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UPS相关的交流配电系统
王其英
1、一般交流电概述
为了节能减排,交流电的来源已不再只是依靠火力发电。
水力发电已经作为第二来源多年,但水力资源终究有限,煤炭、石油和天然气是不可再生的资源,终有用尽的一天。
因此其他自然能量来源被不断开发,如原子能发电、风力发电、潮汐发电、光伏发电、光热发电、生物发电、核能发电,等等,已在逐渐全面展开,并取得了明显的效果。
作为供电系统和用电负载端在目前还都是从电网中获得交流电,再将交流电进行加工后才能用到我们的日常工作和生活中。
换言之,交流电已和我们的生活息息相关,因此对交流电的知识必须有所了解。
尤其是信息中心的规划人员、设备选型人员、设计人员和运维人员更需要清楚交流电的基本概念和基本知识。
因为概念不清而被电击的事故时有发生,更可悲的是一人触电后,另一人用手去拉,结果双双触电身亡。
尤其是节能配电的呼声日渐提高,不懂得电的性能又如何去采取节能措施。
但很可惜的是,时至今日还有许多人尤其是有些经常和电打交道的人,比如电源工程师,还不知道每天和我们打交道的电叫什么名字。
这并不是笑话,也许您觉得这不可能,不妨试一试回答下面的简单问题。
问题:
我们的电灯、电炉子等各种电器用的电叫什么名字?
不少人回答不上来,有的说是220V、交流电、50Hz的交流电、三相电,等等。
对吗?
有点对也不对。
说有点对,是说回答出了电的形式,说不对是因为还是没回答出电的名字。
实际上很简单,每天和我们打交道的电叫市电。
第二个问题是市电的含义是什么?
有的回答说城市里用的电。
那么农村里用的电是什么电?
有村电这个名字吗?
山区用的电也不能称作山电吧。
实际上市电就是收费的电,花钱买的电,“市”是买卖的意思,交易的意思。
1.1交流电的基本概念和知识
1.1.1概述
每个国家根据情况制定的一般电压制式各不相同,比如110V、115V、127V、220V、240V等,不过频率只有50Hz和60Hz两种。
比如美国、加拿大都用120V/60Hz,而欧洲多采用240V/50Hz制式,中国采用的是220V/50Hz这个制式。
这里有一个问题需要注意,由于现代交通工具的现代化程度越来越高,缩短了国与国和洲与洲之间的距离,再加之工业商业国际化,国际上的电子、电器商品出现在各国的市场上。
当然输入电压的不同一般都可以注意到,一般都懂得110V的机器电源插头插到220V的电源上要烧毁机器,220V的机器电源插头插到110V的电源上就不能工作。
但频率的不同一般人就不太注意,尤其是在使用变压器的情况下,按50Hz绕制的变压器用在同电压60Hz的情况下不会出现大的纰漏,而若将按60Hz绕制的变压器用在同电压50Hz的情况下就要烧变压器了,因为变压器的绕组匝数与电源频率成反比,即:
N-变压器绕组匝数
U-加到绕组上的电压
f-电压的频率
B-磁感应强度(对应磁通量)
SC-变压器铁心截面积
从上式可以计算出,按50Hz绕制的变压器绕组匝数要比按60Hz绕制的变压器匝数多20%,变压器的电势E又与绕组N的电感量L成正比,匝数N越多电感量就越大,即:
LuN (A-2)
能承受的电压就越高,的表达式为:
E=L△If (A-3)
式中的△I是变压器绕组上的变化量。
从这里更可以看出变压器绕组电势正比于电感量和频率。
所以频率高一些变压器绕组能承受的电压就高一些,如果输入没有那么高的电压就更没关系。
但如果频率一下子低了20%,就相当于变压器的耐压能力低了20%,就会导致电流增大20%,就算当时不烧毁设备,起码寿命是缩短了很多。
因此掌握用电设备的频率和电压同样重要。
比如从美国进口的机器供电电源是120V/60Hz,如果就简单地用变压器将我国的市电电压变出120V为这台设备供电,就会出现不良后果,甚至非常严重。
为了读者的方便,在这里将一些国家和地区的用电制式提供出来,以备参考,如表1所示。
表1世界各国家和地区用电制式一览表
