数据中心UPS供电系统中开关极数与安全性的关系分析

本文依次从开关“断零”导致的中性点偏移对设备安全运行的影响,等电位联结对人员预期接触电压的影响以及杂散电流的危害几个角度对数据中心UPS供电系统中开关极数与安全性的关系展开分析。

UPS作为数据中心供配电系统中关键的电能质量设备,为数据中心提供了的连续、可靠、安全的电力保障。虽然UPS已应用数十年,但其输入、输出配电柜中的主路输入开关、旁路输入开关、输出开关和维修旁路开关是应该选用3极开关还是应该选用4极开关一直是行业内争论的焦点,在相关标准、规范中至今仍没有形成共识,成为困扰技术人员的重要问题。本文依次从开关“断零”导致的中性点偏移对设备安全运行的影响,等电位联结对人员预期接触电压的影响以及杂散电流的危害几个角度对数据中心UPS供电系统中开关极数与安全性的关系展开分析。

一、“断零”问题对开关极选择的影响

UPS主要由整流器、电池充电器、逆变器构成的主路和由晶闸管构成的静态旁路两部分组成,如图1所示。从图中可以看出UPS的主路和静态旁路共用中性线,中性线N从UPS的输入端输入为静态旁路和主路的整流器、电池充电器、逆变器提供工作基准后经UPS的输出端输出。

在GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.6条规定“数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备,其配电系统应采用TN-S系统。”图2为数据中心中UPS中性线联结示意图,负载设备中性线N、UPS中性线N通过配电系统连接到市电电源中性点N上,获得中性线N的基准点(接地点)。

若UPS处于主路工作模式或是电池工作模式时发生“断零”故障。因主路工作模式为在线双变换模式UPS输出的交流电是市电经过整流器整流为直流后经过逆变器逆变所产生,与市电输入的交流电在电气上可认为是“隔离”的。电池模式输出交流为蓄电池中的直流电能经逆变器逆变转换所产生,同样与市电输入的交流电在电气上也可认为是“隔离”的。在接地方式上这两种模式可认为是不依存于市电接地方式的“另起系统”。虽然UPS具有一定的带三相不平衡负载的能力,可在这两种模式下将相电压限制在允许范围之内,但因UPS的中性线N与电源中性点断开后,UPS中性线N的基准点不再与市电的基准点一致,电流经逆变器逆变后的出线端成为“另起系统”的起点(origin),UPS供配电系统变成为IT系统,违背了GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.6条规定。

当UPS工作于旁路工作模式发生“断零”故障时,由于UPS输出端通过静态旁路与市电电源端直接相连,即UPS输出与市电采用相同的接地方式,因静态旁路无法像主路一样隔离和限制各相电压。“断零”后UPS及后端的负载设备中性线N处于悬浮状态,一旦三相负载不平衡将会使各负载设备的端电压依据欧姆定律重新进行分配,即产生中性点偏移现象,如图3所示。

图中N点为UPS中性线N与电源的基准点(接地点)相连接的基准点,N‘点为UPS中性线N与电源的基准点(接地点)断开后形成的新基准点。

此时,电阻大的负载设备所在相线获得较高相电压(如上图BN‘),导致过压发生损坏甚至烧毁。电阻小的负载设备所在相线获得较低相电压(如上图CN‘),导致欠压无法正常工作。

在UPS工作时会根据负载或自身的情况调整在主路工作模式和旁路工作模式之间相互切换。例如,当主路过载或整流器故障导致输入开关跳闸时UPS将自动转到旁路工作,在图1所示的拓扑结构中,通常将中性线N放置在UPS的旁路输入上,此时主路输入开关可以使用3极开关。对于旁路由于其内部由电子元器件构成,在某些极端的情况下可能会发生内部短路问题,造成旁路输入开关的“跳闸”,若此时旁路输入开关使用4极开关,将会引起整个UPS供电系统的“断零”,在开关动作一瞬间由于系统内磁性和储能元件内残存的电荷不会马上消失,可能会产生瞬时过电压损坏负载,因此不建议UPS的旁路输入开关使用4极开关。

