论零线故障对UPS负载的危害与防范措施

      目前UPS的发展趋势是高频化、模块化、智能化、高效率、高可用性五代技术演变。尽管各UPS厂商在设计上利用各种技术手段来努力提高UPS本身的可靠性,但在长期的实际应用中发现仍难以完全避免市电故障对UPS后端负载设备产生影响。

　　以下通过故障案例来分析零线故障对UPS负载产生的危害,以及如何采取措施防范此类故障造成不必要的损失。

零线故障案例分析

1市电输入零-火线接反对UPS负载的影响

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故障现象

　　某客户营业厅使用单进单出的10kVAUPS,后端负载为交换机、台式电脑、液晶屏。市电停电后,UPS转电池逆变供电正常,市电恢复时发现后端负载有异常声响和糊味,某些设备重启无反应。UPS一直供电正常。

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检查结果

　　现场检查UPS的输出电压和输入电压都正常,但发现零线对地线有220VAC电压,最终确认UPS的输入火线和零线接反。

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问题分析

　　由UPS工作原理可知,UPS内部输入零线与输出零线是直通的,从图1可看出,因为输入零-火线接反,输入火线IN-L对输入PE之间电压为市电电压220VAC(PE与输入零线远端相连),导致UPS输出端零线OUT-N对PE也是220VAC电压。

　　UPS如果工作在市电逆变状态,其逆变输出的220VAC会同步输入电压,在这种情况下,其输出端OUT-L对PE之间的电压很低(与OUT-N抵消)。

　　但是如果市电停电,逆变将工作在本振频率,无法同步输入,导致输出端OUT-L对OUT-N之间的220VAC与OUT-N对PE之间的220VAC相位不定,相位差可以在0°～360°之间变化。致使输出OUT-L对PE间电压从几十伏到三、四百伏间波动,最大时可达到400多伏!会直接导致负载设备的输入压敏电阻(SPD)损坏,甚至烧毁内部过流保护器件。

　　针对输入零-火线接反的故障,模拟市电停电再恢复的情况,此时测量到UPS输出端OUT-L与PE间的电压波形见图2所示。

　　从上述分析和测试可知,在输入零-火线接反情况下,UPS在市电停电后转电池逆变输出正常,只是在市电恢复后UPS自动切换回市电逆变工作时,其输出端OUT-L对PE间会出现损坏负载设备的短时过压,待同步正常后即恢复正常输出。

　　如果在输入零-火线接反情况下,又碰到零线断开,会对UPS负载设备造成什么影响呢?

　　针对输入零-火线接反情况下零线断的二次故障,进一步测试在输入零-火接反情况下,模拟UPS在市电逆变状态下零线断开后,测量到其输出端OUT-L对PE间的电压从几伏到四百多伏间来回波动。抓取到UPS输出端OUTL对PE间的电压来回波动期间的两个瞬时波形,见图3、图4。

　　根据图1可分析其原因是因为输入零-火线接反后,输入的火线经UPS内部零线直通至输出端OUT-N,即输出端OUT-N对PE间电压为220VAC,此时若输入零线断开,UPS转电池逆变且无法同步市电,导致其输出端OUT-L对OUT-N之间220VAC与OUT-N对PE之间的220VAC相位不定,相位差可以在0°～360°之间变化。致使输出(OUT-L对PE)间电压从几伏到四百伏间来回波动,最大时可达到400多伏!毫无疑问,持续这么高的波动电压会直接损坏负载设备的输入压敏电阻(SPD)、EMI等器件,直至烧毁内部过流保护器件。

2市电输入零线断对UPS负载产生的影响

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故障现象

　　某客户使用单进单出的3kVA UPS,后端负载为办公用的台式电脑、液晶屏。市电正常情况下,UPS转电池逆变供电,之后用户发现后端有的负载损坏,无法启动。

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检查结果

　　现场先检查了UPS市电输入的情况,发现前端市电正常,而UPS输入端火-零线之间没有电压。进一步检查发现UPS输入端火线、零线对地线都有220VAC电压。最后查到的原因是由于UPS电源输入端插座的零线松脱断开。

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问题分析

     从图5可看出,输入火线IN-L对输入零线IN-N间电压为市电电压220VAC,UPS内部零线与输入火线间有X电容和取样电阻等相连(A与B间的等效RC),此时由于输入零线IN-N断开导致UPS内部零线悬浮,因此UPS内部A和B处于等电位,即UPS输出端零线OUT-N对PE间为220VAC(PE与输入零线远端相连)。

　　输入零线断开后UPS转电池逆变工作,逆变处于本振状态,不同步市电。UPS输出端火线OUT-L对OUT-N间的220VAC与输出端OUT-N对PE间的220VAC的相位差可以在0°～360°之间变化。导致输出端OUT-L对PE间电压从几十伏到四百多伏间来回波动,OUT-L与PE间电压最大时可达到400多伏!会直接导致负载设备的输入压敏电阻(SPD)、EMI等器件损坏,甚至烧毁内部过流保护器件。