目前关于电能质量相关国际标准有国际电工委员会(IEC)标准,欧盟EN50160标准,以及美国IEEE标准。
国际电工委员会是总部设在日内瓦的国际性组织,IEC的标准和EN50160标准几乎等同。
IEEE的标准现在主要是美、加等国采用。
前已提及美国的电压等级是120伏,频率60HZ欧盟各国的电压等级是240伏,频率50HZ。
可见我国的电压情况更接近欧洲。
实际我们在用电过程中实测,电压基本都在230伏左右。
这就是为什么国标多采用IEC的原因。
IEC的权威性是世界公认的,当然,需要根据中国的情况进行转化。
据悉,我国已在2005年底前完成对IEC标准的转化工作。
1.1.2市电的称谓与含义
我们日常生活中所见到的从电网输送到各地的电称作市电,市电的含义就是花钱买的电,“市”的含义就是买卖的意思。
市电由发电厂的发电机发出,我国目前的市电来源主要是火电。
所谓火电就是火力发电厂,其燃料主要还是煤炭,有的少数用油,大约1kg原煤发出一度电。
由于煤和油的储量有限,加之发电过程中需要排放二氧化碳和二氧化硫,对空气污染严重,所以核能发电站已开始被重视。
另外风能发电、光伏发电、海潮发电、生物发电等也在各地纷纷采用,尤其是风能发电和光伏发电近年有很大发展。
一般火力发电和核能发电都是采用三相发电机,发电机绕组在空间的位置按相位差120°平均排列,如图1(a)所示,因此发出的电压在时间(相位)上也相差120°图1(b)示出了三相电压的矢量关系。
从图中可以看出,按顺时针方向相电压UOB落后于UOA120°,UOC落后于UOB120°,UOA落后于UOC120°。
这个关系一直保持到最终用户。
1.1.3相电压和线电压之间的关系
交流电分相电压和线电压,他们在数值上有很大差别。
如果此二者分辨不清楚就会在使用中出现纰漏,甚至导致事故。
相电压:
从图1(a)可以看出UOA,UOB和UOC有一个公共电O,这就是中性点,由此引出的导线(电缆)称为中心线,也称中线或零线。
有一个公共点的电压UOA,UOB和UOC三个电压称为相电压。
线电压:
从图1(b)可以看出,从发电机发出的三个相电压是相位相差120°的相等值。
在三个相电压的顶部用直线相连构成了一个三角形,于是又形成了三个电压UAB,UBC和UCA,称作线电压,即两个相电压构成了线电压。
由初级几何可知,三条中线(相电压)相等的三角形是等边三角形,所以三个线电压也是三个相位相差120°的等值电压。
这个关系也一直保持到最终用户。
由此可得相电压和线电压之间的关系是:
一般最终用户使用的多是3×220V/380V规格,即相电压是220V,线电压是380V,符合式
(1)的计算。
至于风能发电、光伏发电、海潮发电、生物发电等用的最后输出机构不是旋转发电机而是电子逆变器,为了并网的需要电子逆变器也按照旋转发电机相位使三相电压各自以序相差120°,相电压和线电压之间的关系也遵从式
(1)。
1.2我国的一般用电标准
1.2.1电压的选取
如前所述,我国采用的是IEC标准,到用户的电压220V/380V也属于230V/400V范畴。
这也就是为什么有些国外进口UPS的输出电压调整到230V/400V的原因。
比如APC就一直将输出电压调整到230V/400V。
220V/380V是指在三相四线制供电系统中的相电压UAN、UBN、UCN和线电压UAB、UBC、UCA。
图2所示,相电压是UA、UB、UC和零线N之间的电压。
即UA、UB、UC火线和零线之间的电压。
线电压是指UA、UB、UC之间的电压,即是各火线之间的电压。
要求电压的高低与输送功率有关,输送一定的功率,电压高电流就小,需要的铜材就少,线路上的压降小,损耗也小。
规定线路压降不能大于±,但电压高不安全(美国用110V,他们用的电线就要粗了,用铜多,但安全一些)。
我国用220V,节省材料。
一般电气设备通用的输入电压范围是220V(1+10%)~220V(1-15%)。