部分UPS主路和旁路均设有输入中性线N,在UPS工作时为了实现主路和旁路的同步切换,在设计时将主路和旁路中性线N短接在一起。该设计使不同的接地系统在同一供电范围内共存成为可能。UPS的主路工作模式下和在旁路工作模式下均以同一电位为参考,避免了不同中性导体系统中性线N之间电位差不同以及电磁兼容(EMC)带来的问题。可参见GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》第444.4.6.1条、GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第7.1.2条。在UPS旁路输入的中性线N不设置开关时即旁路输入采用3极开关的情况下,主路输入再为中性线N设置4开关变得毫无意义,从经济性的角度考虑不建议主路采用4极开关。

此外,当4极开关长期使用时由于构成触头接触电阻中膜电阻的原因使中性线触头老化程度大于相触头老化程度,时常发生输出开关中性线所在极不导电的问题,致使UPS供电系统发生“断零”故障。

从上述分析可知UPS中性线N与电源的基准点(接地点)断开,无论工作在主路模式还是工作在旁路模式都会导致很多问题。因此,UPS配电柜中的主路输入开关、旁路输入开关以及输出开关均不应使用4极开关,以消除“断零”隐患。

二、等电位联结对开关极数的影响

下面分析当主路输入开关、旁路输入开关以及输出开关使用3极开关时在发生三相不平衡的情况下,在进行维修操作时触碰N线会不会发生触电事故。

由于数据中心供电采用的TN-S系统,在变压器处地线PE和中性线N连在一起并接地,PE线和N线在变压器处等电位,即在图中PE线和N线重合于N点,此时零地电压即UNN'=0。如果三相负载严重不平衡,则会造成中性线上出现较大电流。由于电缆内阻的存在,导致配电系统中性点从“N”点偏移到“N’”点,|UNN'|>0即在中性线和地线产生零地电压,如图4所示。

在由UPS主路为负载进行供电时,YD/T1095-2018《通信用交流不间断电源(UPS)》标准第4.3.10条规定:输出电压不平衡度应≤3%(即100%不平衡负载的情况下:输入电压与频率为额定值,输出任意一相位额定阻性负载,其余相空载,输出电压不平衡度应≤3%)。假设UPS输出电压不平衡度位3%,粗略计算零地电压为:220V×3%=6.6V,此值远小于人体受电击时安全电压限值50V。

当需要对UPS进行维修时,电流不再经过UPS整流逆变双变换经由维修旁路对负载设备进行供电,此时UPS以无法对电压不平衡度进行限制,不平衡度和零地电压由负载和市电共同决定。由TN-S系统构成原理可知,在市电电源端地线PE和中性线N连在一起并接地,此时中性线N上的电压仍然是由不平衡电流与在线路内阻引起,由于数据中心市电电源端(10�.4KV变压器)至UPS之间供电路径长度通常不会很长该数值仍不会很大。

下面对数据中心中是否可以不断开中性线而对UPS进行维修更换进行分析,在进行维护更换工作时因输入及输出三相开关均断开不需考虑其相线否带电的问题,仅需考虑人员接触中性线N时产生的预期接触电压,图5为人接触数据中心UPS供电系统中心线N线的预期接触电压示意图。

根据GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.4.4条:数据中心内所有设备的金属外壳、各类金属管道、金属线槽、建筑物金属结构必须进行等电位联接并接地,图中黑色虚线为等电位联结。

根据《工业与民用供配电设计手册》(第四版)第1455页,式(15.2-1)中Z_s说明;GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.5条、第5.2.8条文及条文说明。

故障回路为:中性线——人体——PE线——电源,如图红线箭头所示。

依据GB50054-2011《低压配电设计规范》第2.0.1条、第2.0.21条预期接触电压Uf为故障电流If在接触点A点和等电位联结点MEB点所产生的压降，即故障电流通过等电位联结导体所产生的电压。

根据GB50054-2011《低压配电设计规范》第5.2.10条及公式5.1.10:在TN系统中,当配电箱或配电回路同时直接或间接给固定式、手持式或移动式电气设备供电时,应采用下列措施之一:

1、应使配电箱至总等电位联结点之间的一段保护导体的阻抗符合下式要求:

(1)

50——为人体受电击时安全电压限值50V

ZL——为配电箱至总等电位联结点之间的一段保护导体的阻抗(Ω)

