工业UPS 并机系统输出隔离变压器接地探究

薛磊

(陕西延长中煤榆林能源化工股份有限公司，陕西 榆林 718500)

0 引言

UPS 即“不间断电源”，也是指“交流不间断电源”，它的主要功能是向负载提供不间断交流电源。正常情况下，UPS 从市电输入交流电源后，经过整流模块的转换为直流电源，可以为电池充电，再经过逆变模块转换为交流电源，为负载提供可靠的交流电源。当市电故障时，UPS 从蓄电池放电，经逆变模块变换后，继续向负载提供不间断交流电源。当电池电源放完后，市电电源继续停电时UPS 将停止工作。UPS 设备自身故障或负载过压、过载时，负载由静态转换开关切换至旁路电源供电。这样就增加了UPS 供电的可靠性，有效抑制电源的各种干扰。

为实现UPS 的功能，UPS 内部必须具有主路和旁路切换，系统结构采用并联冗余方式。并且有适当的接地系统，正确选择接地系统可以保证UPS 的可靠运行，满足负载的供电要求，确保人身和设备安全，同时可以有效故障保护动作。

UPS 接地是一个非常复杂的问题，不适当接地会引起供电的问题，严重时会造成系统瘫痪。其中与接地系统有直接关系最常见的问题之一是UPS 输出中性线对地的电压过高，直接影响UPS 电源的稳定运行。UPS 接地是非常重要的，必须要妥善解决。

1 目前“1+1”UPS 的设计方案

对工业“1+1”UPS 设计，目前主要有两套UPS输出直接并联冗余系统设计和两套UPS 输出经STS快速切换系统设计。

1.1 UPS 输出直接并联冗余系统设计方案

UPS 输出直接并联冗余系统设计方案，该设计的优点：一次性投资小，且应用广泛；缺点：两套UPS 运行时相互制约，对并机系统控制要求极高，只要并机系统控制稍有问题，两套UPS 直接切除，并同时切换至旁路，UPS 的可靠性降低，易发生装置停车事故，且该方案设计对UPS 接地系统要求极高。设计方案如图1 所示。

1.2 UPS 输出经STS 快速切换系统设计方案

UPS 输出经STS 快速切换系统设计方案，该设计的优点：两套UPS 运行相互独立，运行方式较为灵活，系统可靠性高，且单套UPS 故障后，不影响另外一台UPS 的运行；缺点：一次性投资较大。该设计对系统的接地要求不高，且容易施工。设计方案如图2所示。

2 目前配电接地系统及对电网的影响

低压配电系统接地有IT 系统、TT 系统、TN 系统3 种方式，目前工业、化工主要的接地系统还是TN系统[2]。

2.1 IT 系统

IT 系统主要用于环境条件差、易发生短路事故或火灾爆炸的危险场所。但在零线上不能装断零保护，也不能设置零线重复接地，不然容易形成不同电位的接地点之间的环流，造成运行中的零线温度升高。

IT 系统配电无中性线，当系统发生接地故障时，故障相对地电流为非故障相对地的电容电流，其值较小，不需要立即切断故障回路，保证供电的连续性。IT供电系统在供电距离不是很长时，供电的可靠性高、安全性好。但是在供电距离很长时，供电线路对大地的分布电容很大，在负载发生短路故障或漏电时设备外壳带电，容易造成触电事故。

2.2 TT 系统

TT 系统中有较大量单相220 V 用电设备，如果相线和零线任意一线断裂，就会引起零线的电位升高，电气设备的外壳不能直接接零线，进而要采用TT 系统。当电源侧和负荷侧均装设漏电装置，且负荷侧装设断零保护，才能成为完整的供电系统。

2.3 TN 系统

TN 系统又有3 种接线方式：TN-C 系统、TN-S系统、TN-C-S 系统。TN 系统设计时应注意以下方面：

(1) TN-C、TN-S、TN-C-S 系统在正常运行时，TN-C 系统外壳电位等于工作零线电位，TN-S 系统外壳电位为零，TN-C-S 系统外壳电位不为零，等于工作零干线上的电位。

(2) TN-C 系统断零后三相负荷不对称，零位偏移，单相设备电压升高，可能会造成设备烧毁，且用电设备外壳接零带电，无零线后漏电保护无法起到保护作用。TN-S 系统三相回路零线断开后会烧毁设备，但外壳不带电。

(3) TN-C 系统应将零线重复接地，无论发生单相接地或零线断开情况，均能降低零线和电气设备外壳电位，但不能消除触电的危险。TN-C-S 系统中的PEN线应重复接地，N 线不宜重复接地。

