APCUPS电源BK1000Y-CH

时间：2018-05-02

APCUPS电源输出零地电压对负载的影响及改进

通过对APCUPS电源在使用过程中因零地电压过高对负载产生的危害事故案例分析,着重指出必须重视APCUPS电源零地电压和接地问题。阐述了APC UPS电源零地电压过高产生的原因及改进措施,提出APCUPS电源官网供电系统要有单独的接地线,接地电阻要小于4Ω,零地电压要小于2V,这样才能保证负载正常运行。

零地电压是APC UPS电源官网输出电压的重要技术指标,直接影响负载的稳定运行。正确处理上海APCUPS电源输出的零地电压,能有效**设备的稳定运行,提高负载工作的可靠性。

1接地的基本概念

将电气设备或用电保护装置的外壳用导线(又称接地线)与接地体连接简称“接地”。直接与大地接触的金属导体或金属导体组称为“接地体”。接地线和接地体总称为“接地装置”。

(1)对地电压

电气设备的接地部分(如接地外壳、接地线和接地体等)与大地零电位点(在距接地体或接地处10m以外的地方)之间的电位差称为接地时的“对地电压”。

(2)接地电阻

接地体对地电阻和接地线电阻的总和称为接地装置的“接地电阻”。

(3)接地体作用

接地目的是为了安全,防止电气设备损坏和保证人身安全,保证电气设备的正常运行。为了保证人身安全,所有电气设备都应安装接地装置。若该电气设备一旦因绝缘损坏或感应带电,则电流可以经过接地线和接地体流入大地,不产生危险电压以保证人身安全。

(4)接地装置的安装

接地装置包括接地体和接地线两部分。

①接地体

接地体可尽量利用自然接地体,如敷设在地下的各种金属管道,一般自然接地体不能满足接地电阻要求时,可采用人工接地体。人工接地体可采用下述方法:在地表挖长5m,深3m的沟槽,底部平铺一层粗砂,砂层上放入煤渣层,放入由钢管、角钢或铜管做成的铜排,角钢接地体一般为40mm×40mm×4mm或50mm×50mm×5mm,长2.5m以上,导电排与接地线要用铆接或焊接方式连接,然后在铺上煤渣层,均匀地撒上工业用盐,最后在平铺砂层填土压实,这样才能满足接地电阻小于4Ω的要求。禁止在地下用裸铝导体作为接地体,但可用钢管或粗铜线作接地体。

②接地线

接地线主要采用扁钢(截面积应大于48mm2)焊接,也可采用扁铜线。

③接地电阻值的测量

可以采用接地电阻测试仪,对接地装置的接地电阻进行测量,接地电阻测试仪属摇表类型。

2零线的概念

发电机和变压器的三相低压绕组采用Y型联接,连接后的中点引出的导线称中线,在三相四线制供电线路中的中线通常在变压器输出点直接接地,接了地的中线称零线,在380/220V供电线路中,相线与零线之间的电压为220V,理论上零地电压为0V。

3产生零地电压过高的原因

由于三相电流不平衡,在用户端、零地之间肯定存在零地电压。但只要把零地电压控制在2V以下,就不会对系统或者设备造成危害。产生零地电压过高的原因有以下几点:

(1)三相电源负载不平衡;

(2)接地电阻过大;

(3)零线和地线的线径太细或断路;

(4)高频谐波或电磁场*引起电位升高;

(5)使用APCUPS电源、电子稳压器等电子供电设备;

(6)用的插线板不符合电器标准。

其中**项是造成零地电压偏高的主要原因,*(5)、(6)两项是用户设备的问题,只要合理选择APCUPS电源,正确选型和配线,就不会因设备问题造成APC UPS电源输出零地电压过高。

4零地电压对负载的影响

零地电压对负载的影响,主要表现在三个方面:

(1)引起硬件故障

一般要求APCUPS电源官网输出零地电压值不**过2V。零地电压过高可能引发控制信号的误动作,造成设备的误启动和误关机。还可能造成误码率上升,丢包率增加,造成通信缓慢,传输速率下降,影响通信质量,延误或阻止通信的正常进行。

(2)烧毁设备

对于计算机设备而言,零地电压过高会导致服务器速度下降、网络交换速度降低、服务器无故关机,甚至造成硬件损坏。

(3)引发控制信号的误动作

有时,服务器在零地电压**某一值(比如2V)时无法启动。因此用户在安装设备时,厂家的硬件安装工程师在现场就会对安装环境的零地电压进行测量,一般情况下要求小于2V,大于此数值则不予加电开机。

