UPS电源接地问题

1问题的提出外审过程中经常出现违反强规GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收标准》第9.1.4条，即不间断电源输出的中性线〔N〕极，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。那么UPS输出N极究竟应不应该接地，今后的电气施工图应该怎么绘制，设计人员存在不少的困惑。因此笔者向大家提出课题――“UPS接地问题的分析”，敬请读者研讨。在此谈点个人看法，笔者认为造成目前概念混乱的主要原因与国家相关标准不协调有很大关系。首先，我们需要了解关于接地问题有哪些相关标准。2标准关于UPS接地有关规定〔l〕GB50303—2002《建筑电气工程施工质量验收标准》第9.1.4不间断电源输出的中性线〔N〕极，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。〔2〕国家标准/国际标准GB16895.20-2003/IEC60364-5-551：1994规定“当发电设备作为〔公用电网的〕替代电源〔备用系统〕时运行而接到TN系统时，其自动切断供电的防护不应依赖于与公用电网接地点的连接。应设一个适当的接地极”。这条规定存在的问题：1〕这个“适当的接地极”是独立的还是与供电系统接地装置连在一起的。2〕没有明确“发电设备”中性点与公用电源的中性点之间是否相对独立，是否有电气和物理上的联系。出现以下四种情况：1〕设备中性点独立、接地极独立。2〕设备中性点独立、接地极不独立。3〕设备中性点不独立、接地极独立。4〕设备中性点不独立、接地极不独立。1〕发电设备的中性点独立、接地极独立，对于柴油发电机，由于其电枢线圈与公用电网是独立的，中性点接到单独地上，两种电源之间采用四极开关，两个N线不会并列而形成分流。但是用电设备是放置在建筑内的，TN系统中设备外壳与公用电网的地是接在一个系统上的。那么当切换到备用系统上时，因为柴油发电机的地与公用电网不是同一个地，供电系统就变成了TT系统。〔假设设备再做有等电位联结，就更难区分是TN还是TT系统了〕相应的保护系统应作改变。接地电流变小，用过电流保护兼做单相接地保护很难满足要求，通常应采用漏电保护。而漏电保护的上下级选择性，只能采用时间延时来实现，影响快速性和灵敏性。因此笔者认为这个“适当的接地极”应与公用电网的接地装置联在一起。2〕发电设备的中性点独立、接地极不独立，上述规定可行。3〕发电设备的中性点不独立、接地极独立，没有意义。即使做了独立接地极，由于设备不独立，导致接地极也不能独立。4〕发电设备的中性点不独立、接地极不独立。如果UPS算发电设备，由于其内部输出N线与输入N线是连在一起的，在其输出端再设一个适当的接地极，岂不是将N线在不同地点多次接地了吗？TN—S系统则变为TN—C系统。〔3〕国家标准《建筑物电气装置第5部分：电气设备的选择和安装第54章：接地配置和保护导体》GB16895.3规定了PEN导体从“任何一点起，中性导体和保护导体的作用是由各自的导体提供的，则从该点起不允许再将这些导体互相连接”。〔4〕中华人民共和国电力行业标准DL/T621—1997《交流电气装置的接地》8．4．3保护接地和功能接地共用接地装置时，应满足保护接地的各项要求。保护中性线应符合以下要求：1〕TN系统中，固定装置中铜芯截面不小于10mm2的或铝芯截面不小于16mm2的电缆，当所供电的那部分装置不由残余电流动作器保护时，其中的单根芯线可兼作保护线和中性线。2〕保护中线性应采取防止杂散电流的绝缘措施。成套开关设备和控制设备内部的保护中性线无需绝缘。3〕当从装置的任何一点起，中性线及保护线由各自的导线提供时，从该点起不应将两导线连接。在分开点，应分别设置保护线及中性线用端子或母线。