综上所述的配电系统中，应推荐使用TN-S 系统，造成触电的风险性较小。

3 针对配电接地方案设计并联冗余UPS 接地系统方案

对于工业机UPS 供电系统而言，由于用户的供电电网的负载类型的多样性(例电动机的频繁启停和加载/ 减载操作等)，距10 kV/0.4 kV 主变压器的距离的远近的差异性以及市电供配系统中的线缆路由的差异性和变化性等诸多因素的不同。

根据用户的不同应用场合，采取不同的设计方案。

3.1 TN-S 接地系统设计方案

对UPS 供电系统距主变压器的距离较近，且位于同一供电配电柜中的用电设备不会产生强烈的电磁干扰和电流“冲击”的场合。

建议：采用如图3 所示的TN-S 设计方案。该方案主要用于配电室内电气设备结构简单，供电负荷较为普通，非线性负载少的供电系统。供电系统产生的谐波较少，且设备启动过程中对配电网影响较小的配电中心，例如：小型配电室、办公楼层供电、区域内供电等。

图3 采用TN-S 设计方案的工业型“1+1”UPS 供电系统的接地系统

3.2 局部净化型设计方案

对UPS 供电系统距主变压器的距离较远，且位于同一供电配电柜中的用电设备、易产生强烈电磁干扰和电流“冲击”的场合。

建议：如图4 所示的采用局部净化型TN-S 设计方案的工业机型UPS 供电系统的接地系统。其优点是：不仅可以确保由UPS 供电系统所供电的各种用电设备的安全运行，而且还可避免因采用传统TN-C-S 接地设计方案所带来的PEN 线过长以及位于380 V/220 V隔离变压器之前的各种用电设备和UPS 供电系统所面临的干扰和安全供电的故障隐患。

该方案主要用于供电中心和负荷中心局部分离，适合远距离的供电中心。供电系统的电磁干扰和谐波对负荷中心没有影响，且彼此间系统独立，电源系统中的设备启动和非线性负载的启动对负荷中心的稳定运行不受影响。因此，该系统更适合化工设备的频繁启动、大型的调度中心、钢铁行业等。

3.3 TN-C 接地系统设计方案

对UPS 供电系统距主变压器的距离较远，且位于同一供电配电柜中的用电设备、易产生强烈电磁干扰和电流“冲击”的场合，可以采用TN-C 接地系统方案。

建议：如图5 所示，将380 V/220 V 隔离变压器的N 线同供电系统中的原PE 线直接相连，从而将整套UPS 实际置于TN-C 接地系统的供电状态。由此所带来的负面影响是：干扰问题变得相当严峻，在某些异常工况下，甚至还会产生严重的安全问题。

图5 设计错误的TN-C 的工业型“1+1”UPS 供电系统的接地系统

该方案主要用于供电中心和负荷中心分离，且供电距离较长的负荷中心。由于供电距离较长因此PEN线较长，且接地点距离负荷中心较远，因此电源系统产生的电磁干扰和电流“冲击”的场合，容易影响负荷中心的稳定运行，带来的干扰问题相当严峻，在一些异常工况下，设备外壳可能带电，造成设备和人身安全。该方案更适合不便于接地施工的远距离配电中心、局部改造的配电中心、运行相对稳定没有干扰的负荷中心。

4 并联冗余UPS 接地系统方案建议

UPS 接地问题和选择将会影响负荷中心的稳定运行，UPS 的负荷全部为一级负荷，因此UPS 接地的正确选择将会是后期运行的关键。大型化工企业在选择UPS 接地方案要慎之又慎，尤其是“1+1”并联的UPS 设计方案，局部的干扰将直接导致UPS 逆变器无输出，且两台设备同时受到干扰，直接导致下级负荷停电、装置停车，严重影响化工企业的连续运行。

综上，大型化工企业、重要的数据负荷中心和大型信息中心，建议选用局部净化型TN-S 设计方案的工业型“1+1”UPS 供电系统的接地系统，确保负荷中心运行的稳定性。

5 结语

针对并联冗余不间断电源系统的不同结构，对UPS 接地问题进行了分析，并总结了出适合工程应用的接地方案。UPS 接地系统存在许多问题，需要制定可行的接地方案来解决该问题。UPS 接地系统关乎整个控制系统的安全运行，尤其特别重要的负荷更要选择合适的接地系统。UPS 输出配电电路设计成独立电源系统，以产生接地良好的中性线，从而可以为关键负载提供可靠的供电质量，使中性线对地电压降到最低。且接地系统局部净化设计，将系统的干扰和电流“冲击”的场合影响降到最低，最大程度地保证负荷运行的稳定性。