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      數(shù)據(jù)機(jī)房UPS輸入/輸出及電涌過電壓防護(hù)設(shè)計(jì)

      2015-02-18 04:09:34郭德盛
      現(xiàn)代建筑電氣 2015年8期
      關(guān)鍵詞:箝位電涌市電

      郭德盛

      (上海信盛電訊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)有限公司,上海 200086)

      0 引言

      一般中小型數(shù)據(jù)機(jī)房電源按一類負(fù)荷配電,其設(shè)計(jì)要求應(yīng)符合A級(jí)或B級(jí)機(jī)房要求,應(yīng)采用在線不間斷電源(Uninterruptible System Power,UPS)為數(shù)據(jù)機(jī)房提供穩(wěn)定的高可靠性輸出配電。因此,UPS設(shè)計(jì)取值、輸入與輸出配置及瞬態(tài)電涌抑制是數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)的核心問題。

      1 UPS構(gòu)成及容量選擇

      1.1 基本功能

      UPS安裝在市配電柜和負(fù)載配電柜之間,可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在市電停止之后繼續(xù)工作一段時(shí)間,使用戶不致因停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)。UPS在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中主要起到兩個(gè)作用:應(yīng)急使用,防止突然斷電而影響正常工作,給計(jì)算機(jī)造成損害;消除市電的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等電源污染,改善電源質(zhì)量,為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。

      1.2 電氣構(gòu)成

      UPS電氣構(gòu)成如圖1所示。

      圖1 UPS電氣構(gòu)成

      UPS主要由濾波單元、整流單元、逆變單元、靜態(tài)開光單元和電池組單元、隔離變壓器等組成。

      濾波單元消除市電輸入U(xiǎn)PS中的瞬態(tài)尖峰,保持電壓平穩(wěn)。整流單元是將交流轉(zhuǎn)化為直流的裝置,有兩個(gè)主要功能:將交流電變成直流電,經(jīng)濾波后供給負(fù)載或供給逆變器;給蓄電池提供充電電壓。因此,整流單元同時(shí)又起到一個(gè)充電器的作用。逆變單元是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置,由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。靜態(tài)開關(guān)單元是由兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān),當(dāng)逆變器過載或不能正常工作時(shí),實(shí)現(xiàn)把負(fù)載不間斷地切換到旁路上。

      蓄電池組單元(CB)是UPS用來儲(chǔ)存電能的裝置,由若干個(gè)電池串聯(lián)而成,其容量大小決定了維持放電(供電)的時(shí)間。主要功能:當(dāng)市電正常時(shí),將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部;當(dāng)市電故障時(shí),將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負(fù)載。

      隔離變壓器能平衡不平衡載荷對(duì)輸出的影響,有效抑制計(jì)算機(jī)類非線性負(fù)載引起的輸出電壓。

      圖1中,UPS工作主要有三種狀態(tài):

      (1)S1、S4閉合,UPS正常工作。

      (2)過載或UPS故障,S2、S4閉合,旁路輸出。

      (3)S3閉合,維護(hù)旁路,便于UPS送修。

      1.3 UPS取值

      電池一般按后備15 min~4 h選取。UPS容量標(biāo)示值為視在功率S=3W/cosφ,其中W為數(shù)據(jù)機(jī)房載荷之和,功率因數(shù)cosφ一般取0.70~0.75,冗余計(jì)算值一般取3,即設(shè)計(jì)功率為S/3。一般取三相四線制供電,易達(dá)到荷載均衡,減少配電電纜面積。

      2 UPS輸入/輸出設(shè)計(jì)

      2.1 雙路單投自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)

      中心機(jī)房的整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)是由兩個(gè)獨(dú)立變壓器輸入的市電1、市電2、雙路單投自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Automatic Transfer Switch,ATS)組成,以支持機(jī)房的動(dòng)力設(shè)備、氣體防火系統(tǒng)及UPS在ATS輸出并連接入電涌保護(hù)器(Surge Protective Device,SPD)共同組成的雙輸入供電系統(tǒng)。ATS自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)如圖2所示。如果市電產(chǎn)生故障,ATS能在較短的時(shí)間內(nèi)(80~100 ms)自動(dòng)切換到備用電路操作,同時(shí)UPS輸入電源會(huì)出現(xiàn)短暫的停電事故,在線式UPS無中斷,后備式UPS設(shè)備能在4 ms內(nèi)對(duì)設(shè)備恢復(fù)供電,服務(wù)器不會(huì)中斷。

      圖2 ATS自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)

