如何设计接地电源系统

无变压器不间断电源(UPS)系统在向备用电源传输电力期间不接地运行,但稳健的接地设计可以同时满足接地和不接地系统的要求。


学习目标:

· 了解接地和未接地系统之间的区别。

· 了解未接地交流和直流电源系统的代码要求。

· 了解接地故障期间未接地系统的行为与接地系统的行为有何不同,以及如何减轻这种影响。

在任何包含关键负载的设施中,无论是与生命安全相关还是对设施运行至关重要的敏感计算机负载,设计中指定的最重要的设备之一是不间断电源(UPS),它使用存储的能量为设备供电。当正常电源中断并且备用电源启动为建筑物负载供电时,这些关键负载。

在选择UPS模块为设施中的关键负载供电时,需要做出的一个关键决定是使用带或不带输入和/或输出变压器的UPS。有关基于变压器和无变压器UPS模块的概念图,请参见图2和图3。 

 在过去十年中,无变压器UPS系统迅速普及,使基于变压器的设计黯然失色。这种转变并不奇怪,因为无变压器模块比带变压器的UPS具有许多优势。最大的优势是效率。与带变压器的UPS相比,不带变压器的UPS可以看到5%或更高的效率优势。这不仅意味着更低的电费,而且还意味着UPS所在房间的热负荷更低,从而降低了HVAC要求。

在具有大量关键负载的设施中,节省可能是巨大的。此外,与基于变压器的系统相比,无变压器UPS系统减少了每个UPS模块的重量和占地面积,减少了电气室的尺寸和结构要求,并为白色空间或建筑物的其他部分留出更多空间。

然而,基于变压器的UPS的输出变压器确实提供了一种无变压器UPS系统不可用的选项:变压器提供的电气隔离使有机会在输出端创建单独导出的中性点对地连接。UPS。在某些情况下——例如由不接地三角形服务提供服务的系统、通过高电阻接地接地的服务,或双输入UPS的两个电源可能来自两个独立电源的系统——可能需要在没有变压器的情况下在UPS处获得中性线,为UPS提供稳定的接地参考,它可以用于在其输出和直流总线上进行电压调节。

如果在无变压器UPS系统中没有派生出这样的中性线,则当UPS电池在输入电源故障期间放电且UPS输入断路器断开时,下游系统将不接地运行。在大多数安装中,UPS外部会有一个或多个下游变压器,由关键电力系统提供服务。这些下游变压器通常安装在配电单元中,在其次级侧可以导出接地系统,但在此期间,初级侧的系统部分将不接地。

大多数设计工程师都习惯于使用接地系统,即使在输入电源故障和设施备用电源系统启动之间的一般短暂过渡期间,让建筑物的一部分不接地的前景似乎令人担忧。然而,创建一个安全、稳健且符合规范的不接地电源系统相对简单,只需要对任何接地电源系统所需的接地和连接系统进行微小的修改。  

image.png

 接地与不接地

要了解未接地系统的特殊要求,首先必须定义“接地”和“未接地”的含义。系统接地是通过有意将载流导体连接到大地(即大地)或代替大地的东西来实现的。通常,这是通过将系统的中性线在电源(通常是变压器的星形连接的次级侧或发电机的定子)以及设施的主要服务断开装置处接地来实现的。因此,未接地系统是其中没有任何载流导体有意接地的系统。

image.png

2中的1

图1

image.png

2的2

图2

下一个

image.png

image.png

出于多种原因,接地系统通常优于未接地系统。接地系统稳定整个系统的电压水平,确保系统中的所有设备在相同的电位差下运行。这对于UPS尤其重要,因为它的任务是精确调节输出端和直流总线上的电压电平,而准确的电压调节需要可靠、稳定的接地参考来维持。接地系统还可以减轻雷击引起的电压尖峰,有助于防止系统中不同设备之间的电位差,并为接地故障电流提供电路,使其通过接地电路导体流回电源,从而允许过流保护装置以快速操作和隔离故障。

NFPA70:国家电气规范(NEC),第250.4条,为250.4(A)中的接地系统和250.4(B)中的未接地系统提供了基于性能的一般要求。接地系统有五个要求:电气系统接地、电气设备接地、电气设备连接、导电材料连接和有效的接地故障电流路径。

值得注意的是,250.4(B)中列出的未接地系统的四项要求与接地系统的后四项要求相似或相同。就像在接地系统中一样,未接地系统要求封装电导体或设备的非载流导电材料以及可能通电的材料通过低阻抗路径接地。这两组要求之间的重叠说明了这样一种观念,即设计一个未接地的系统与设计一个接地的系统并没有太大的不同。

要了解在电池放电期间未接地运行时NEC对无变压器UPS系统的要求,我们必须首先确定如何使用NEC语言定义该系统。当UPS输入断路器断开时,UPS不会通过任何用于接地和连接的电路导体以外的任何电路导体连接到上游电源系统,因此不会连接到供电服务。

