中性线的转换对UPS电源性能的影响和对策

1 引言

在UPS供电系统中，UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间，其上游是交流输入电源亦即低压配电系统，下游是各种关键负载。任何UPS在正常情况下都是以市电电源为输入能源，UPS 将市电电源进行适当的变换和调节，供给负载稳定可靠地交流电源。当市电电源停电或技术指标超出预定的容限时，UPS利用内部储能装置(蓄电池)继续运行为负载供电。市电长时间停电时，则必须启动备用发电机组供电。

在电信和数据中心等重要应用场合，低压配电系统通常采用两路市电和多台变压器，并配置一台或多台备用发电机组。为了确保UPS输入电源的供给，市电与备用发电机组之间需要进行转换。

传统的转换电路采用3极自动转换开关(ATS)。在3极ATS的转换电路中，当配电电路中发生接地故障时，接地故障电流有分流现象，导致接地故障保护装置(GFP)拒动。此外，中性线电流的分流将导致接地故障保护装置误动。近年来，在重要应用中均要求采用具有包括GFP的4段保护断路器，为了避免接地故障保护装置工作异常，4极ATS的转换电路应用日益增加。4极ATS的转换电路除了转换3个相线外，还增加第4个极转换中性线，4极ATS的特点，是保证互相转换的两个电源完全隔离，消除了接地故障电流和中性线电流的分流，保证了接地故障保护装置的正常工作。但转换过程中性线可能有中断，导致UPS中性线基准(接地)断开，引发UPS系统故障。

现已发现由于中性线基准断开，引起UPS设备工作异常，甚至导致UPS停机和负载停电的严重故障。UPS上游电源中性线的转换对GFP和UPS的影响，已成为最受关注和亟待解决的问题。也是当前UPS系统设计必须考虑的重要内容。

本文讨论UPS上游电源转换电路的种类及原理，分析中性线基准断开对UPS运行的影响，提出工程设计实用解决方法。

2 电信和数据中心低压配电接地系统和保护要求

按照YD/T5040-2005《通信电源设备安装工程设计规范》的规定，电信和数据中心的低压交流供电系统应采用TN-S系统。

TN-S系统具有许多优越性，例如，在TN-S系统中，有三相不对称负载和非线性负载时，中性线N中有电流流过，但保护地线PE中在正常时没有电流流过，因此保护地线PE上没有电压，对于设备机壳接保护地线PE的各个负载设备不会产生电磁干扰，所以适用于通信、数据处理和精密电子设备的应用场合。TN-S系统当保护地线PE断开时，在正常情况下不会使负载设备机壳接保护地线PE的设备机壳带电，比较安全。

需要说明的是，TN系统包括TN-S、TN-C和TN-C-S三个分系统，而电信和数据中心一般只采用TN-S系统。TN-C系统的PEN 线有PE线和N线的作用，可节省一根导线。但是，TN-C系统在有三相不对称负载和有非线性负载时，其PEN线中有电流流过，因此对机壳接PEN线的各个负载设备会产生电磁干扰。TN-C系统还存在以下问题：① 对于单相负载设备，如果PEN线断开，则设备外壳将带220V故障电压;② 不能直接装设GFP(或RCD)保护器。 TN-C-S系统在前面一段配电系统具有TN-C系统的特性，在后面一段配电系统具有TN-S的特性。

过去通信局站曾广泛采用TN-C，由于存在上述缺陷，现在已不允许采用。TN-C-S系统仅在特殊情况下采用, 但应特别注意，禁止在TN-S后面再采用TN-C系统。

TN-S系统的保护，主要有过载长延时、短路短延时、短路瞬时、接地故障保护。其中接地故障保护(GFP)是指相线与电气设备外露可导电部分(如机壳、建筑金属构件等)之间的短路，这与相线与中性线之间的短路、相线之间的短路不同。接地故障电流较小，常常不能使过流保护电器动作。接地故障点有时会出现电弧，故有易引起火灾的危险。因此，GFP接地故障保护十分重要。根据NEC的要求， TN系统中大于(等于)1000A的断路器必须采用GFP，欧盟有些国家已将GFP定为强制性要求。近年来，我国电信和数据中心等的低压配电系统工程中，重要开关均要求具有GFP接地故障保护功能。因此，如下所述，在进行市电和发电机转换电路设计时，应特别注意与GFP兼容的问题。

3 市电电源与备用发电机组的转换电路

市电电源与备用发电机组的转换电路，有采用3极ATS和采用4极ATS的两类转换电路。

3.1 采用3极ATS的转换电路

传统的市电和发电机转换电路采用3极ATS,只进行三个相线的转换，不进行中性线的转换。市电和发电机组中性线是公用的(两者的中性线固定连接在一起)。3极ATS 转换电路在转换过程中中性线没有中断现象。

按照发电机中性线的接地位置的不同，采用3极ATS的转换电路有如下两种。

(1) 发电机中性线通过市电中性线接地的转换电路

图1示出传统采用3 极ATS的转换电路，发电机的中性线与市电中性线连接并在市电进线柜处接地。发电机组的中性线在发电机处不接地，发电机组的机座通过PE线在市电进线柜接地。

在这种转换电路中，因为电源系统的中性线仅在市电进线柜一处接地，对于接地故障的检测是安全可靠的。在市电供电的情况下，如果发生了接地故障，接地故障保护装置(GFP)将会正确地检测出接地故障电流，发出信号，使市电进线开关断开。

应该指出，图1是采用3极ATS时的正确电路，过去曾长期应用，一般情况下是比较理想的。但是，随着配电电路对接地故障保护的需求，图1 的3极ATS 转换电路暴露出一些缺点，例如：因为发电机的中性线不在发电机处接地，在发电机侧不能实现接地故障检测(注：目前发电机输出断路器一般不设接地保护，但当有接地故障时应告警，故需要进行接地故障检测)。

值得特别注意的是，如果供电系统中有多个转换开关,有可能造成中性线电流的分流，使接地故障的检测出现错误，导致接地故障断路器在无接地故障时异常跳闸。如图2所示，在市电供电时，中性线电流会在市电和发电机的中线之间分配，流经3极ATS-2的中性线电流有一部分通过市电中性线返回市电电源，其余电流将流向发电机的中性线，并经另一个转换开关(3极ATS-1)返回市电电源。因为这部分电流未经过GFP-2检测电路，被认为是接地故障电流，故可能引起接地故障保护断路器K2在无接地故障时异常跳闸。