用电源。对于民用建筑中常见的电气设备，火灾自动报警系统必须采用UPS供电；安防系统设备应配备备用电源，可选用UPS或备用发电机。

2 UPS容量选取

UPS容量是指UPS的带载能力。UPS容量的确定是UPS选型的首要问题。容量过大会导致UPS长期处于重载运行状态，输出波形发生畸变，造成UPS逆变器的驱动元件损坏。容量过小、过度轻载运行，会使UPS的输入功率因数和整机效率降低，增加UPS自身的损耗。故在确定UPS容量时，应根据负荷容量选择，并适当留有裕量。规范对UPS容量选取的相关规定如下。

《民规》中6.3.3条规定：对电子计算机供电时，UPS装置的额定输出功率应大于计算机各设备额定功率总和的1.2倍，对其他用电设备供电时，其额定输出功率应为最大计算负荷的1.3倍。《火规》中10.1.5条规定：消防设备应急电源输出功率应大于火灾自动报警及联动控制系统全负荷功率的120%。《安规》中3.12.4条规定：主电源和备用电源应有足够容量。应根据入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统等的不同供电消耗，按总系统额定功率的1.5倍设置主电源容量。3.12.3条规定：系统前端设备视工程实际情况，可由监控中心集中供电，也可本地供电。

因此，对于消防报警系统负荷，应按全系统额定功率的1.2倍配备UPS容量，对于安防负荷，应按入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统总容量的1.5倍配备UPS容量。根据工程情况，UPS容量的选取可考虑前端设备，也可不考虑前端设备。

3 蓄电池容量选取

蓄电池作为UPS的储能结构，决定了不间断电源UPS装置的储能/放电时间。规范对于蓄电池容量规定如下。

《火规》中10.1.5条规定：蓄电池组的容量应保证火灾自动报警及联动控制系统在火灾状态同时工作负荷条件下连续工作3h以上。GA/T 367-2001《视频安防监控系统技术要求》中4.5.4条规定：备用电源，其容量应至少能保证系统正常工作时间不小于1h。《安规》中3.12.4条规定：应根据管理工作对主电源断电后系统防范功能的要求，选择配置持续工作时间负荷管理要求的备用电源。

由上可知，对于消防报警系统负荷，蓄电池容量应保证持续工作时间>3h；对于安防负荷，蓄电池容量应保证持续工作时间>1h，可根据管理工作要求相应延长。

4 UPS输入设计

UPS的主要构成为：整流器、逆变器、蓄电池、旁路开关，如图1所示。整流器把市电或油机的交流电能转换为直流电能，为逆变器和蓄电池提供能量。逆变器把市电经整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能。蓄电池为UPS 提供一定后备时间的电能输出。在市电正常时，由充电器为其提供电能并转换为化学能；在市电中断时，其将化学能再转换为电能，为逆变器提供能量。为提高UPS 系统工作的可靠性，设置旁路开关，能承受负载的瞬时过载或短路电流。当遇到UPS已接市电但未开机、开机时UPS缓启过程中、负载超载、逆变器故障、关机时UPS停机过程中、UPS过温保护等情况，UPS均会自动转到旁路供电。

UPS有两个电源输入，主路电源和旁路电源。但在UPS的产品制造标准GB 7260.3-2016《不间断电源设备》附录A中规定，主路和旁路的电源输入端子也可连接在一起。与两种构成相对应，市面上主流UPS产品也有单电源输入与双电源输入之分。

前面所提几本规范对于单电源输入与双电源输入没有作出规定，但在GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》中6.1.2条明确规定：交流不间断电源(UPS)供电系统的主路输入(整流器输入)和静态旁路的输入，应分别引自不同的输入开关。双电源输入的优势在于，若主路输入线路或开关故障，旁路输入能正常工作。因此，在设计中，宜为UPS预留两路独立的输入。

另外，《民规》中6.3.6条和6.2.5条规定，UPS宜采用两路电源供电。此两路电源指UPS的主路或旁路输入均应由两段独立的变压器母线经ATS互投而来，和前面所述的双电源输入为两个概念，不应混淆，UPS输入接线方式如图2所示。

UPS内部含有主路输入开关Q1，旁路输入开关Q2、Q3(Q2为静态旁路开关，Q3为维修旁路开关)和输出开关Q4，而Q5、Q6为UPS外部的对UPS进行配电的配电箱中的配出开关，设计中应注意Q5、

图2 UPS输入接线方式

Q6与Q1、Q2、Q3的匹配。表1为某主流品牌UPS开关配置要求。

UPS配置开关要求 表1

5 UPS接地设计

UPS所带负载多为服务器等IT设备，由于服务器负荷率不同，造成UPS三相负荷很难平衡，从而在N线中存有不平衡电流，导致中性点偏移，即中性线与PE线之间存在电位差。然而，服务器等IT设备对中性线与PE线之间的电位差即零地电压限值是1～2V，那么UPS中性线接地应如何设置，以解决中性点偏移和零地电压的问题，且见下文分析。

根据整流方式的不同，UPS分为工频机和高频机。工频机由可控硅SCR整流，因其工作频率均为工频50Hz，故称为工频UPS。高频机由IGBT整流，可通过加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断，开关频率通常在几kHz到上百kHz，故称为高频UPS。SCR整流属于降压整流，要输出220V/380V电压，就必须增加升压隔离变压器。IGBT整流通过高频直流斩波进行升压，可不带升压变压器。根据是否带变压器进行系统隔离，UPS接地存在两种不同的做法。

工频UPS接地图如图3所示。变压器之后的负载输出可认为是与原电源装置独立的电气系统，即“另起的系统”，该系统可有独立于原系统的中性点。因此，为限制零地电压，应将UPS输出端N线做重复接地，在变压器之后形成新的TN-S系统。图3中，输出端N线取自隔离变压器次级Y 形绕组的中性点，可从通信机房的交流工作接地排上单独引线至该输出点。

图3 工频UPS接地图

高频UPS接地图如图4所示。因为高频UPS不带输出变压器，高频UPS负载所需要的N线和PE线都从前端进线引来。根据GB 16895.3-2017《建筑物电气装置 第5-54部分 电气设备的选择和安装 接地装置和保护导体》中543.4.3条规定：如果从装置的任一点起，中性导体、中间导体、线导体和保护功能导体分别采用单独的导体，则不允许将该中性导体、中间导体、线导体再连接到装置的任何其他的接地部分。也就是说，N线和PE线从前端分开后，在整个系统中必须分开，因此N线不允许做重复接地。应尽量平衡三相负荷，以解决中性点偏移问题。

图4 高频UPS接地图

6 结束语