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在線式UPS應用中的誤區以及過電壓防護


  在在線式UPS实际应用中,经常会遇到这种情况:明明是晴空万里,感觉不到任何雷电的现象,在線式UPS内置的“防雷器”却损坏了。用户说是在線式UPS机器质量有问题,可在線式UPS本身却仍然可以继续正常工作。如果附近没有重型的动力设备,要想用“操作过电压”来说服用户,恐怕也不太容易。事实上,国外对此类普通低压配电线路上的各种电压浪涌情况,也有不少统计和报道。例如美国的一则统计表明:在10000小时内,在线间发生的各种电压值浪涌的次数,超出原工作电压一倍以上的浪涌电压次数达到800余次,其中超过1000V的就有300余次。

  不少用户出于对相关规定的考虑,要求在線式UPS电源在较低价格的条件下,也要配置“防雷器”,个别厂家为了“满足”用户要求,随便装个小压敏电阻也称作“有防雷”。事实上,一般小通流容量的压敏电阻只能具备一定的过电压防护作用,如果确实需要防雷,就必须考虑足够的通流容量器件及相关的成本。在線式UPS作为供电系统,必然存在来自多个方面的线路连接,包括市电交流输入、在線式UPS交流输出、通信接口等。严格来说,这三个端口都应设置过电压防护。本文主要讨论交流端口的操作过电压防护问题。在線式UPS的过电压防护包含两重的意义:一方面,来自外部的各种浪涌或电压尖峰对在線式UPS构成一定影响,需要进行防护;另一方面,这些浪涌或电压尖峰有可能透过在線式UPS影響到負載,必要時也需要進行防護。

  配置大型在線式UPS的数据中心或控制中心,其所在的建筑物或机房一般都具备比较完善的整体防雷系统,到达UPS端的过电压残值不高;而小UPS的使用环境则比较差,除了防雷,还要考虑对周边电网上的操作过电压的浪涌冲击防护。过电压防护措施的效果和成本与其器件和方案的选择有着重要的关系。选择较低动作电压和较大通流容量的SPD器件可以降低其残压,但动作电压太低会由于电源的不稳造成SPD器件频繁动作而提前失效,通流容量较大则造成防护成本过高。通常情况下,小容量在線式UPS主要还不是考虑防雷,而是对电源操作过电压的防护。

  在早期的设计中,出于成本考虑,小在線式UPS与其他普通电源产品类似,一般是在220Vac输入EMI上采用14D471的氧化锌压敏电阻(MOV)进行过电压防护。一般的14D471压敏电阻产品,其通流容量大约在6kA(8/20μs,一次)以下,这在电网稳定的地区没有问题,但是在电网不稳定的地区,采用14D471的压敏电阻是比较容易损坏的,这是由于操作过电压浪涌与雷电浪涌相比,幅度虽然较低,但持续时间较长,而且呈周期性,这对于通流容量较小的压敏电阻来说,吸收浪涌的热量连续积累而来不及散发,是非常容易损坏的。

  一種方案是增加MOV的通流容量,例如選用20D471、25D471甚至32D471的MOV器件,使通流容量提高到10kA至25KA(8/20μs,一次)左右。這樣,既能夠承受較長時間或周期性的過電壓能量瀉放,也能夠令線上的殘壓保持在較低水平。不過,這會使防護成本大大增加(數十倍的增加)。另一種方案是增加MOV的動作電壓,例如選用14D561或14D621等MOV器件,使動作電壓從470V提高到560V或620V。這樣,在不改變通流容量的情況下,大大減少了MOV的動作機率和瀉能時間,而又不增加成本。不過,這會使線上的殘壓有所提高。

  氣體放電管(GDT)是一種新型的適合采用的SPD器件,由于其價格也還比較便宜。與MOV相比較,GDT具有如下重要的特點:GDT比之MOV具有較好的重複放電特性,不易損壞。MOV是箝位型元件,而GDT則是短路型元件。一旦GDT動作之後,呈近似短路的低阻狀態,其短路動作將可能持續半個周波(10ms)左右,直至過零點時才能中斷。因此,氣體放電管一般需要與短路保護器件(例如保險絲或斷路器等)配合使用。GDT的動作電壓精度較MOV要低,通常MOV的動作電壓精度爲±10%,而GDT的動作電壓精度爲±20%。對于戶外型在線式UPS,由于雷電浪湧及操作過電壓頻繁,考慮到短路保護器件的恢複並不方便,一般不宜直接采用氣體放電管作過電壓防護器件。

  由于MOV和GDT具有不同的性能特點,其應用也有較大差異。理想的過電壓防護器件要求漏電流小、動作響應快、殘壓低、不易老化等,而現有單一器件並不能完全符合要求。爲了結合兩種器件的特點,可以將兩種器件進行組合使用,以發揮器件各自所長。兩種器件串聯使用的方式,MOV的漏電流比GDT要大,而GDT則不存在該問題;但GDT則存在跟隨電流的問題,與MOV串聯使用後,MOV對其具有一定的限流作用,並可以及時地中斷跟隨電流。在實際應用中,還可以改進,在放電管兩端並接電容器。發生電湧時,電容器初始充電狀態相當于短路,令MOV率先導通,同時電容器又作爲GDT的蓄能元件;電容器充電完畢,GDT導通並形成電容器的放電回路。
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