APCUPS電源BK1000Y-CH

時間：2018-05-02作者：北京金業(yè)順達(dá)科技有限公司瀏覽：50

APCUPS電源輸出零地電壓對負(fù)載的影響及改進(jìn)


通過對APCUPS電源在使用過程中因零地電壓過高對負(fù)載產(chǎn)生的危害事故案例分析,著重指出必須重視APCUPS電源零地電壓和接地問題。闡述了APC UPS電源零地電壓過高產(chǎn)生的原因及改進(jìn)措施,提出APCUPS電源官網(wǎng)供電系統(tǒng)要有單獨的接地線,接地電阻要小于4Ω,零地電壓要小于2V,這樣才能保證負(fù)載正常運行。
 
零地電壓是APC UPS電源官網(wǎng)輸出電壓的重要技術(shù)指標(biāo),直接影響負(fù)載的穩(wěn)定運行。正確處理上海APCUPS電源輸出的零地電壓,能有效**設(shè)備的穩(wěn)定運行,提高負(fù)載工作的可靠性。

1接地的基本概念

將電氣設(shè)備或用電保護(hù)裝置的外殼用導(dǎo)線(又稱接地線)與接地體連接簡稱“接地”。直接與大地接觸的金屬導(dǎo)體或金屬導(dǎo)體組稱為“接地體”。接地線和接地體總稱為“接地裝置”。

(1)對地電壓

電氣設(shè)備的接地部分(如接地外殼、接地線和接地體等)與大地零電位點(在距接地體或接地處10m以外的地方)之間的電位差稱為接地時的“對地電壓”。

(2)接地電阻

接地體對地電阻和接地線電阻的總和稱為接地裝置的“接地電阻”。

(3)接地體作用

接地目的是為了安全,防止電氣設(shè)備損壞和保證人身安全,保證電氣設(shè)備的正常運行。為了保證人身安全,所有電氣設(shè)備都應(yīng)安裝接地裝置。若該電氣設(shè)備一旦因絕緣損壞或感應(yīng)帶電,則電流可以經(jīng)過接地線和接地體流入大地,不產(chǎn)生危險電壓以保證人身安全。

(4)接地裝置的安裝

接地裝置包括接地體和接地線兩部分。

①接地體

接地體可盡量利用自然接地體,如敷設(shè)在地下的各種金屬管道,一般自然接地體不能滿足接地電阻要求時,可采用人工接地體。人工接地體可采用下述方法:在地表挖長5m,深3m的溝槽,底部平鋪一層粗砂,砂層上放入煤渣層,放入由鋼管、角鋼或銅管做成的銅排,角鋼接地體一般為40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm,長2.5m以上,導(dǎo)電排與接地線要用鉚接或焊接方式連接,然后在鋪上煤渣層,均勻地撒上工業(yè)用鹽,最后在平鋪砂層填土壓實,這樣才能滿足接地電阻小于4Ω的要求。禁止在地下用裸鋁導(dǎo)體作為接地體,但可用鋼管或粗銅線作接地體。

②接地線

接地線主要采用扁鋼(截面積應(yīng)大于48mm2)焊接,也可采用扁銅線。

③接地電阻值的測量

可以采用接地電阻測試儀,對接地裝置的接地電阻進(jìn)行測量,接地電阻測試儀屬搖表類型。

2零線的概念

發(fā)電機(jī)和變壓器的三相低壓繞組采用Y型聯(lián)接,連接后的中點引出的導(dǎo)線稱中線,在三相四線制供電線路中的中線通常在變壓器輸出點直接接地,接了地的中線稱零線,在380/220V供電線路中,相線與零線之間的電壓為220V,理論上零地電壓為0V。

3產(chǎn)生零地電壓過高的原因

由于三相電流不平衡,在用戶端、零地之間肯定存在零地電壓。但只要把零地電壓控制在2V以下,就不會對系統(tǒng)或者設(shè)備造成危害。產(chǎn)生零地電壓過高的原因有以下幾點:

(1)三相電源負(fù)載不平衡;

(2)接地電阻過大;

(3)零線和地線的線徑太細(xì)或斷路;

(4)高頻諧波或電磁場*引起電位升高;

(5)使用APCUPS電源、電子穩(wěn)壓器等電子供電設(shè)備;

