配合应用分析 UPS与ATS

目前UPS与ATS配合应用的方案(或者说是UPS接入两路输入电源的方案)主要包括三大类:

一、不采用外置的ATS

两路电源一路接UPS的主输入,另一路接UPS的旁路输入,这种方案在市场上的应用还比较多,但有逐渐减少的趋势。它的本质是将UPS内部的静态开关作为外部的ATS使用,优点是节省了ATS成本,但缺点也非常明显。若主输入电源中断时,UPS就只能转电池工作,此时即便另一路电源正常也不能使用,只有当电池放完或者异常时才能转到另一路电源供电,但此时是走的UPS旁路,没有经过UPS的整流和逆变处理,若输入电源异常可能会导致负载不能正常工作甚至中断。若旁路输入电源中断,UPS将工作在没有旁路的告警状态下,一旦UPS自身出现异常可能会直接导致负载中断。同时,还必须考虑两路电源的零线处理问题,处理不好可能会导致UPS或负载莫名其妙地出现告警或故障。总之这种方案没有充分发挥两路电源的效用,并且改变了UPS设备自身的设计初衷,不建议使用。

两路电源分别进入UPS双总线供电系统的一条总线,彼此没有关联。这种方案虽然不存在零线处理和改变UPS设计初衷的问题,但也仅限于应用在后端没有通过STS(StaticTransferSwitch静态转换开关)供电的单电源设备状况下,并且当任一路输入电源中断时,系统都将运行于单总线供电状态,使系统工作可靠性大受影响,除非电池配置的足够多。

在UPS与ATS配合应用的方案中,其实还存在一个问题,那就是ATS型号的选用,主要是指3极ATS和4极ATS的选用问题。具体来分4极ATS的转换又包括三种:

零线与相线同时断开和同时导通型;

零线比相线后断开,比相线先导通型;

零线先通后断,始终不中断型。

对于3极ATS来说,零线始终是接牢的,不会断开,选用这类ATS只要处理好两路电源的零线连接问题即可,不能强制短接,也不能形成不规范的多点接地。

二、对ATS类型选用的建议

IEC62040-1-2和GB7260.4中有明确说明:UPS的输出中性线依赖于输入电源或供电系统的中性线时,如果电源的外部隔离/转换等会引起危险,则安装说明书中应给出足够信息,防止该中性线缺失[3]。

CEMEP(欧洲电机和电力电子制造商委员会)European UPS Guide也明确提出:许多UPS系统采用输入电源的中性线作为UPS输出中性线的基准,当对UPS上游电源采用多电源隔离或转换时,应特别注意要确保输入电源中性线基准在UPS运行期间不会断开[4]。

由上述两条可知,UPS输出零线依赖于输入电源或供电系统的零线是有标准依据的,并且市面上常用的UPS也都是这样设计的。同时这类UPS对其上游所选用的ATS的要求也是非常明确,那就是零线不能中断!能满足这种要求的ATS类型只有两种:3极ATS和零线先通后断、始终不会中断的4极ATS。

对于少数3P3W+PE不需要接零线的UPS来说,选用3极ATS自然也可以满足。

UPS与ATS配合应用的建议方案

由前面的UPS与ATS配合应用的方案及分析可知,在UPS与ATS配合应用的方案上,单机或并机系统适合采用单一ATS方案。该方案结构简单,成本较低,配置和维护比较方便,可靠性也能满足要求,万一ATS故障可以人为打到旁路或者让UPS运行于电池状态下进行维护。

对于双总线或者更复杂的UPS供电系统建议采用ATS组合方案。因为复杂的供电系统预示着更高的工作可靠性要求和更多的成本投入,增加一台ATS能够消除系统单点故障点从而提升整个系统的可靠性是非常值得的!(注意:ATS是不能直接并联的,否则切换不同步时会导致两路电源直接短路!)

针对上述两种方案的ATS选型,一定要选择3极ATS或者零线先通后断的4极ATS。这两种ATS的零线都是可以直接相连接的,一个是始终连在一起,一个是用到时连在一起,但是在连接之前一定要创造可连接的条件,连接时不能有零线环流产生。具体方法可以有两种。

第一种方法是净化零线系统。主要从下面几个方面入手。

保证上游变压器到ATS端的两条零线都是给UPS系统专用的,没有另外接不平衡负载或者易产生3次谐波的设备;变压器到ATS的两条零线线径够粗,接地电阻足够小;ATS后面的零线不做重复接地。

保证了这几点在ATS端测量到两路电源的零地电压通常会接近于零,尤其是ATS离上游两台变压器比较近的情况下,这样在ATS前端的两条零线可以随时连接到一起。这种方法既适用于3极ATS也适用于零线先通后断的4极ATS。

第二种方法是加装隔离变压器。

如果第一种方法无法满足,就需要加装离变压器来实现。对于3极ATS来说,可以在靠近ATS端给其中一路输入电源加装隔离变压器,并将隔离变压器二次侧的零线跟另一路输入电源的零线接到一起,这样就解决了两路输入电源的零线短接问题。对于零线先通后断的4极ATS来说,需要在靠近ATS端给两路输入电源分别加装隔离变压器,并将隔离变压器二次侧的零线独立接地,从而满足第一种方法的条件。

结束语

系统工作可用性是当今UPS供电系统追踪的重要指标之一,为此很多单位都具备了两路电源甚至三路电源,如何把这些输入电源跟UPS供电系统很好地结合起来,主要就体现在UPS与ATS配合应用的方案上面,处理不好就会出现这样或者那样的问题。单机或并机系统适合采用单一ATS方案,对于双总线或者更复杂的供电系统适合采用ATS组合方案,但是对应的ATS型号如何选用,零线如何处理也都是关系到方案成败的关键!

参考文献

[1]《供配电系统设计规范》(GB50052-2009)3.0.1-1

[2]《供配电系统设计规范》(GB50052-2009)3.0.2

[3]《不间断电源设备第1-2部分:限制触及区使用的UPS的一般规定和安全要求》(GB7260.4-2008)4.9.22

[4]CEMEP European UPS Guide9-6isolation of neutral

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