数据中心UPS上游低压配电系统 4极开关的应用问题

供配电系统22年工作经验；数据中心领域15年工作经验；注册电气工程师（供配电）；精通数据中心电气系统架构及设计理念；熟悉中低压电气设备的技术性能特点；数据中心电气系统设计方面拥有丰富的经验。从事项目的咨询、设计、实施。服务于关键电源和数据中心领域的客户。并参与了《电子信息系统机房工程设计与安装》标准图集09DX009配电列头柜部分的编写和《通信电源供配电系统设计与工程建设指导手册》中UPS及蓄电池部分的编写。

在UPS配电系统中，UPS设备位于交流输入电源和关键负载之间，其上游是交流输入低压配电系统，下游是各种关键负载。UPS在正常情况下都是以市电为输入能源，UPS将市电电源进行适当的变换和调节，供给负载稳定可靠的交流电源。当市电停电或技术指标超出预定的容限时，UPS将利用储能装置(蓄电池)继续运行为负载供电。市电长时间停电时，超过储能装置(蓄电池)后备时间，则必须起动备用发电机组供电。

在数据中心等重要应用场合，低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器，并配置一台或多台备用发电机组。为了确保UPS输入电源的供给，市电与备用发电机组之间、双重市电电源以及母联开关之间都需要进行转换。如果这些开关选用4极开关，在转换过程中间，必然涉及到中性线可能断开的问题。那么，中性线断开对UPS配电系统有什么影响呢？

UPS对其所连接的负载而言是一个交流电源,对市电电源而言是一个负载。也就是说，UPS涉及到两个低压配电系统，即上游配电系统和下游配电系统。上游接地系统是指市电至UPS输入端的低压接地系统，下游接地系统是指UPS输出端至关键负载的低压接地系统。

根据GB50174-2017《数据中心设计规范》第8.1.6条：数据中心低压配电系统的接地型式宜采用TN系统。采用交流电源的电子信息设备，其配电系统应采用TN-S系统。

图1是当前普遍采用的一类内置逆变输出变压器Tr2的双变换UPS的电路图。图中UPS的上游接地系统为TN-S，UPS的下游接地系统也是TN-S。UPS的主路输入和旁路输入均由副边为星型接法、中性点接地的市电变压器Tr1供给，UPS输出中性线和负载中性线固定接到市电电源的中性线，市电电源的中性线在低压进线柜中连接到接地极上。因此，UPS电源的输出中性线不是独立接地，而是通过上游电源的中性线接地。即UPS输出中性线是由其输出变压器产生，而中性线的基准(接地点)是从市电的中性线取得的。

图1  有变压器UPS的接地系统

图2是当前普遍采用的另一类无变压器UPS中性线连接的示意图，市电输入中性线与逆变器输出的中性点(即蓄电池的中心点)连接，其余与图1完全相同。因此UPS的中性线的基准(接地)也是通过市电的中性线接地的。

UPS中性线基准从市电输入电源的中性线取得是比较经济的方法，但UPS的中性线基准完全依赖于市电输入电源中性线的基准。

如果UPS的输入中性线断开，因各厂家UPS内部电路多种多样，部分UPS可能出现下列问题：

1. 导致部分UPS需要三相4线电源供电的整流器和其他部件的运行异常，UPS转为电池运行模式。

2. 导致部分UPS逻辑电路的参考点丢失。

在部分UPS控制电路中，中性线接地基准是用作UPS逻辑电路的参考点的，如果系统在运行时中性线接地基准断开，将会产生瞬变电压，导致UPS检测电路出现错误。例如：UPS误认为输出电压过高或过低而转旁路，或者使UPS关机等。

3. 导致EMC/RFI抑制电路的功能失效。

部分UPS中的EMC/RFI抑制电路的功能只能在预定的TN-S系统下有效，中性线基准断开后，配电系统的瞬变将可能超过EMC/RFI的抑制能力，因而影响UPS的正常运行。

4. 导致UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统。

由于UPS的输入中性线断开，UPS输出的中性线接地会丢失，因此使UPS输出配电系统从TN-S转变为IT系统。这不符合 GB50174-2017《数据中心设计规范》的要求。且IT接地系统需要绝缘监视装置（IMD）和故障定位装置对第一次绝缘故障时告警,定位并消除故障，以防止二次短路故障潜在的危险电流。但由于原TN-S系统一般无绝缘监测和告警设备，因此存在更大的潜在危害。

