35kV變電站UPS的選擇及使用過(guò)程中的注意事項(xiàng)

引言

UPS主要分為兩大類三種形式：一類是后備式，另一類是在線式，還有一種介于兩者之間的在線互動(dòng)式。三種形式輸出的交流電源都是經(jīng)過(guò)逆變器重新產(chǎn)生,其電壓、波形頻率由UPS本身控制，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、凈化和不間斷等功能。

一、UPS的詳細(xì)分類

UPS已從60年代的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)發(fā)展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路，并且還在繼續(xù)發(fā)展。目前，UPS一般均指靜止式UPS，按其工作方式分類可分為后備式、在線互動(dòng)式及在線式三大類。UPS按照輸出容量大小劃分為小容量3kVA以下，中小容量3kVA-10kVA，中大容量10kVA以上。UPS按輸入/輸出方式可分為三類：?jiǎn)蜗噍斎?/span>/單相輸出、三相輸入/單相輸出、三相輸入/三相輸出。單相電是指由一根火線、一根零線和一根地線組成的供電系統(tǒng)；三相電是由三根火線、一根零線和一根地線組成的供電系統(tǒng),其中兩根火線之間的電壓（即線電壓）為380V,而火線與零線之間的電壓（即相電壓）為220V。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，三相供電其市電配電和負(fù)載配電容易，每一相都承當(dāng)一部分負(fù)載電流，因而中、大功率UPS多采用三相輸入/單相輸出或三相輸入/三相輸出的供電方式。

后備式UPS在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電， 當(dāng)市電超出其工作范圍或停電時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，成本低，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定精度差，有切換時(shí)間，且輸出波形一般為方波。（見(jiàn)圖1）

在線式UPS在市電正常時(shí)，由市電進(jìn)行整流提供直流電壓給逆變器工作,由逆變器向負(fù)載提供交流電，在市電異常時(shí)，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無(wú)間斷輸出。其特點(diǎn)是，有極寬的輸入電壓范圍，無(wú)切換時(shí)間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對(duì)電源要求較高的場(chǎng)合，但是成本較高。目前，35kV變電站廣泛使用在線式UPS電源作為事故電源，以保證變電站全站停電或交流停電時(shí)可以快速切換到電池供電，保證保護(hù)裝置、遙信和遙測(cè)信息不間斷。由于UPS電源電池組始終處于浮充狀態(tài)，這時(shí)因?yàn)樵诰€式UPS電源系統(tǒng)具有對(duì)各類供電的零時(shí)間切換。（見(jiàn)圖2）

 在線互動(dòng)式UPS在市電正常時(shí)直接由市電向負(fù)載供電，當(dāng)市電偏低或偏高時(shí)，通過(guò)UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當(dāng)市電異?；蛲ｋ姇r(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點(diǎn)是：有較寬的輸入電壓范圍，噪音低，體積小等特點(diǎn),但同樣存在切換時(shí)間。（見(jiàn)圖3）

二、UPS的工作方式

1.正常運(yùn)行方式

不斷電系統(tǒng)的供電原理是當(dāng)市電正常時(shí)，機(jī)器會(huì)將市電的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而后對(duì)電池充電，以備電力中斷時(shí)使用；這里跟各位強(qiáng)調(diào)的是不斷電系統(tǒng)并不是停電時(shí)才會(huì)動(dòng)作，像是遇到電壓過(guò)低或過(guò)高、瞬間突波等，足以影響設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的電力品質(zhì)時(shí)，不斷電系統(tǒng)均會(huì)動(dòng)作，提供設(shè)備穩(wěn)定且干凈的電力。

當(dāng)市電正常供電時(shí)，市電經(jīng)濾波回路后，分為兩個(gè)回路同時(shí)動(dòng)作，其一是經(jīng)由充電回路對(duì)電池組充電，另一個(gè)則是經(jīng)整流回路，作為逆變器的輸入，再經(jīng)過(guò)逆變器的轉(zhuǎn)換提供電力給負(fù)載使用；由此可知，在線式不斷電系統(tǒng)的輸出完全由逆變器來(lái)供應(yīng)，因此不論市電電力品質(zhì)如何，其輸出均是穩(wěn)定而不受任何影響。

2.電池工作方式

一旦市電發(fā)生異常時(shí)，將儲(chǔ)存于電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，此時(shí)逆變器的輸入改由電池組來(lái)供應(yīng)，逆變器持續(xù)提供電力，供給負(fù)載繼續(xù)使用，達(dá)到不斷電的功能。不斷電系統(tǒng)的電力來(lái)源是電池，而電池的容量是有限的，因此不斷電系統(tǒng)不會(huì)像市電一般無(wú)限制的供應(yīng)，所以不論多大容量的不斷電系統(tǒng)，在其滿載的的狀態(tài)下，其所供電的時(shí)間必定有限，若要延長(zhǎng)放電時(shí)間，須購(gòu)買(mǎi)長(zhǎng)時(shí)間型不斷電系統(tǒng)。