由于PWM技术的应用,使得很多电子设备的输入电眼范围有很大提高,但是由于制造成本和市场竞争的原因,在一些元器件上的档次有所降低,因此输入电压范围一般不敢超过220V(1±10%)。
1.2.2频率的选取
频率与发动机转子转速有关,对于两极发动机50Hz就是说发动机转速为3000转/分,频率太高对发动机技术要求高。
但频率低,变压器就要大一些,互感器要大一些。
线路电抗就大等。
美国用60赫兹。
我国的市电频率就是50Hz。
我国规定的电压频率精度是50Hz±0.2Hz,对于一些小型发电厂,比如石化企业有的有自己的发电厂,其电压频率的精度规定为50Hz±0.5Hz。
三、对220V插座三个电极的辨认
往往有这种情况,或者单个插座或者PDU组合插座,有时弄不清楚哪是火线哪是零线,于是就出现了“左零右火”的经验说法,这种说法有没有普遍性呢?
图3示出了插座的几种安装方法。
图3电源插座三极的辨认方法
图3(a)中表示的是两极插座,上面的一个的位置正好是两极在水平位置上,所以“左零右火”的经验说法就用上了;但下面一个的两极在垂直位置上,“左零右火”的经验说法就不适用了。
再看图3(b)表示的三极插座的位置,左上角的一个适用“左零右火”的经验说法,而左下角的一个就安装反了,如果让采用“左零右火”的经验说法,正好得到相反的结果,实际上左边是“火”而不是“零”。
如果是右边的两个安装位置就更无法下手,因此“左零右火”的经验说法没有通用性。
为了正确认定极性,就必须用科学的方法。
在三极插座中有一个极是容易辨认的,就是夹在两个斜孔之间的那个竖直孔,那个极就是“地”,从低级开始顺时针划弧线,遇到的电极的顺序就是“火”“零”“地”。
这样一来,无论插座的位置角度如何变化都不会认错极性。
有一点需要注意的是,图3(b)表示的是三极插座而不能称作“三相”插座,一般三相插座的含义就是380V。
四、电源两极插座火线与零线的辨认方法
往往有这种情况,一个两极或三极插座摆在面前,如果没有上面的顺时针旋转寻找法,如果是两极插座,即使会顺时针旋转寻找法也用不上。
又没有试电笔,在只有一个万用表的情况下,也可找出火线。
图4电源两极插座火线的辨认方法
方法是这样的,如图4所示,将万用表旋到电阻档的兆欧最大档。
而后将任一表针插入电源插座其中一个孔中,另一只表针握在您的手中,如图所示。
这时如果的指示为零,就表明这个极是零线(或地线),如果指示有数字,就说明这个极是火线。
可能您会问会不会挨电?
可以说任何感觉都没有。
原因是电流是微安级的。
五、三相四线制用电时断零线的危害
断路器在配电中比比皆是。
是构成PDU的主题器材,不论是单极、双极、三极和四极都有应用,尤其是在信息中心列头柜中前三种是常见的。
但第四种也并非绝无仅有。
有的配电规划设计者为了所谓人身的安全也习惯将零线通过开关控制,说这样火线和零线一起断就会起到保护作用,如图5所示就是其中的一种。
图中两火线UA、UB,UB、UC,UC和UA之间的电压是380V;火线和零线之间的电压UAN、UBN、UCN是220V。
三个负载ZA、ZB和ZC是就跨接在220V上。
换言之,ZA、ZB和ZC就代表三相的用电设备。
图5四极断路器的连接接线图
上述电路看起来很合理,殊不知隐藏着隐患。
从图上可以看出,对应相电压UAN、UBN、UCN的每个开关触点断开都会导致设备因断电而关机,但不会有什么危险。
然而零线N的断开有时就会导致严重事故甚至烧毁设备。
在零线断开时用UA、UB作例子来做一个计算,由于零线的断开使得ZA、ZB没有了原来的回路,这时只好形成线电压UA、UB之间的串联关系。
现在UA、UB之间的UAB=380V。
ZA和ZB和进行分压,即
如果ZA=ZB,两只分得相等的电压380V/2,这时是否设备能正常工作,要取决于设备本身对输入电压的范围设定值。
但如果两个设备阻抗相差甚远,比如ZA一路只开了很少的设备,这一路的阻抗是ZB的8倍(设备开得越少阻抗越大),这时ZA一路分得的电压就是:
这时接在线电压UA、UB之间的对应ZA的开机设备会统统烧毁!