(4)影响通信质量

零地电压有时会直接导致硬件损坏。因此,高频设备供电不仅要采用在线式APC UPS电源官网,还必须配备良好的接地系统,以保证零地电压低于2V。

5零地电压过高的改进

因为零地电压是影响上海APCUPS电源后续设备运行可靠性的重要因素,为此可从以下几方面加以控制:

(1)保证三相电力负载尽可能均衡。如果三相用电不平衡,零线上的电流就会加大,零线N两端的电压差就会直接造成零地电压过高。因此,要尽量配平三相负载,定期根据负载的使用变化进行必要的调整。此外,还可以通过增加零线截面积,从而有效降低零地电压。

(2)建立独立、良好的接地系统,尽量降低接地电阻,接地电阻不能**过4Ω。接地线和接地体要符合电力设施规范,较好请专业人员做接地线且用仪器测量,务必使接地电阻符合要求。

(3)APCUPS电源输入端零线不能装开关,任何时间不能让零线断路,特别是对APCUPS电源做蓄电池放电维护时,可断开火线但不能断开零线,否则会使APCUPS电源输入的零线悬空造成输出零地电压升高。

(4)选用零地电压值较小的美国APCUPS电源。在选购APCUPS电源时,需要考虑零地电压的控制问题。有些类型的美国APCUPS电源经过特殊的设计,甚至可以使输出的零地电压小于1V。

(5)APCUPS电源输出端加装隔离变压器。当APCUPS电源输入的零地电压不高,而输出零地电压过高时,可以采用在APC UPS电源输出端加装隔离变压器的办法来隔离输入和输出之间的电气连接,同时在隔离变压器输出的零线端直接做接地处理。

1 APCUPS电源产生的谐波

1.1谐波概念及危害

在理想的电力系统下，电压和电流波形都是光滑的正弦波，而实际上，当用电设备为非线性负载时，例如:开关型电源、电子镇流器、变速传动装置、APCUPS电源等，电流波形就会呈现非正弦波。具有基波电源频率整数倍频率的电压或电流称为谐波。通过对波形进行傅立叶级数展开可知:任何周期性的波形都可以分解成一个基波频率的正弦波和多个谐波频率的正弦波，对于对称波形，所有偶次谐波为零。

由谐波引起的危害可分为谐波电流引起的危害和谐波电压引起的危害。谐波电流引起的危害包括3N次谐波电流在中线的叠加致使配电电缆必须降容使用、变压器的损耗增大、谐波使断路器误跳闸等;谐波电压引起的危害主要包括电压畸变影响电子设备的正常运行和过零噪扰等。

1.2APCUPS电源产生谐波机理

与电力电子装置有关的原始波形几乎都是非正弦的，波形都含有谐波分量，APCUPS电源是其中的一个代表，APCUPS电源的整流方式是产生谐波的一个重要原因，在理想情况下，认为交流电源是三相对称工频正弦波电压，忽略供电电源自身的谐波，同时也不考虑脉冲桥式整流电路换相重叠角的影响，忽略直流回路电流纹波的影响并假定电路的触发脉冲对称、导通角α相等，在上述理想条件下，当装置处于稳定工作状态时，通过开关函数法将被分析波形表示成一系列已知波形与开关函数的乘积和的形式，将其中的已知波形与开关函数都展开成级数的形式，再对乘积和进行整理化简，最后将被分析的波形表示成级数的形式，以便于讨论其中谐波的级次与含量。

1.3APCUPS电源整流产生谐波的特点

APCUPS电源整流产生谐波可分为整流直流电压谐波和电源侧的电流谐波，对于多脉冲整流电路，可以得到如下结论:

对于直流侧电压:

(1)电路的总脉冲数越多，在直流端电压波形中谐波抵消得越多，直流侧电压波形越好;

(2)在系统直流侧电压中出现的谐波频率为电压脉冲数的整数倍，谐波级次n=pm。例如6脉冲电路，电压谐波频率为6m倍输入频率;

(3)谐波次数越低，谐波幅值越大。

对于交流侧电流:

(1)对于理想的p脉冲整流器，在交流侧只有下列次数的谐波电流：n=Pm±1次，式中m=1，2，3，…。各个谐波电流分量的幅值为基波电流的l/n。例如，对于6脉冲整流装置，线电流中只有5、7、11、13、17、19…等奇次谐波，其中5、7次谐波幅值分别为基波电流的1/5和1/7;对于12脉冲装置，线电流中只有11、13、23、25…等奇次谐波，其幅值也显着减小;