3.旁路運(yùn)行方式

當(dāng)在線式UPS超載、旁路命令（手動(dòng)或自動(dòng)）、逆變器過(guò)熱或機(jī)器故障，UPS一般將逆變輸出轉(zhuǎn)為旁路輸出,即由市電直接供電。由于旁路時(shí)，UPS輸出頻率相位需與市電頻率相位相同,因而采用鎖相同步技術(shù)確保UPS輸出與市電同步。旁路開(kāi)關(guān)雙向可控硅并聯(lián)工作方式，解決了旁路切換時(shí)間問(wèn)題，真正做到了不間斷切換，控制電路復(fù)雜，一般應(yīng)用在中大功率UPS上。如果在過(guò)載時(shí),必須人為減少負(fù)載，否則旁路短路器會(huì)自動(dòng)切斷輸出。

4.旁路維護(hù)方式

當(dāng)UPS進(jìn)行檢修時(shí)，通過(guò)手動(dòng)旁路保證負(fù)載設(shè)備的正常供電,當(dāng)維修操作完成后，重新啟動(dòng)UPS， UPS 轉(zhuǎn)為正常運(yùn)行。極低的維護(hù)率，極大地提高UPS可用性。

三、UPS的性能指標(biāo)

1.輸入電壓范圍

即保證UPS不轉(zhuǎn)入電池逆變供電的市電電壓范圍.在此電壓范圍內(nèi),逆變器（負(fù)載）電流由市電提供,而不是電池提供。輸入電壓范圍越寬，UPS電池放電的可能性越小，故電池的壽命就相對(duì)延長(zhǎng).

2.輸入頻率范圍

即UPS能自動(dòng)跟蹤市電、保持同步的頻率范圍。當(dāng)切換旁路時(shí),UPS能自動(dòng)跟蹤市電、保持同步可避免因輸入輸出相位差開(kāi)甚至反相，引起逆變器模塊電源和交流旁路電源間出現(xiàn)大的環(huán)流電源而損害UPS。

3.輸入功率因數(shù)

指UPS輸入端的功率因數(shù)。輸入功率因數(shù)越高，UPS所吸收的無(wú)功功率越小，因而對(duì)市電電網(wǎng)的干擾就越小。

4.切換時(shí)間

由于計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源，在10ms的間隔時(shí)間能保證計(jì)算機(jī)的輸出，因此一般要求UPS切換時(shí)間小于10ms，對(duì)于在線UPS切換時(shí)間為0。

5.輸出電壓穩(wěn)定度

指UPS輸出電壓的穩(wěn)定程度。輸出電壓穩(wěn)定程度越高，UPS輸出電壓的波動(dòng)范圍越小，也就是電壓精度越高。大部分UPS的電壓穩(wěn)定度大于5%。

6.輸出電壓失真度

即UPS輸出波形中所含的諧波分量所占的比率.常見(jiàn)的波形失真有：削頂、毛刺、畸變等。失真度越小，對(duì)負(fù)載可能造成的干擾或破壞就越小。

7.負(fù)載峰值因數(shù)

指UPS輸出所能達(dá)到的峰值電流與平均電流之比.一般峰值因數(shù)越高，UPS所能承受的負(fù)載沖擊電流越大。

8.三相不平衡能力

對(duì)于三進(jìn)三出的UPS來(lái)說(shuō),若出現(xiàn)三相的每一相電流不一致，就會(huì)造成輸出電壓的不平衡。具有100%負(fù)載不平衡能力的UPS,表示該UPS允許一相輸出帶滿載，而其他兩相空載。