保护中性线应接至供保护线用的端子或母线。〔5〕JGJ16—2008《民用建筑电气设计标准》第6.3.6在TN—S供电系统中，UPS装置的交流输入端宜设置隔离变压器或专用变压器；当UPS输出的隔离变压器为TN—S、TT接地型式时，中性点应接地。第12.2.2—2TN系统中保护导体或保护接地中性导体应在靠近配电变压器处接地，且应在进入建筑物处接地。第12.2.3采用TN—C—S系统时，当保护导体与中性导体从某点分开后不应再合并，且中性导体不应再接地。第11.9.5当电子信息系统设备由TN交流配电系统供电时，其配电线路必须采用TN-S系统的接地型式。〔6〕JGJXX—2010《医疗建筑电气设计标准》征求意见稿〕4.4.12UPS电源侧应按以下规定做重复接地。1〕UPS供电电源是TN-S系统时，假设UPS旁路未加隔离变压器，UPS出线端N线、PE线不能连接。假设UPS旁路加隔离变压器，UPS出线端做重复接地。〔有问题〕2〕UPS供电电源是TN-S系统时，假设UPS旁路未加隔离变压器，但UPS输出端配电柜〔PDU〕中加隔离变压器，在PDU柜出线处将N线、PE线连接，做重复接地。(7)GB50472-2008《电子工业洁净厂房设计标准》12.1.2配电系统接地型式宜采用TN—S或TN—C—S系统。〔8〕GB50395—2007《视频安防监控系统工程设计标准》8.0.1电源供电方式应采用TN—S制式。〔9〕GB50394—2007《入侵报警系统工程设计标准》8.0.1—1系统供电宜由监控中心集中供电，供电宜采用TN—S制式。(10)GB5O174-2OO8《电子信息系统机房设计标准》8.1.6电子信息系统机房内的低压配电系统不应采用TN—C系统。UPS装置内部的中性线的连接方式要搞明白UPS在系统中的接地方式，我们需要分析UPS基本单元的工作原理。3.1UPS装置基本单元根据整流与逆变的方式〔1〕半桥整流、半桥逆变连接方式〔2〕半桥整流、全桥逆变连接方式〔3〕全桥整流、半桥逆变连接方式〔4〕全桥整流、全桥逆变连接方式3.2根据主电源和旁通〔辅助〕电源的关系〔1〕主、辅输入电源都不带隔离变压器。〔2〕输入主电源带隔离变压器，旁通不带。〔3〕输入主电源不带隔离变压器，旁通带隔离变压器。〔4〕输入主电源、旁通电源带隔离变压器，共用或分别设置。〔5〕逆变输出回路采用隔离变压器，旁通回路不带，采用四极开关。〔6〕逆变输出和旁通回路分别带隔离变压器。〔7〕逆变输出和旁通回路共用隔离变压器1。〔8〕逆变输出和旁通回路共用隔离变压器2。存在问题从以上所列的标准及UPS原理图中，我们可以看出，对于某些特例，它们是不协调的。如：当一个建筑物是由220/380V低压供电，室内一层设建筑物总低压配电室，三层设有电脑房、测试间、安防监控等重要场所，这些场所需要设UPS。通常做法是采用TN-C型式，三相四线引入建筑物，或TN—S型式，三相五线引入建筑物，在进户总配电室低压屏处做重复接地后，由该低压屏引出至建筑物内的各层配电箱采用TN-S系统，N线与PE线单独敷设，不再相连，我们称之为TN-C-S系统。从建筑总配电室至三层的UPS设备，根据标准采用TN-S系统，五根线引上，其中的PE线接外壳，N线接UPS输入端的N线端子。标准GB50303-2002不做任何区分，一律要求UPS的输出的N线要直接与接地干线相连，这就出现以下问题：〔1〕在UPS的内部输入和输出的N线究竟是怎么回事，是否相连？如果相连了，再这么做就出现违反另一个标准的问题。通过下面的分析，可得出很大一批UPS的输入和输出N线其实是连在一起的。〔2〕旁通电源的N线和UPS输出的地如何处理。旁通电源的PEN线在建筑物入户处已经接地了，而UPS放在建筑内的三楼，要求其输出的N线直接与接地干线相连。那么旁通电源的N线是否与UPS输出的N线相连？