      2.2 UPS與市電靜態(tài)切換系統(tǒng)切換輸出供電系統(tǒng)

      將靜態(tài)切換系統(tǒng)(Static Transfer System,STS)安裝在負(fù)載設(shè)備前端,當(dāng)UPS失效當(dāng)機(jī)時(shí),利用STS不間斷切換市電功能來保證電源設(shè)備的供電。UPS與市電STS切換如圖3所示。對(duì)于制造業(yè)公司小型數(shù)據(jù)機(jī)房,STS解決了預(yù)算少、機(jī)房場(chǎng)地緊張、不可能購(gòu)買雙UPS冗余的難題。

      圖3 UPS與市電STS切換

      將雙總線系統(tǒng)中的某路電源作為優(yōu)選電源提供給用電設(shè)備,并實(shí)時(shí)對(duì)兩路交流電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前供電電源出現(xiàn)異常,可以自動(dòng)將用電設(shè)備在極短的間斷時(shí)間內(nèi)切換到另一路備用電源上,從而給設(shè)備提供穩(wěn)定、不中斷的交流供電。

      STS切換時(shí)間<1 ms,切換方式是先斷后合,因此兩電源在切換時(shí)的相位差甚至可以大于180°,因此可應(yīng)用于高可靠性的不間斷供電領(lǐng)域。

      3 UPS電涌過電壓防護(hù)設(shè)計(jì)

      電涌過電壓有雷擊、太陽黑子磁暴、電路操作過電壓、靜電放電、核電磁脈沖、微波輻射、短路等7種形式。LPZ防護(hù)區(qū)劃分如圖4所示。數(shù)據(jù)機(jī)房一般位于LPZ2第二防護(hù)區(qū),主要考慮防護(hù)電路操作過電壓、短路、靜電放電。

      3.1 壓敏電阻

      采用氧化鋅壓敏電阻(Metal Oxide Varisitor,MOV)保護(hù)釋放由遠(yuǎn)距離或傳導(dǎo)雷擊而引起的電涌雷擊,一般接在UPS市電輸入前(數(shù)據(jù)機(jī)房配電端)與UPS電輸出后。LPZ3區(qū)域用于保護(hù)使用插座的單個(gè)負(fù)載而設(shè)計(jì)的防雷器,選用精確D級(jí)防雷器,可以進(jìn)一步減少雷電電磁脈沖。MOV參數(shù)取值如表1所示。MOV電壓標(biāo)稱值為1.2××220=373 V。

      圖4 LPZ防護(hù)區(qū)劃分

      一般,斷路器串聯(lián)在MOV電路上,當(dāng)MOV短路損壞時(shí)斷開電路連接,廠家推薦值為50 A,但必須小于主回路起動(dòng)值,達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

      表1 MOV參數(shù)取值

      3.2 TVS抑制操作過電壓

      在UPS的使用過程中,有時(shí)會(huì)發(fā)生STS切換(<1 ms)、UPS維護(hù)旁路合閘、用戶電路帶負(fù)荷起動(dòng)、短路等操作。感性負(fù)荷切斷時(shí),磁場(chǎng)瞬態(tài)崩潰,在負(fù)載電路中產(chǎn)生瞬態(tài)高壓,造成計(jì)算機(jī)設(shè)備及UPS損壞。

      在AC 120 V電路中會(huì)產(chǎn)生1.4~2.5 kV的瞬態(tài)峰值電壓,有時(shí)甚至高達(dá)6 kV,導(dǎo)致線路絕緣擊穿、損壞。采用瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor,TVS)保護(hù)敏感度高的設(shè)備(服務(wù)器、存儲(chǔ)及交換設(shè)備),通過高速限壓去除操作過電壓、短路、靜電放電電涌電壓干擾,作為第二級(jí)抑制峰值保護(hù)。

      3.2.1 TVS特性

      TVS具有極快的響應(yīng)時(shí)間和非常高的電涌吸收能力,使危險(xiǎn)的電壓尖峰以箝位方式(PN結(jié)的雪崩效應(yīng))來限制在電路中允許的范圍。

      瞬態(tài)電壓是不可預(yù)測(cè)的,且阻抗隨瞬態(tài)電壓而變化,沒有確定的數(shù)值。同時(shí)在器件承受很大的脈沖電流時(shí),溫度變化可造成最高箝位電壓有50%~70%的測(cè)量誤差。在低電流狀態(tài)下,最低電壓和最高脈沖峰值電流狀態(tài)下的最高籍位電壓是可以確定的。TVS箝位作用的響應(yīng)時(shí)間為10-12s,因此用來保護(hù)集成電路、MOS器件、數(shù)/?;旌想娐芬约捌渌麑?duì)電壓敏感的半導(dǎo)體元器件,可串聯(lián)或并聯(lián)在電路中。