　　模拟输入零线断的故障,测量到其输出端OUT-L对PE间的电压从几伏到四百多伏间来回波动。抓取到UPS输出端OUT-L对PE间电压来回波动期间的两个瞬时波形见图6、图7。

3UPS输出零线断对UPS负载产生的影响

　　我国数据中心设计规范要求低压配电系统的接地采用TN系统,对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。

　　TN-S供电系统有五根线,即三根相线L1、L2、L3,一根中性线N和一根保护接地线PE,电力系统仅一点接地,用电设备的外露可导电部分(如外壳、机架等)接PE线。TN-S系统接地图示如图8所示。

TN-S供电系统中的三相UPS配电系统一般如图9所示。

　　正常情况下,UPS输出通过配电柜供给负载的三相火线对N的电压均为220VAC,N-PE间的零地电压一般小于10VAC。

　　但是,如果UPS输出端至配电柜间的N线异常断开,将导致配电柜及负载设备的零线变成悬浮的N'线(见图10),三相火线上接的所有负载设备从原来的220VAC工作电压通过悬浮的N'互相串联起来变成了三相三线星形工作方式,尽管此时UPS输出的三相线电压能稳定在380VAC,但由于各相负载功率的不平衡会导致悬浮的N'对PE电压产生飘移,严重不平衡时,N'对PE电压可高达200多伏,此时负荷轻的那相负载设备有些会因其输入电压超过300多伏而损坏,损坏后不工作又使得这相负荷变得更轻而加重不平衡度,恶性循环使其输入电压升的更高,致使更多设备烧毁。

如何防范零线故障,避免损坏UPS负载的建议

　　针对如何防范零线故障损坏UPS负载的隐患,建议可采取以下防范措施,以尽可能地避免零线故障的隐患损坏负载。

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定期检测零地电压,判断零线是否良好

　　正常情况下,零地电压小于10VAC。通过前面的故障案例分析可知,零线故障主要是“零-火接反”、“零线断”这两种情况,当然还包括零线接触不良、零线线径不够、零线谐波电流太大、火零漏电等其他情况。但它们都有一个共性,就是零线故障发生后,零地电压都会升高,前两种情况发生的零地电压基本等于火线对地的电压220VAC,后几种情况发生的零地电压与零线电阻、零线电流、谐波电流、漏电电流和接地电阻等因素有关。

　　因此,可以定期通过检测零地电压大小判断零线是否良好。若检测到零地电压异常,需仔细检查零线电压升高的来源,找到故障点即可采取合理措施排除故障原因从而有效避免零线故障的隐患损坏负载。

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尽可能选用具有“输入零-火线接反侦测”、“输入零线断侦测”等对零线故障有告警或保护功能的UPS产品。让UPS产品在关键时刻履行它自诞生起就被赋与的“保护关键负载不因市电故障而停机”这一首要光荣使命,真正实现它的意义和价值。

结束语

END

      在实际应用中,这种看起来不起眼的“零线故障”是市电故障中常见的一种典型故障,通过对以上零线故障案例的分析可知,零线故障的隐患发生在UPS前、后都会对负载产生影响,甚至直接损坏负载。

　　重要的是:无论UPS产品本身设计制造的如何坚固可靠和高效,当零线故障发生在UPS输入侧时,如果没有及时采取有效的防范措施,这个故障的隐患一旦发生必然会直接导致UPS负载瞬间损坏!　　

　　UPS技术从上世纪60年代发展到今天的50年以来,毋庸置疑,UPS产品在稳定、先进、效率和可靠等方面得到了很大提高。现市场上各大UPS厂商几乎都把研发力量用在追求产品“更高效率、更高可靠性、数字化、智能化”,并且想方设法地把这些特性作为UPS产品的主要技术优势在宣传。

　　UPS产品作为一个位于市电与负载设备中间的有源设备,它从诞生那天起就始终担负着“保护关键负载不因市电故障而停机”这一首要光荣使命。诚然,厂商将以上特性当作努力提高UPS品质的方向是正确的。但是,这些附加功能和特性只有在它优质地完成好“保护关键负载不因市电故障而停机”这项首要使命的前提之下才具有意义和价值。否则,不管厂商投入多少研发力量和资金把UPS产品设计的固若金汤,能适应各种恶劣环境工作并且保护自身不坏,但若忽略了它的首要使命,当上面所列举市电输入零线故障的隐患发生时的瞬间就把负载设备烧坏了,对于用户来说,一切都是浮云!

　　因此,综合前面的分析可知,在实际的应用中尽管采用了UPS为关键设备提供电源,并且在此基础上还可结合各种冗余供配电架构提升数据中心的供电可用性,但仍不可轻视零线故障会对UPS负载产生直接损坏的严重隐患。

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