此种情况在多处出现过。
在实际中不一定阻抗一定要相差这么悬殊,比如ZA=3ZB,代入上式:
这个值也足以烧毁220V的用电设备。
在零线通过开关连接时出现零线断开的情况并不少见,这主要表现在下列几种情况:
断路器在闭合工作时,对应零线的触点松动。
好像“无缘无故”出了故障,找不到原因;
断路器合闸瞬间对应零线的触点比其它触点闭合的晚;开机后发现设备已损坏而找不到原因;
断路器关机瞬间对应零线的触点比其它触点断开的早。
下一次开机时发现设备因损坏而无法运行,也找不到原因。
2电缆的选择
2.1一般电缆截面积的计算
电缆分直流和交流两种用法,一般像计算机房的电缆为塑料外皮,比如像PVC、PE这类电缆的长期工作温度规定不要超过70℃。
但电缆在交流应用中由于交流中有谐波分量和原来的交流可是电缆功耗加大,而输送直流时就少了这些附加成分,效率就高,因此寿命就长。
即同样规格的电缆在同样的温度条件下直流通流量比交流大,或在同样电流的情况下直流应用时的寿命长。
经常会碰到这样的问题,一个设备买来了,用多大的电缆合适?
如果产品说明书上有规定就简单了,如果没有如何来选?
即使产品说明书上有推荐值,是否就绝对正确?
这就牵涉到选择电流密度的问题。
每平方毫米(mm2)取几安培(A)合适?
有的说每平方毫米(mm2)取5安培(A),即5A/mm2,对吗?
为何不同UPS厂家给出的电流密度不尽相同?
哪一个对?
规范地说,电缆截面积对某一特定负载来说不是固定的,它和所要求的线路压降有关,用下例说明。
例:
如图6所示,设UPS到10kVA负载输入端的电缆长度为50m,UPS输出端电压电压是220V,沿路压降为10V。
问需选多大截面的电缆?
解:
1.根据欧姆定律首先计算出负载阻抗Z:
图6UPS到负载的电缆示意图
2.由此算出流经电缆的电流I:
3.两条线50m,每条允许降5V,于是就可算出电缆电阻R:
这是50m×2=100m的电阻,所以每米的电阻应是0.002Ω=2mΩ
4.算出电缆截面积
根据电阻公式
式中:
—铜的电阻率1.671.6910-2.mm2/m(20℃)
l—电缆长度,单位米(m)
S—电缆截面积,平方毫米(mm2)的铜导线电阻为
将式(9)变换一下,求出电缆截面积S:
所以电缆选8.4mm2截面积的电缆即可满足要求。
选标准值10mm2的电缆,这时的电流密度为47.6A/10mm2=4.76A/mm2。
如果从UPS到负载的距离是5m,根据上面的计算,其电流密度就是47.6A/1mm2=47.6A/mm2。
当然实际应用中都不会选这样细。
这只不过是举一个例子,当然选更大截面的电缆更好。
这还得从效果与价值之间的衡量而定。
2.2如何用查表法选择电缆
如何根据计算结果来选择电缆,因为计算得出的结果并不一定适合选择的标准,这就需要在选择时选取和计算值相近的标称值。
一般选择比计算值大的相近标称值为宜。
各种电缆在其产品铭牌上都有每千米多少欧姆或每百米多少欧姆的标注,这就方便了用户的使用选型。
比如表2表示的就是0.6/1kV单股PVC绝缘PVC护套电力电缆,在该表的最右面就是
在20℃时每千米的最大直流电阻值,比如在1×10mm2的一栏中,每千米的直流电阻值是1.83Ω,和上面例子算得的每100米0.2Ω基本一致。
表6.2只是为了说明电缆产品中都有电阻值的标注,在时机选择中电缆产品的品种很多,不必局限于表中的规格,因为表中的vv和viv都属于不能承受外力的品种,实际应用中根据实际需要可到网上去查。