ZS——为接地故障回路的阻抗(Ω),包括:相导体、PE导体、电源内阻等

U0——相导体对地标称电压(V)

上式实际上是根据人体预期接触安全限制电压50V的要求,限制了等电位联结导体的电阻。对公式(1)进行等效变换可表示为:

(2)

变换后的公式(2)右边50V为人体受电击时安全电压限值,左边则变为预期接触电压的计算公式,从式中可以看出预期接触电压的最大值为50V。当人接触中性线N时,相导体对地标称电压U0变为中性线N对地的电压UNN',预期接触电压为Uf可表示为:

(3)实际工程当中ZL和Zs可近似认为是固定值,从图4可以看出零地电压值UNN'数值小于相电压值U0,因此可做如下推导:

(4)

从公式(4)可以看出预期接触电压值Uf小于人体安全限制电压50V,该电压不足以引起对人体有害的病理生理效应。故数据中心中UPS在断开相线开关不断开N线的情况下可以对UPS进行维修操作,即主路输入开关、旁路输入开关和输出开关可以使用3极开关。

三、杂散电流对开关极数选择的影响

前文讨论了主路输入开关、旁路输入开关以及输出开关应使用3极开关的问题,下面分析维修旁路开关是否应同样使用3极开关的问题。

图6是为由两台UPS并联而成的数据中心不间断电源供电系统系统。假设图6中外部维修旁路使用3极开关即中性线N始终处于联通状态,此时维修旁路上中性线N和UPS-1中性线N、UPS-2中性线N形成并联关系。从负载返回的中性线N的电流,将有一部分进入外部维修旁路。导致UPS-1或UPS-2在输出端的三相电流和不再为零即:IL1+IL2+IL3+IN≠0,线芯中产生的电磁场无法互相抵消,回路周围将产生电磁场。

这种工作电流通过不期望的路径流通的电流称为杂散电流(straycurrent)伴随产生的磁场称为杂散磁场。在GB/T16895.1-2008/IEC60364-1:2005《低压电气装置第1部分:基本原则、一般特性评估和定义》标准第312.2.1.2指出:“对于一个具有多电源的TN系统,在设计不适当的情况下,一些工作电流就可能通过不期望的路径流通。这些电流可能引起:火灾、腐蚀和电磁干扰。”

杂散电流引起的问题可详细描述为:

1)杂散电流可感应产生杂散电磁场,产生电磁干扰(EMI),使敏感电子设备不正常工作;例如使仪表装置不正确显示、继电保护装置误动作、数字信号系统误码率增加、显示系统屏幕闪烁等问题。

2)杂散电流可能因并联传导回路的接触不良产生电火花引燃周边易燃物造成火灾。

3)杂散电流以大地为传导路径,因电化学腐蚀接地极、地下基础钢筋或金属管道等金属部分。

4)杂散电流还可能使剩余电流保护器误动作,使电气漏电火灾报警系统火拒动或误动、使RCD无法合闸。

在UPS供电系统中当UPS主机处于正常工作状态时,因UPS在设计的时候考虑了电磁兼容性能,杂散电流对UPS主机的影响可能不会很大,一旦负载端出现短路尤其是单相短路,杂散电流就会很大产生较强的电磁干扰,影响UPS主机或周围设备,故维修旁路开关应选用4极开关以切断杂散电流的流通路径、消除杂散磁场的干扰。

四、结论

综合上述,在考虑设备安全和人员安全的角度前提下,从“断零“导致的中性点偏移的角度分析,断开中性线N会对负载设备造成不良影响,UPS主路输入开关、旁路输入开关和输出开关不应使用4极开关;从数据中心接地及等电位的角度分析,不断开中性线N对设备维护的预期接触电压值小于人体安全限制电压50V,UPS主路输入开关、旁路输入开关和输出开关可以使用3极开关;从杂散电流的角度对杂散电流和杂散磁场的分析,维修旁路在UPS正常工作时不断开中性线N会对UPS和周围设备造成影响,维修旁路开关应使用4极开关。

根据以上分析得出UPS主路输入开关、旁路输入开关、输出开关和维修旁路开关推荐使用极数如下表所示:

作者：曾显达 王军 王星

审核编辑：汤梓红