(6)用的插線板不符合電器標(biāo)準(zhǔn)。

其中**項是造成零地電壓偏高的主要原因,*(5)、(6)兩項是用戶設(shè)備的問題,只要合理選擇APCUPS電源,正確選型和配線,就不會因設(shè)備問題造成APC UPS電源輸出零地電壓過高。

4零地電壓對負(fù)載的影響

零地電壓對負(fù)載的影響,主要表現(xiàn)在三個方面:

(1)引起硬件故障

一般要求APCUPS電源官網(wǎng)輸出零地電壓值不**過2V。零地電壓過高可能引發(fā)控制信號的誤動作,造成設(shè)備的誤啟動和誤關(guān)機(jī)。還可能造成誤碼率上升,丟包率增加,造成通信緩慢,傳輸速率下降,影響通信質(zhì)量,延誤或阻止通信的正常進(jìn)行。

(2)燒毀設(shè)備

對于計算機(jī)設(shè)備而言,零地電壓過高會導(dǎo)致服務(wù)器速度下降、網(wǎng)絡(luò)交換速度降低、服務(wù)器無故關(guān)機(jī),甚至造成硬件損壞。

(3)引發(fā)控制信號的誤動作

有時,服務(wù)器在零地電壓**某一值(比如2V)時無法啟動。因此用戶在安裝設(shè)備時,廠家的硬件安裝工程師在現(xiàn)場就會對安裝環(huán)境的零地電壓進(jìn)行測量,一般情況下要求小于2V,大于此數(shù)值則不予加電開機(jī)。

(4)影響通信質(zhì)量

零地電壓有時會直接導(dǎo)致硬件損壞。因此,高頻設(shè)備供電不僅要采用在線式APC UPS電源官網(wǎng),還必須配備良好的接地系統(tǒng),以保證零地電壓**2V。

5零地電壓過高的改進(jìn)

因為零地電壓是影響上海APCUPS電源后續(xù)設(shè)備運行可靠性的重要因素,為此可從以下幾方面加以控制:

(1)保證三相電力負(fù)載盡可能均衡。如果三相用電不平衡,零線上的電流就會加大,零線N兩端的電壓差就會直接造成零地電壓過高。因此,要盡量配平三相負(fù)載,定期根據(jù)負(fù)載的使用變化進(jìn)行必要的調(diào)整。此外,還可以通過增加零線截面積,從而有效降低零地電壓。

(2)建立獨立、良好的接地系統(tǒng),盡量降低接地電阻,接地電阻不能**過4Ω。接地線和接地體要符合電力設(shè)施規(guī)范,較好請專業(yè)人員做接地線且用儀器測量,務(wù)必使接地電阻符合要求。

(3)APCUPS電源輸入端零線不能裝開關(guān),任何時間不能讓零線斷路,特別是對APCUPS電源做蓄電池放電維護(hù)時,可斷開火線但不能斷開零線,否則會使APCUPS電源輸入的零線懸空造成輸出零地電壓升高。

(4)選用零地電壓值較小的美國APCUPS電源。在選購APCUPS電源時,需要考慮零地電壓的控制問題。有些類型的美國APCUPS電源經(jīng)過特殊的設(shè)計,甚至可以使輸出的零地電壓小于1V。

(5)APCUPS電源輸出端加裝隔離變壓器。當(dāng)APCUPS電源輸入的零地電壓不高,而輸出零地電壓過高時,可以采用在APC UPS電源輸出端加裝隔離變壓器的辦法來隔離輸入和輸出之間的電氣連接,同時在隔離變壓器輸出的零線端直接做接地處理。


1 APCUPS電源產(chǎn)生的諧波

1.1諧波概念及危害

在理想的電力系統(tǒng)下，電壓和電流波形都是光滑的正弦波，而實際上，當(dāng)用電設(shè)備為非線性負(fù)載時，例如:開關(guān)型電源、電子鎮(zhèn)流器、變速傳動裝置、APCUPS電源等，電流波形就會呈現(xiàn)非正弦波。具有基波電源頻率整數(shù)倍頻率的電壓或電流稱為諧波。通過對波形進(jìn)行傅立葉級數(shù)展開可知:任何周期性的波形都可以分解成一個基波頻率的正弦波和多個諧波頻率的正弦波，對于對稱波形，所有偶次諧波為零。