表20.6/1kV单股PVC绝缘PVC护套电力电缆
3防雷器与断路器的选择
3.1交流配装置
供电和配电是紧密相连的,在任何用电的地方,不仅需要供电系统,而且还需要配电系统。
比如小到一家一户的配电箱、配电盘,大到一个中心的配电柜,供电和配电是分不开的。
当然有的UPS本身就具有配电功能,比如120kVA的模块化结构UPSARRAY3A3系列,如图7(a)所示,它是在同一个电源柜中安装了PDU。
图7几种配电柜(PDU)外形
但有时由于条件的需要,比如UPS和IT设备不全部在同一个房间或同一个楼层,或者其他原因等等,这就需要另外配置配电柜。
根据不同的需要有的和机柜并排放在一起,有的需要靠墙放置,还有的需要挂在墙上等等,图7中的(b)和(c)就是其中两种。
配电柜根据各种不同的需要还可以做成各种各样的形式和外形尺寸,尽管如此一些区别,但其内部的构成部分却大同小异。
一般包括下述几个部分:
开关系统、防雷器系统、指示和测量系统、输入输出连接系统和监控系统。
图8示出了一般配电柜PDU的构成原理图。
图8一般配电柜构成原理图
图9ZYSPD...K385B/4系列ZYSPD...K385B/...系列防雷箱和防雷器外形
3.2防雷器的参数与安装简述
防雷器的安装是根据当时的实际情况来决定的。
图中输入是一个TT系统的例子:
N线(中线)只在变电站变压器的中性点接地,它与设备的保护接地是严格分开的,因此在选用防雷器时需要在相线与N线,N线与地线之间进行保护。
此时比如可选ZYSPD40K385B/3+NPE、ZYSPD20K385C/3+NPE。
这是一种箱式防雷器,就是说意见上述的四个防雷器集中在箱内,用户只需将引出的带有标志的端子和相应的相线、零线及火线连接上就可以了,这在使用上是很方便的,图9就是这种防雷箱(也称浪涌吸收器TVSS)的外形图。
其它品牌的防雷箱外形与此相差无几。
该电源防雷箱广泛用于低压电网中电气设备的防雷、过电压保护,安装于雷击区域0B-1区。
-放电电流大(60kA),响应时间快(≤25ns)-箱内采用60kA~40kA模块式防雷保护器,安装维护简单、方便-配有正常(绿)和故障(红)指示灯、雷电计数器为了使读者对防雷器的指标有一个感性的认识,就将上述的防雷器系列参数介绍如表8.2。
一、防雷器的技术参数
为了选择防雷器的方便,现把几个技术参数作一个大略解释:
1.标称电压(UN)
这是设备正常工作时的标准电压,这里的230V/50Hz说明该规格防雷器两端的电压在我国最好工作于220V/50Hz的相电压,不要错接到380V/50Hz的线电压上去。
2.额定电压(最大持续工作电压UC)
尽管标称电压是230V/50Hz,也可以工作于385V正弦交流电压,就是说用在线电压也未尝不可,因为对于能抑制几千伏高压的防雷器来说,差上100V左右不算什么,所以甚至可以工作在500V的直流电压,因为385V正弦交流电压的分子电压值已接近550V,保险一点说可以工作在直流500V。
不过最好还是按标称电压工作保险一些。
表3ZYSPD...K385B/4系列ZYSPD...K385B/...系列防雷器
技术参数
3.额定放电电流Isn和最大放电电流Imax(8/20μs)
这个字的含义就是在雷电流脉冲宽度为8/20μs时,如果防雷器由于击穿而流过的电流在此二值之间(即IsnImax)时,防雷器不会损坏,如果电流大于Imax值,防雷器就会因损坏而断开,失去作用。