如果相连，同样出现违反另一个标准的问题。尽管维修旁通开关正常工作时处于打开状态，可以使用四极开关将两个N线隔离，但事实上UPS的静态旁通开关STS的前后N线也是连在一起的。(3)GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收标准》第9.1.4条，对TN-C系统供电而言，没有问题。但随着社会发展，供电系统采用TN—C—S、TN—S的接地型式，已逐渐成为主流。笼统地讲UPS的输出中性点要直接接地似有不妥。如果输入输出不设隔离变压器的前提下，无论全桥还是半桥逆变输出只要UPS的输出要求有中性点，那么这个中性点与输入电源的中性点都会有联系，甚至是直接相连的。那么这个中性点是不是一定要在UPS的输出点接地，应该综合考虑整个供电系统的接地方式。如果给UPS装置供电侧已采用TN—S系统，N线与PE线在前端已经分开，UPS的输出不能接地，否则，TN—S系统又变为TN—C系统，违反“JGJ16—2008《民用建筑电气设计标准》第12.2.2—2条，TN系统中保护导体或保护接地中性导体应在靠近配电变压器处接地，且应在进入建筑物处接地。违反“12.2.3米用TN—C—S系统时，当保护导体与中性导体从某点分开后不应再合并，且中性导体不应再接地。”的强规条文。解决方法通过对UPS装置的分析，我们可以得出如下结论。〔1〕对于无逆变输出隔离变压器的UPS，只有输入主电源、旁通电源都带隔离变压器，才能同时满足标准要求。〔2〕对于有逆变输出隔离变压器的UPS，逆变输出和旁通回路分别带隔离变压器、逆变输出和旁通回路共用隔离变压器1和逆变输出与旁通回路共用隔离变压器2,才能同时满足标准要求。〔3〕因此要同时满足各种标准要求，唯一的方法是在输入侧或输出侧设置隔离变压器，这会导致隔离变压器的大量使用，增加成本和损耗，增加故障率。在我们设计时，只要求了UPS的容量、相数、时间、电压等级、输入谐波电流、输出谐波电压限值等，并没有限定是半桥逆变还是全桥逆变，没有要求一定设隔离变压器。因此，UPS的输出接地方式难以判定。UPS生产厂家，有的把隔离变压器作为标准配件。有的把隔离变压器作为可选配件，甲方或图纸中不做特殊说明，就认为不需要选用。假设选用了不恰当型式的UPS或没做特别说明，则会出现麻烦，设计人员可能要承担责任。因此，在设计图纸中一定要注明“增加隔离变压器”。〔4〕对于小容量分布式的UPS是不是都要设隔离变压器，例如：每个实验室甚至每台电脑都配置一个小型UPS,这也是我们工程设计中经常遇到的问题，我本人认为是没必要的，但却是违反标准要求的。因此有必要对GB50303-2002《建筑电气工程施工质量验收标准》第9.1.4条“不间断电源输出的中性线〔N〕极，必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地。”进行反思。如果不这样做会有哪种危害？该条文解释：不间断电源输出端的中性线〔N极〕通过接地装置引入干线做重复接地，有利于遏制中心点漂移，使三相电压均衡度提高。同时，当引向不间断电源供电侧的中性线意外断开时，可确保不间断电源输出端不会引起电压升高而损坏由其供电的重要用电设备，以保证整幢建筑物的安全使用。其实，即使“不间断电源输出端的中性线〔N极〕，必须与接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地”，由于UPS的地不一定就是电源变压器中性点的地，所以，中性线〔N线〕断开，无论UPS输出是否接地，导致各相电压不平衡，这是不可防止的，解决不了三相平衡的问题，同样也解决不了零点漂移问题。虽然通过强行把N线与地连在一起，解决了零地电压的问题，但是同时造成了地网上出现杂散电流的问题，可能会对电子设备产生干扰。