      TVS電壓—電流特性曲線如圖5所示。由圖5可見,在瞬態(tài)峰值脈沖電壓作用下,流過TVS的電流由最大反向剩余電流ID上升到反向擊穿電流IR時(shí),其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓URWM上升到擊穿電壓UBR,TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的增大,流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPPM,但兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下。其后,脈沖電流按指數(shù)規(guī)律衰減,TVS兩極的電壓也不斷下降,最后恢復(fù)到起始狀態(tài),這就是TVS抑制電涌脈沖電壓保護(hù)電子元器件的過程。

      3.2.2 TVS主要性能參數(shù)

      (1)額定反向關(guān)斷電壓 URWM和電流 ID。URWM是最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓,當(dāng)URWM加于TVS的兩極間時(shí),處于反向關(guān)斷狀態(tài),流過的電流不大于最大反向剩余電流ID。

      圖5 TVS電壓—電流特性曲線

      (2)最小擊穿電壓UBR和擊穿電流IR。UBR是TVS的最小雪崩擊穿電壓。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí),在UBR之前TVS不導(dǎo)通。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1 mA電流(IR)時(shí),加于TVS兩極間的電壓為最小擊穿電壓UBR。按UBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,可把TVS分為 ±5%UBR和 ±10%UBR:對(duì)于 ±5%UBR,URWM=0.85UBR;對(duì)于 ±10%UBR,URWM=0.81UBR。

      (3)最大箝位電壓UC和最大峰值脈沖電流IPPM。當(dāng)持續(xù)時(shí)間20 μs的脈沖峰值電流IPPM流過TVS時(shí),在兩極間出現(xiàn)的最大烽值電壓為UC。UC、IPPM反映了TVS抑制電涌電流的能力。UC/UBR稱為箝位因子,一般為1.2~1.4。

      (4)最大峰值脈沖功耗PPPM。TVS對(duì)電涌功率和電涌電流的吸收能力取決于PN結(jié)的面積。對(duì)于TVS系列產(chǎn)品,波形峰值脈沖功率PPPM的吸收能力可以達(dá)到數(shù)千瓦,用8/20 μs波形定義。器件吸收的峰值脈沖功率是由TVS上的箝位電壓UC和流過TVS的沖擊電流峰值IPPM乘積來確定的。根據(jù)箝位電壓的不同,TVS應(yīng)用在5~400 V的電路中。

      (5)限制系數(shù)K1。它表示TVS實(shí)際承受電壓UC與雪崩擊穿電壓UBR之比,即K1=UC/UBR。在使用中,TVS的擊穿電壓UBR應(yīng)當(dāng)比被保護(hù)電路的工作電壓高出10%以上,以防止由于UBR接近電路的工作電壓而使TVS的剩余電流影響電路的工作,同時(shí)避免了由于溫度效應(yīng)引起的UBR變化。一旦瞬時(shí)過電壓出現(xiàn),TVS立即將尖峰電壓箝位到安全電壓(箝位電壓)UC,而讓有害部分的能量不經(jīng)過被保護(hù)電路,而是以電流形式通過TVS旁路掉。

      4 設(shè)計(jì)實(shí)例

      圖3中,SPD采用MOV器件,SPD1位于LPZ2、UPS前,取 In=20 kA,SPD2位于 UPS后,取 In=5 kA,SPD損壞隔離取40 A斷路器。

      選用雙向TVS抑制AC 220 V瞬態(tài)電涌電壓,計(jì)算出以下參數(shù):

      URWM=1.4×220=308 V

      UBR=URWM/0.85=308/0.85=362 V

      UC=1.3UBR=1.3×362=470 V

      PPPM=UCIp=470×20=1 000 W

      注意的是,UBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度,取±5%。

      5 結(jié)語

      數(shù)據(jù)機(jī)房中,如果主市電發(fā)生故障,ATS能在較短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換到備用電路。UPS單機(jī)與市電STS切換輸出供電系統(tǒng),將雙總線系統(tǒng)中的某路電源作為優(yōu)選電源提供給用電設(shè)備,并實(shí)時(shí)地對(duì)兩路交流電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。MOV、TVS的參數(shù)選用要符合電涌過電壓防護(hù)的要求,給數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備提供穩(wěn)定、不中斷的供電。

      [1] GB 50174—2008 電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

      [2] 李祥超.防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:氣象出版社,2010.

      [3] GB 50343—2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范[S].

      [4] GB/T 18802.12—2006 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用[S].

      [5] 陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

      [6] 郭德盛.特高壓屏蔽測(cè)試大廳弱電抗干擾施工原理與工藝[J].電子技術(shù),2014,43(11):63-65.

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