由諧波引起的危害可分為諧波電流引起的危害和諧波電壓引起的危害。諧波電流引起的危害包括3N次諧波電流在中線的疊加致使配電電纜必須降容使用、變壓器的損耗增大、諧波使斷路器誤跳閘等;諧波電壓引起的危害主要包括電壓畸變影響電子設(shè)備的正常運行和過零噪擾等。

1.2APCUPS電源產(chǎn)生諧波機(jī)理

與電力電子裝置有關(guān)的原始波形幾乎都是非正弦的，波形都含有諧波分量，APCUPS電源是其中的一個代表，APCUPS電源的整流方式是產(chǎn)生諧波的一個重要原因，在理想情況下，認(rèn)為交流電源是三相對稱工頻正弦波電壓，忽略供電電源自身的諧波，同時也不考慮脈沖橋式整流電路換相重疊角的影響，忽略直流回路電流紋波的影響并假定電路的觸發(fā)脈沖對稱、導(dǎo)通角α相等，在上述理想條件下，當(dāng)裝置處于穩(wěn)定工作狀態(tài)時，通過開關(guān)函數(shù)法將被分析波形表示成一系列已知波形與開關(guān)函數(shù)的乘積和的形式，將其中的已知波形與開關(guān)函數(shù)都展開成級數(shù)的形式，再對乘積和進(jìn)行整理化簡，最后將被分析的波形表示成級數(shù)的形式，以便于討論其中諧波的級次與含量。


1.3APCUPS電源整流產(chǎn)生諧波的特點

APCUPS電源整流產(chǎn)生諧波可分為整流直流電壓諧波和電源側(cè)的電流諧波，對于多脈沖整流電路，可以得到如下結(jié)論:

對于直流側(cè)電壓:

(1)電路的總脈沖數(shù)越多，在直流端電壓波形中諧波抵消得越多，直流側(cè)電壓波形越好;

(2)在系統(tǒng)直流側(cè)電壓中出現(xiàn)的諧波頻率為電壓脈沖數(shù)的整數(shù)倍，諧波級次n=pm。例如6脈沖電路，電壓諧波頻率為6m倍輸入頻率;

(3)諧波次數(shù)越低，諧波幅值越大。

對于交流側(cè)電流:

(1)對于理想的p脈沖整流器，在交流側(cè)只有下列次數(shù)的諧波電流：n=Pm±1次，式中m=1，2，3，…。各個諧波電流分量的幅值為基波電流的l/n。例如，對于6脈沖整流裝置，線電流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次諧波，其中5、7次諧波幅值分別為基波電流的1/5和1/7;對于12脈沖裝置，線電流中只有11、13、23、25…等奇次諧波，其幅值也顯著減小;

(2)增加整流器的脈沖數(shù)p，對減小交、直流兩側(cè)的諧波分量有決定性影響。所以，構(gòu)成脈沖數(shù)盡可能大的系統(tǒng)是整流裝置減少交、直流兩側(cè)諧波電流和諧波電壓的根本措施。

本文主要就APCUPS電源整流產(chǎn)生的電源側(cè)電流諧波進(jìn)行分析研究。

2APCUPS電源整流濾波方式與諧波抑制關(guān)系

2.1信息中心大功率APCUPS電源分類

國家氣象信息中心共有12臺大功率APCUPS電源，幾乎涵蓋了目前市場上各種形式的大功率APCUPS電源，根據(jù)整流、濾波方式的不同，可將其分成以下幾種類型，如表1所示。