重要的是要注意,即使在这种情况下UPS外壳和下游设备仍然可以有效地连接到电源外壳,除非载流导体接地,否则系统不被视为接地。因此,NEC将处于这种状态的系统定义为单独派生的系统,将UPS电池定义为单独派生的电源。第250.30(B)条定义了未接地的单独派生系统的接地要求。

NEC的这一部分需要三个组件:接地电极导体、接地电极系统和电源侧连接跳线。仅当单独导出的系统的源位于与第一断开装置不同的外壳中时,才需要这些组件中的后者。UPS的情况通常不是这种情况,因为UPS的输出断路器通常安装在UPS机柜中。

在接地的单独派生系统中也需要所有这三个接地组件。本质上,UPS外壳必须通过接地电极导体通过建筑物的接地电极系统接地。未接地系统中的这种连接用作未接地系统中在正常条件下不承载电流的所有导电设备的接地参考点。  

系统接地

UPS厂商对于如何保证UPS在不接地情况下保持对地参考,确保UPS稳压稳定的问题,有多种解决方案。有的厂商在UPS的输入输出滤波器的公共点推导出一个所谓的“虚拟地”来达到这个目的。这通常是标准功能,尤其是在较新的UPS型号上,但在某些情况下需要可选附件。在指定无变压器UPS时,尤其是在3相3线系统中,请注意考虑它在不接地条件下的运行方式。

管理接地电极系统和接地电极导体的规则见NEC第250条第III部分。根据NEC250.58,用于整个建筑物的相同接地电极系统也必须用于任何单独派生的系统,因此所需要的只是建筑物的接地电极和UPS外壳之间通过接地电极导体的连接. 因此,NEC250.52中列出的接地电极系统材料和250.53中列出的安装的所有正常要求都适用于这种情况。

类似地,接地电极导体的管理规则在接地和未接地系统之间没有区别。NEC第250.62和250.64条分别规定了接地电极导体的材料和安装方法。所用接地电极导体的所需尺寸必须通过NEC250.66的要求来确定,这些要求根据所用接地电极的类型、系统中最大的未接地导体或一组导体的尺寸以及接地电极的材料而有所不同。接地电极导体。

无论系统大小,接地电极导体必须始终至少与铜的#8AWG或铝的#6AWG一样大,除非被当地修正案或具有管辖权的机构(AHJ)要求取代,接地电极铜导体不需要大于#3/0AWG,铝导体不需要大于250kcmil。最后,NEC250.68涵盖了将接地电极导体连接到接地电极系统的要求。 

不接地系统

到目前为止,讨论的涵盖未接地系统的接地规则与涵盖接地系统的接地规则非常相似。事实上,如果对正常接地系统采用稳健的接地设计,并确保UPS和电池柜外壳通过适当尺寸的接地电极导体连接到建筑物的接地电极系统,则几乎所有未接地系统的要求都将得到满足当UPS将其电池放电并在电力传输期间成为不接地系统时。

但是,接地系统和未接地系统的行为之间存在关键差异,这对未接地系统提出了额外要求。当系统中发生单个线对地故障时,就会出现这种差异。

在牢固接地的系统中,(通常)中性线在电源处接地意味着当发生线对地故障时将形成一个完整的电路。这允许大量故障电流流过由故障产生的低阻抗路径,从而导致配备接地故障检测的过流保护装置(OCPD)运行并快速隔离故障。

但是,在未接地系统中,当发生单个线对地故障时,不会创建故障电流可以流过的电路。相反,故障导体只是接地,故障相和其他未故障相之间的线对线电位变为线对地电位。然而,相间电位差的值不会改变。这不会在发生时对系统性能产生明显影响,但如果故障未得到修复并且发生第二个线对地故障,这将导致双线对地故障,从而吸收更大的故障电流并可能对电气设备造成更大的损坏,并对人员安全造成更大的风险。在接地系统中,

为确保不会检测到单线对地故障,NEC250.21(B)要求未接地系统在尽可能靠近系统电源的位置配备接地检测器。接地检测器监测系统的相导体与其所连接的系统未接地部分的接地之间的电位差。如果系统中存在接地故障,它会发出视觉和/或听觉信号以提醒操作员或维护人员。然后,操作员可以启动系统的有序关闭,以便定位和修复故障。这在由UPS提供服务的系统中尤为重要,因为通常需要有序关闭关键负载,以最大限度地降低生命安全风险或业务功能中断。

例如,由于系统上存在接地故障而启动关键计算机系统的关闭可能代价高昂,但肯定会比突然断开相同计算机的电源便宜。大多数UPS系统将包含接地检测机制,但重要的是要验证包含此组件以确保符合此要求。