更重要的是，当UPS输入电源中断时，UPS运行在电池放电模式给负载供电，UPS输出三相继续带电运行，中性线接地基准的断开会使负载侧中性点偏移和三相电压不平衡，负载较轻的一相电压升高，负载较重的一项电压下降，造成负载工作异常，严重情况下甚至导致单相负载因为电压过高促使设备烧坏。（业内多处数据中心曾发生相关案例）

在数据中心，低压配电系统通常采用双重市电电源和多台变压器，并配置一台或多台备用发电机组，数据中心低压配电系统的接地型式是典型的多电源TN系统。根据国家标准GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》P25页对多电源TN系统的接地要求，对于具有多电源的TN系统（图3）和的对用电设备采用单独PE和N的多电源TN-C-S系统。应符合下列要求：

1) 不应在变压器的中性点或发电机的星形点直接对地连接；

2) 中性点或发电机的星形点之间相互连接的导体应绝缘，且不得将其与用电设备连接；

3) 电源中性点间相互连接的导体与PE之间，只在一点连接，并应设置在总配电屏内；

4) 对装置的PE可另外增设接地。

图4  公网和柴油发电机系统接地示意图

从标准规范和图集可以看出，变压器和发电机组的N线都不应在其本体处直接接地，两者的N线只在配电柜内与PE一点连接。这样从变压器或发电机出来连接到配电柜的N线应是PEN线，根据规范PEN线上是严禁设置开关断开PEN线的，所以从变压器和发电机引来电源的进线开关需设计为3极开关，变电所母联开关也可设计为3极开关。（可参见著名电气专家王厚余先生编著的《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第4节配电变电所内总开关和母联开关不需装用4极开关）形成如下图所示配电系统：

图5  配电系统集中一点接地

（引自《西门子供配电系统设计手册》）

在现代大型数据中心中，很多设计UPS系统容量已接近变压器容量，UPS的输入直接就连接到变压器出口的一级配电柜中。如采用上述低压配电系统接地型式和3极开关，将极大地避免UPS的输入中性线断开引起的问题。

上图5配电系统集中一点接地的情况比较适用于多电源相邻的情况，但现实中很多时候发电机组距离变配电所很远，如果发电机中性线还是在变配电所一点接地，当发电机端发生接地故障，会因故障点距离接地点太远造成故障电流小，不易实现故障保护动作，存在安全隐患，所以必须要有发电机组中性线单独接地的情况。配电系统存在2处接地点，如图6所示情况：

图6  配电系统2点集中接地

（引自《西门子供配电系统设计手册》）

这时，市电与油机切换的转换开关就必须用4极转换开关。为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题，建议采用中性线重叠转换开关。

图8    两电源共用配电盘，末端采用

3极电源转换开关将产生杂散电流而引起不良后果。

（引自 王厚余先生编著的

《低压电气装置的设计安装和检验》第16章第5节）

现有建筑电气设计中可以看到变电所设计时变压器出口总开关、母联开关和发电机出口总开关采用4极开关的情况，也经常看到4极转换开关采用的是中性线断开的4极转换开关。当UPS上游配电系统存在这些情况时，为了避免UPS的输入中性线断开引起的问题，建议可采用如下应对措施：

1) 对于需要中性线才能正常工作的UPS电源，建议在UPS输入端增加隔离变压器，隔离变压器二次侧采用星型连接，中性点直接接地。

图9  UPS 输入端加装隔离变压器

2) 对于不需要输入中性线也能正常工作的UPS电源，建议在UPS旁路输入端、输出端或列头配电柜增加隔离变压器，隔离变压器二次侧采用星型连接，中性点直接接地。

图12  列头配电柜加装隔离变压器

在旁路输入端加装隔离变压器的优点是不占用UPS的容量，但缺点是当切换到旁路供电时冲击电流会使电压有瞬时跌落，且距离负载如果太远，负载端零地电压可能稍大；在输出端或列头配电柜加装隔离变压器的优点是可以靠近负载，负载端零地电压小，但缺点是需要占用UPS的容量，且变压器的励磁涌流需要加以限制才能保证UPS逆变器正常运行。

无论在哪里增加隔离变压器，隔离变压器的占地和投资对用户来说都是增加建设成本。

随着数据中心建设的快速发展，UPS的应用越来越广泛，UPS装机容量也越来越大。为减小因为UPS输入中性线断开而给用户带来的损失，建议从低压配电系统的整体架构着手，UPS电源上游低压配电开关采用3极开关或4极中性线重叠转换开关为宜。