整流器件整流方式隔離變壓器輸入濾波方式APCUPS電源典型

晶閘管(SVR)6脈沖無無120kVAA品牌APCUPS電源120kVAB品牌APCUPS電源250kVAA品牌APCUPS電源

有源濾波+無源濾波300kVAA品牌APCUPS電源

12脈沖30°移相變壓器11次諧波濾波器300kVAC品牌APCUPS電源

原邊：三角形副邊：星形+三角形11次諧波濾波器13次諧波濾波器625kVAD品牌APCUPS電源

IGBTPWM無無120kVAE品牌APCUPS電源


2.2對6脈沖無輸入隔離變壓器和輸入濾波器APCUPS電源的諧波分析

以250kVAA品牌APCUPS電源為代表的6脈沖晶閘管整流APCUPS電源，無輸入隔離變壓器和輸入濾波器，通過FLUKEF434電能質(zhì)量分析儀檢測得到該APCUPS電源的諧波頻譜分析圖及電流波形，如圖2所示。由圖可見，輸入電流波形嚴(yán)重畸變，A相輸入電流總諧波畸變達(dá)到45.3%，其中5次諧波占很大成分，A相約為41.5%，7次諧波次之，A相約為13.9%，與前所述的APCUPS電源6脈沖整流產(chǎn)生諧波的特點相符，輸入功率因數(shù)PF(0.79)與基波功率(位移)功率因數(shù)COSφ(0.86)的比值較大，即電流畸變因數(shù)ζ(0.92)偏離1較大，說明輸入電流的畸變較嚴(yán)重。另外，在電流波形呈現(xiàn)非正弦的情況下，畸變功率D即由諧波電流產(chǎn)生的無功功率也是不容忽視的。

2.3對12脈沖含有移相隔離變壓器和輸入濾波器APCUPS電源的諧波分析

對于三角形繞組的變壓器，3N次諧波全部同相，因此，3N次諧波電流在繞組里循環(huán)，不會向電網(wǎng)擴(kuò)散，輸入隔離變壓器對電流諧波有一定的抑制作用。信息中心兩臺30OkVAC品牌APCUPS電源在原有6脈沖整流的基礎(chǔ)上，輸入端增加移相變壓器后再增加一組6脈沖整流器，使直流母線電流由12個晶閘管整流完成，這大大減小了APCUPS電源的輸入諧波電流。另外，C品牌APCUPS電源安裝了吸收11次諧波輸入濾波器，即將LC串聯(lián)諧振電路的諧振點調(diào)整到55OHz，使整流電路產(chǎn)生的11次諧波大部分流入LC串聯(lián)諧振回路，從而將流入電網(wǎng)的諧波電路抑制在允許值之內(nèi)。為了提高電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)可參考度的準(zhǔn)確性，將中心所有并聯(lián)冗余的APCUPS電源全部切換到單臺APCUPS電源供電，這樣，提高了單臺APCUPS電源的負(fù)載率，使全部參與比較的幾種整流、濾波方式的APCUPS電源負(fù)載率均在45%~65%之內(nèi)，使比較的數(shù)據(jù)受負(fù)載率影響較小，較加具有參考性和信服度。通過電能質(zhì)量分析可以得到(見圖3):30OkVAC牌APCUPS電源輸入總諧波畸變較小，較高的一相僅為5.2%，諧波主要以7次為主，且諧波含量較小，輸入功率因數(shù)不高(僅為0.89)，基波功率因數(shù)COSφ(0.89)與總輸入功率因數(shù)相等，說明電流畸變很小。

2.4對12脈沖含有輸入隔離變壓器和輸入濾波器APCUPS電源的諧波分析

D晶牌APCUPS電源采用12脈沖晶閘管全橋整流電路，兩個整流器與輸入端均隔離，原邊為三角形連接、副邊整流器A采用三角形連接，整流器B采用星形連接，該APCUPS電源裝有智能化的輸入濾波器，可根據(jù)負(fù)載量決定是否投入使用部分濾波電容，對于采用12脈沖整流方式的APCUPS電源來說，輸入電流的諧波主要以11次、13次為主，故該APCUPS電源濾波器設(shè)計即針對11次和13次諧波進(jìn)行吸收，由電能質(zhì)量分析圖(見圖4)可知:對于11次、13次諧波的濾波效果非常好，11次、13次諧波含量僅為0.3%和0.4%，而總電流諧波畸變也在5.2%以內(nèi)，電流呈現(xiàn)出較好的正弦波形且輸入功率因數(shù)高達(dá)0.94。D品牌APCUPS電源采用的智能化輸入濾波器能有效地凈化來自市電電網(wǎng)的脈沖、浪涌電壓、尖峰電壓、高頻電磁*等可能對APCUPS電源造成的危害，同時也可以減小由整流器所形成的電流諧波對市電電網(wǎng)的諧波污染，并且提高了輸入功率因數(shù)。