当系统暂时不接地时,检测接地故障尤为重要,例如当无变压器UPS因输入电源故障而对其电池放电时,因为当输入电源恢复时,它很可能再次接地。当电力恢复时,无论是通过公用电源返回还是由于发电机电源上线,UPS输入断路器将闭合,系统将再次接地。如果发生这种情况时系统中仍然存在接地故障,接地故障电流将流过故障。UPS中的接地检测器可以通过在故障电流有机会流动之前先发制人的关闭来防止这种情况。 

检测

为确保接地故障检测器可以在整个未接地系统中正确运行,重要的是验证是否符合将UPS机柜连接到接地电极系统的要求(如上所述),以及对接地电极系统的连接要求。不承载电流的金属物体,在NEC第250条第V部分中涵盖。这确保了未接地系统上可能发生接地故障的任何点都通过UPS外壳连接到接地接地电极系统,并且探测器可以准确地检测到接地故障情况。

除了对不接地交流系统的要求之外,NEC还包含对不接地直流系统的附加要求。这适用于更常见的2线直流系统,因为第250.162(B)节要求所有3线直流系统接地。当然,UPS会包含直流系统,即储能系统和输出逆变器之间的连接。NEC第250.169条列出了对不接地直流单独派生系统的要求。这些要求类似于交流系统的要求,即源外壳通过建筑物的接地电极系统通过接地电极导体接地。

但是请注意,直流系统的接地电极导体的尺寸由与交流系统不同的部分控制,即第250.166部分,该部分要求接地电极导体不小于由交流系统提供的最大导体。直流系统。然而,不同安装所需的相同最小和最大接地电极导体尺寸适用于直流和交流系统。对于大多数UPS安装,直流系统不需要特殊考虑,因为直流系统通常在电池外壳处接地,但验证给定安装的情况很重要。

如果确实需要进行特殊设计考虑,要考虑在未接地系统条件下为UPS直流部分设计接地系统的最佳实践,考虑某种类似的情况可能会有所帮助:未接地的太阳能光伏系统。

由于无变压器UPS系统变得流行的许多相同原因,未接地光伏系统并不少见。与电力传输期间UPS系统的直流部分类似,未接地光伏系统是一种未接地的直流系统,通过逆变器为交流系统供电。事实上,大多数光伏系统都将储能系统作为直流系统的一部分,就像在UPS中一样。因此,虽然它们不是要求,但NEC第690条(尤其是第III部分和第V部分)中包含的有关光伏系统的规则和评论对于考虑UPS储能系统的接地具有指导意义。

特别值得注意的是第690.15(D)节,它描述了光伏系统设备断开装置的要求。本节提请注意第210.4(B)节中的更一般要求,该要求要求断开装置必须同时断开与其连接的电路的所有未接地导体。与接地系统不同,其中中性线的断开不需要与相线的断开同时断开,在未接地系统中,所有电线必须同时断开,因为没有接地。这通常不是一个问题,但在指定保护UPS储能系统的直流断路器时需要牢记这一点。 

标签:

公司新闻

查看更多

“2021力锐斯山东电源商团拜会”成功举办

2021年06月08日

2021年“新基建”洪流奔涌,边缘计算5G等技术发展迅速,依赖于数据资源的新兴产业将进入波澜壮阔的深水区,为数据中心关键基础设施打开新的成长空间。2021年6月4日下午,力锐斯“2021力锐斯山东···

“力锐斯2021年销售动员大会”成功召开

2021年05月06日

2021年4月26日至4月29日“力锐斯2021年销售动员大会”在扬州高邮召开,在这生机盎然的时节,力锐斯公司总部领导和销售精英欢聚一堂,回顾总结过去一年的工作,对2020年度优秀销售人员进行了颁奖···

“2021力锐斯西北区渠道沟通会”成功召开

2021年03月22日

2021年“新基建”洪流奔涌,边缘计算5G等技术发展迅速,依赖于数据资源的新兴产业将进入波澜壮阔的深水区,为数据中心关键基础设施打开新的成长空间。追梦新时代,在开年之际,2021年3月14日下午···

行业动态

查看更多

什么是电容器故障

2021年10月11日

当UPS出现电容器故障时,您最初可能不会注意到,但这并不意味着UPS没有受到损害并且性能不会受到影响。在许多情况下,电容器故障会迫使您的UPS系统进入旁路,使您的关键负载得不到保护。以下是检···

当节能UPS没有您想象的那么高效时

2021年10月09日

高效的UPS有助于降低能源成本。但是,如果您仅将UPS的效率建立在其效率等级上,那么您就犯了一个巨大的错误。效率等级经常被误解,这就是为什么您必须在下次购买UPS之前了解它们的工作原理。UPS···

UPS能用多久?

2021年10月08日

没有人期望的UPS系统永远持续下去,但是当你的关键设备必须保持运行,问题是,“多久做一个UPS过去?”答案在于了解UPS的生命周期——尤其是其关键组件。您什么时候最有可能出现UPS故障?在这种···

选择您的本国语言

中文 英文