(2)增加整流器的脉冲数p，对减小交、直流两侧的谐波分量有决定性影响。所以，构成脉冲数尽可能大的系统是整流装置减少交、直流两侧谐波电流和谐波电压的根本措施。

本文主要就APCUPS电源整流产生的电源侧电流谐波进行分析研究。

2APCUPS电源整流滤波方式与谐波抑制关系

2.1信息中心大功率APCUPS电源分类

国家气象信息中心共有12台大功率APCUPS电源，几乎涵盖了目前市场上各种形式的大功率APCUPS电源，根据整流、滤波方式的不同，可将其分成以下几种类型，如表1所示。

整流器件整流方式隔离变压器输入滤波方式APCUPS电源典型

晶闸管(SVR)6脉冲无无120kVAA品牌APCUPS电源120kVAB品牌APCUPS电源250kVAA品牌APCUPS电源

有源滤波+无源滤波300kVAA品牌APCUPS电源

12脉冲30°移相变压器11次谐波滤波器300kVAC品牌APCUPS电源

原边：三角形副边：星形+三角形11次谐波滤波器13次谐波滤波器625kVAD品牌APCUPS电源

IGBTPWM无无120kVAE品牌APCUPS电源

2.2对6脉冲无输入隔离变压器和输入滤波器APCUPS电源的谐波分析

以250kVAA品牌APCUPS电源为代表的6脉冲晶闸管整流APCUPS电源，无输入隔离变压器和输入滤波器，通过FLUKEF434电能质量分析仪检测得到该APCUPS电源的谐波频谱分析图及电流波形，如图2所示。由图可见，输入电流波形严重畸变，A相输入电流总谐波畸变达到45.3%，其中5次谐波占很大成分，A相约为41.5%，7次谐波次之，A相约为13.9%，与前所述的APCUPS电源6脉冲整流产生谐波的特点相符，输入功率因数PF(0.79)与基波功率(位移)功率因数COSφ(0.86)的比值较大，即电流畸变因数ζ(0.92)偏离1较大，说明输入电流的畸变较严重。另外，在电流波形呈现非正弦的情况下，畸变功率D即由谐波电流产生的无功功率也是不容忽视的。

2.3对12脉冲含有移相隔离变压器和输入滤波器APCUPS电源的谐波分析

对于三角形绕组的变压器，3N次谐波全部同相，因此，3N次谐波电流在绕组里循环，不会向电网扩散，输入隔离变压器对电流谐波有一定的抑制作用。信息中心两台30OkVAC品牌APCUPS电源在原有6脉冲整流的基础上，输入端增加移相变压器后再增加一组6脉冲整流器，使直流母线电流由12个晶闸管整流完成，这大大减小了APCUPS电源的输入谐波电流。另外，C品牌APCUPS电源安装了吸收11次谐波输入滤波器，即将LC串联谐振电路的谐振点调整到55OHz，使整流电路产生的11次谐波大部分流入LC串联谐振回路，从而将流入电网的谐波电路抑制在允许值之内。为了提高电能质量测试数据可参考度的准确性，将中心所有并联冗余的APCUPS电源全部切换到单台APCUPS电源供电，这样，提高了单台APCUPS电源的负载率，使全部参与比较的几种整流、滤波方式的APCUPS电源负载率均在45%~65%之内，使比较的数据受负载率影响较小，更加具有参考性和信服度。通过电能质量分析可以得到(见图3):30OkVAC牌APCUPS电源输入总谐波畸变较小，较高的一相仅为5.2%，谐波主要以7次为主，且谐波含量较小，输入功率因数不高(仅为0.89)，基波功率因数COSφ(0.89)与总输入功率因数相等，说明电流畸变很小。