2.5對脈寬調(diào)制整流無輸入隔離變壓器和輸入濾波器APCUPS電源的諧波分析

脈沖整流器是一種以脈寬調(diào)制(PWM)方式工作的整流器，與相控整流器相比具有功率因數(shù)高、諧波含量低、交流側(cè)電流接近于正弦，以及整流器動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點，國家氣象信息中心12OkVAE品牌APCUPS電源即為采用IGBT的PWM整流工作方式的APCUPS電源，從電能質(zhì)量分析圖中(見圖5)可以得出:在負(fù)載率為62.2%的情況下，其輸入電流總諧波畸變在10.9%以內(nèi)，以5次諧渡和7次諧波為主，電流波形較接近正弦波，但并不光滑，功率因數(shù)很高(0.94)，符合PWM整流的特點。但是，經(jīng)過分析比較可知:PWM整流產(chǎn)生的總諧波畸變大于12脈沖相控整流，與傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為PWM整流"諧波含量較低"的特點略有差別。

2.6對6脈沖含有有源+無源輸入濾波器APCUPS電源的諧波分析

300kVAA品牌APCUPS電源采用6脈沖整流，無輸入隔離變壓器，配置了有源濾波器和無源濾波器的混、合濾波器(THM)作為抑制諧波的措施，有源濾波器的基本原理是:通過檢測補(bǔ)償對象的電流i1，經(jīng)補(bǔ)償電流檢算電路計算出補(bǔ)償電流的指令信號ic*，該信號作為補(bǔ)償電流參考值經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路得到補(bǔ)償電流實際值ic，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功電流抵消(ic=ih)，較終得到期望的電源電流(is=if)。300kVAA品牌APCUPS電源采用了混合濾波器(THM)，當(dāng)諧渡含量較大時，有源濾波自動投入，當(dāng)諧波含量較小時，采用LC無源濾波。圖6和7分別為混合濾波器的原理示意圖和300kVAA品牌APCUPS電源的THM示意圖，圖8和9分別為在混合濾波器THM后端和**檢測到的電能質(zhì)量分析圖，將兩圖分析比較可知:在混合濾波器后端測量的效果等同于直接測量6脈沖SCR整流器產(chǎn)生的諧波，觀察其波形發(fā)現(xiàn)它與250kVAA品牌APCUPS電源輸入波形較其類似。另外，其總輸入諧波電流畸變很大，較高的一相達(dá)到47.6%，尤以5次諧波為主(43.6%)，7次諧波次之(17.2%)且輸入功率因數(shù)很低，僅為0.77。對比混合濾波器**的檢測數(shù)據(jù)可知:輸入電流波形呈現(xiàn)光滑完好的正弦波，輸入總諧波畸變在4.4%以內(nèi)，3次諧波含量相比略大(3.6%)，其余各次諧波含量都很小。有源濾波器對諧波的抑制過程可以理解為:由有源濾波器產(chǎn)生以下這種波形的電流，即整流器所需波形的電流減去電網(wǎng)波形電流，總而言之，由有源濾波器提供諧波電流，而非電網(wǎng)提供。但是，由于有源濾波器自身無法產(chǎn)生任何電能，必須以消耗電網(wǎng)電能的方式來進(jìn)行諧波補(bǔ)償，所以，有源濾波與APCUPS電源配合使用時具有效率不高的缺點。


3 比較和總結(jié)整流、濾波方式輸入總諧波畸變輸入功率因數(shù)優(yōu)點缺點

6脈沖SCR整流很大較低諧波畸變嚴(yán)重

12脈沖SCR整流+30°移相變壓器+11次諧波濾波器較小高諧波抑制效果較好移相變壓器諧波抑制效果不如輸入隔離變壓器

12脈沖SCR整流+輸入隔離變壓器+11次諧波濾波器+13次諧波濾波器很小較高(1)輸入總諧波畸變很低(2)功率因數(shù)較高(3)可靠性高、技術(shù)成熟(4)相對成本低體積較大

IGBTPWM整流小較低(1)對諧波有一定的抑制效果(2)功率因數(shù)較高(**負(fù)載率較高的情況)目前無法生產(chǎn)高功率IGBT整流器

6脈沖SCR整流+混合濾波器較小較低諧波抑制效果很好，輸入總諧波畸變很低(1)存在誤補(bǔ)償問題(2)可靠性不高(3)系統(tǒng)效率低(4)成本高

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