这是如果雷电波的宽度不太宽,即接近8/20μs时,负载将会得到保护,否则负载会由于承受雷电剩余的高压而损坏,因此有时需加二级防雷或三级防雷。
4.电压保护级别Up(820μs)
加装防雷器的目的就是要将几千伏的雷电压幅度压低到用电设备可以接受的水平,由于防雷器是一个非线性器件,虽然击穿特性比较好,但由于通过的电流非常强大,在不同的电流下仍有不同的电压值,一般称此时的电压为残压。
在8/20μs把通过5kA电流是的防雷器两端电压作为额定值,这里的指标是≤1.3kV1.5kV,在通过额定电流Isn时的防雷器压降为≤1.9kV~2.1kV,因此有时还需加二级防雷或三级防雷。
5.泄漏电流IL
这个概念的含义就是防雷器接入电路后,其两端就有了电路电压,比如220V、380V等。
由于防雷器是一个电子器件,尽管其击穿电压很高,内阻很大,但决不是一个纯粹的绝缘体,其两端加上电压后一定会有电流流过,这个电流就称作泄漏电流,只要这个电流小到一定的程度就可以认为是绝缘的。
这里的泄漏电流IL就是指在防雷器两端加最大允许电压时流过它的电流值,此处给出的是≤15μA,其工作在500V电压时的最小绝缘电阻Rmin就是:
6.响应时间tA
响应时间的含义就是在雷电波的高电压到来时,防雷器能及时击穿从而将电压降低到后面负载可以接受的水平所用的时间。
这个时间很重要,如果反应慢了就会使能量强大高幅度雷电压开始部分直接窜入后面的负载,一举将负载击毁。
如果反应很快,漏过去的部分就少,而这很少的一部分就可以被负载本身的滤波器吸收,从而得到保护。
但是反应很快是有限度的,它受器件材料和结构的限制,这里的指标是≤25ns。
7.工作温度
任何电子器件都有一定的工作温度限制,防雷器也是一种半导体器件,温度太高也可使漏电流增加、绝缘降低和耐压降低;温度太低会使反应速度降低。
如果工作温度超过了表中给出的-40℃+85℃,就需附加另外的防护措施。
二、防雷器的连接与防护等级
1.连接导线6~25mm2多股导线
这个项目似乎有些多余,实际不然。
这里给出的导线截面积是针对这个规格的防雷器给出的,而多股导线的要求却非常重要。
因为雷电波脉冲模型的宽度是820μs,其对应的频率是12.550kHz。
为了有一个量的概念,取长度额为1m,截面积为6mm2的上述导线,那么导线截面积为6mm2时的导线直径d为:
将此直径值代入直圆导线的自感公式得出:
式中:
L0—导线的自感量,这里得出的是0.38H。
l—导线长度,cm,这里取的是100cm。
d—导线直径,cm,这里算得的是0.28cm.
就是这样一段导线对应50kHz频率时的感抗为:
在5kA时的压降:
U=120mΩ×5kA=600V(14)
这是一个很可怕的数字,这才仅仅是自感的部分,如果再加上电阻部分就会还要大。
软铜的电阻率在20℃时为0.0172mm2/m,其电阻温度系数为0.00393Ω/℃,根据此电阻率可计算出上述1m导线的电阻是0.002752Ω,即2.572mΩ,此值看起来很小,与120mΩ的感抗相比似乎微不足道。
但高频电流在导线中传输时还具有趋肤的特性(也称集肤效应),就是说高频电流在导线中流动时有向导线表面集中的特性,频率越高这个效应越明显。
是电流都集中在导线的表皮,其中心未被使用,这就极大地减小了导线的截面积。
为解决此问题一般就将许多截面积很小的细导线并联使用,就是所谓的多股导线。
这样一来每一股导线都得到了有效的利用,所以整条导线也就物尽其用了。
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