2.4对12脉冲含有输入隔离变压器和输入滤波器APCUPS电源的谐波分析

D晶牌APCUPS电源采用12脉冲晶闸管全桥整流电路，两个整流器与输入端均隔离，原边为三角形连接、副边整流器A采用三角形连接，整流器B采用星形连接，该APCUPS电源装有智能化的输入滤波器，可根据负载量决定是否投入使用部分滤波电容，对于采用12脉冲整流方式的APCUPS电源来说，输入电流的谐波主要以11次、13次为主，故该APCUPS电源滤波器设计即针对11次和13次谐波进行吸收，由电能质量分析图(见图4)可知:对于11次、13次谐波的滤波效果非常好，11次、13次谐波含量仅为0.3%和0.4%，而总电流谐波畸变也在5.2%以内，电流呈现出较好的正弦波形且输入功率因数高达0.94。D品牌APCUPS电源采用的智能化输入滤波器能有效地净化来自市电电网的脉冲、浪涌电压、尖峰电压、高频电磁*等可能对APCUPS电源造成的危害，同时也可以减小由整流器所形成的电流谐波对市电电网的谐波污染，并且提高了输入功率因数。

2.5对脉宽调制整流无输入隔离变压器和输入滤波器APCUPS电源的谐波分析

脉冲整流器是一种以脉宽调制(PWM)方式工作的整流器，与相控整流器相比具有功率因数高、谐波含量低、交流侧电流接近于正弦，以及整流器动态响应快的优点，国家气象信息中心12OkVAE品牌APCUPS电源即为采用IGBT的PWM整流工作方式的APCUPS电源，从电能质量分析图中(见图5)可以得出:在负载率为62.2%的情况下，其输入电流总谐波畸变在10.9%以内，以5次谐渡和7次谐波为主，电流波形较接近正弦波，但并不光滑，功率因数很高(0.94)，符合PWM整流的特点。但是，经过分析比较可知:PWM整流产生的总谐波畸变大于12脉冲相控整流，与传统的观点认为PWM整流"谐波含量较低"的特点略有差别。

2.6对6脉冲含有有源+无源输入滤波器APCUPS电源的谐波分析

300kVAA品牌APCUPS电源采用6脉冲整流，无输入隔离变压器，配置了有源滤波器和无源滤波器的混、合滤波器(THM)作为抑制谐波的措施，有源滤波器的基本原理是:通过检测补偿对象的电流i1，经补偿电流检算电路计算出补偿电流的指令信号ic*，该信号作为补偿电流参考值经补偿电流发生电路得到补偿电流实际值ic，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵消(ic=ih)，较终得到期望的电源电流(is=if)。300kVAA品牌APCUPS电源采用了混合滤波器(THM)，当谐渡含量较大时，有源滤波自动投入，当谐波含量较小时，采用LC无源滤波。图6和7分别为混合滤波器的原理示意图和300kVAA品牌APCUPS电源的THM示意图，图8和9分别为在混合滤波器THM后端和前端检测到的电能质量分析图，将两图分析比较可知:在混合滤波器后端测量的效果等同于直接测量6脉冲SCR整流器产生的谐波，观察其波形发现它与250kVAA品牌APCUPS电源输入波形较其类似。另外，其总输入谐波电流畸变很大，较高的一相达到47.6%，尤以5次谐波为主(43.6%)，7次谐波次之(17.2%)且输入功率因数很低，仅为0.77。对比混合滤波器前端的检测数据可知:输入电流波形呈现光滑完好的正弦波，输入总谐波畸变在4.4%以内，3次谐波含量相比略大(3.6%)，其余各次谐波含量都很小。有源滤波器对谐波的抑制过程可以理解为:由有源滤波器产生以下这种波形的电流，即整流器所需波形的电流减去电网波形电流，总而言之，由有源滤波器提供谐波电流，而非电网提供。但是，由于有源滤波器自身无法产生任何电能，必须以消耗电网电能的方式来进行谐波补偿，所以，有源滤波与APCUPS电源配合使用时具有效率不高的缺点。

3 比较和总结整流、滤波方式输入总谐波畸变输入功率因数优点缺点

6脉冲SCR整流很大较低谐波畸变严重

12脉冲SCR整流+30°移相变压器+11次谐波滤波器较小高谐波抑制效果较好移相变压器谐波抑制效果不如输入隔离变压器

12脉冲SCR整流+输入隔离变压器+11次谐波滤波器+13次谐波滤波器很小较高(1)输入总谐波畸变很低(2)功率因数较高(3)可靠性高、技术成熟(4)相对成本低体积较大

IGBTPWM整流小较低(1)对谐波有一定的抑制效果(2)功率因数较高(**负载率较高的情况)目前无法生产高功率IGBT整流器

6脉冲SCR整流+混合滤波器较小较低谐波抑制效果很好，输入总谐波畸变很低(1)存在误补偿问题(2)可靠性不高(3)系统效率低(4)成本高

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