9.冷啟動(dòng)功能

在無(wú)市電或不接市電的情況下，直接用電池組所提供的直流電壓?jiǎn)?dòng)UPS的功能。

四、UPS 容量的確定

查閱手冊(cè)中規(guī)定，作為工作電源，UPS的容量應(yīng)按各類儀表耗電總和的1.2倍計(jì)算，考慮備用電源時(shí)，可以按1.5倍計(jì)算。UPS實(shí)際供電容量應(yīng)是所選擇容量的80%，也就是選取1.25的系數(shù)。我局16座35kV變電站及調(diào)度通信自動(dòng)化系統(tǒng)共有22臺(tái)容量在20kVA以上的UPS，這些UPS實(shí)測(cè)的負(fù)荷率都不足20%。有的運(yùn)行電流不超過(guò)2A，造成這種情況的一個(gè)重要因素是計(jì)算用電負(fù)荷不準(zhǔn)確，保安容量過(guò)大，致使UPS長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)荷的狀態(tài)下，降低了使用壽命，增加了建設(shè)投資。因此，電氣專業(yè)人員應(yīng)對(duì)儀表用電負(fù)荷情況進(jìn)行校核，系數(shù)可按1.15-1.25選取，這樣可以保證容量的選擇。安時(shí)數(shù)代表電池容量的大小。電池的額定容量指25℃，以恒定電流放電20小時(shí)至終止電壓（1.75V/單格），該電流的20倍即為電池的容量。一般用Ah數(shù)代表電池的額定容量，用Cn表示。n指幾小時(shí)放電率，這里為20。有些電池是以10小時(shí)放電率計(jì)算的，用C10表示。 例：100Ah/12V的電池指該電池以5A（0.05C）的電流恒定放電直至終止電壓10.5V，可連續(xù)放電20小時(shí)。 電池放電時(shí)間與放電電流不是線性關(guān)系，如100Ah電池以100A的電流放電，則支持不了1個(gè)小時(shí)，只有數(shù)十分鐘。如以1A的電流放電，則會(huì)超出100小時(shí)。

五、使用UPS應(yīng)注意的事項(xiàng)

1.UPS的使用環(huán)境應(yīng)注意通風(fēng)良好，利于散熱。并保持環(huán)境的清潔。

2.UPS輸出插座應(yīng)明確標(biāo)識(shí)，勿使加入無(wú)關(guān)負(fù)載或短路。

3.切勿帶感性負(fù)載。如日光燈、空調(diào)，以免造成損壞。

4.若用戶在市電停電期間使用發(fā)電機(jī)供電，應(yīng)保證發(fā)電機(jī)功率大于兩倍UPS額定功率。必須在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)穩(wěn)定后才能接入UPS。

5.開(kāi)啟UPS負(fù)載時(shí)，一般遵循先大后小的原則。

6.UPS輸出負(fù)載控制在60%左右為最佳，可靠性最好。

六、延長(zhǎng)不間斷電源系統(tǒng)的供電時(shí)間的方法

1.加掛電池箱：優(yōu)點(diǎn)是可依所需供電時(shí)間加掛數(shù)組電池箱，但須注意是此種方法會(huì)造成電池充電時(shí)間相對(duì)增加，另外也會(huì)增加維護(hù)設(shè)備、產(chǎn)品體積與成本。

2.選購(gòu)容量較大的不間斷電源系統(tǒng)：此方法不僅可減少維修成本，若遇到負(fù)載設(shè)備擴(kuò)充，較大容量的不斷電系統(tǒng)仍可立即運(yùn)作。

七、UPS使用中的維護(hù)和保養(yǎng)

維護(hù)和保養(yǎng)，可以極大地延長(zhǎng)UPS的使用壽命。蓄電池是UPS系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)UPS系統(tǒng)的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個(gè)UPS系統(tǒng)中平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）最短的一種器件。所以說(shuō)，對(duì)UPS的維護(hù)和保養(yǎng)，實(shí)際上主要就是對(duì)UPS內(nèi)部的蓄電池的維護(hù)和保養(yǎng)。蓄電池的種類一般可分為鉛酸電池、鉛酸免維護(hù)電池及鎳鎘電池等，它們各自的特點(diǎn)如下：

1.鉛酸電池/一般型電池，也稱為汽車(chē)用電池/需加水維護(hù)，期望壽命1～3年，充放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生氫氣，安置地點(diǎn)須設(shè)置排風(fēng)管以免造成危險(xiǎn)；電解液呈酸性，會(huì)腐蝕金屬；價(jià)格低廉。

2.鉛酸免維護(hù)電池/新型電池/無(wú)需加水，期望壽命一般為5～7年，密封式充電不會(huì)產(chǎn)生任何有害氣體；擺設(shè)容易，不需考慮安置地點(diǎn)通風(fēng)問(wèn)題，免保養(yǎng)，免維護(hù)；放電率高，特性穩(wěn)定，價(jià)格較高。

3.鎳鎘電池/高級(jí)電池用于特殊場(chǎng)合及特殊設(shè)備上/需加水，期望壽命20～40年，水為介質(zhì)，充放電不會(huì)產(chǎn)生有害氣體；失水率低，但需要固定時(shí)間加水及保養(yǎng)；放電特性最佳；可放置于任何惡劣環(huán)境；價(jià)格極高。

影響電池使用壽命的因素有：UPS的使用環(huán)境、環(huán)境溫度、充放電電流、充電電壓、放電深度

在這些方面需要注意的是：

①UPS的使用環(huán)境

UPS應(yīng)盡可能安裝在清潔、陰涼、通風(fēng)、干燥的地方，這樣可以減少有害灰塵對(duì)UPS內(nèi)部線路的腐蝕；還要避免受到陽(yáng)光、加熱器（如冬天用的取暖器）或其他輻射熱源的影響。UPS應(yīng)正立放置, 不可傾斜角度。

②環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)UPS電池的影響較大，環(huán)境溫度過(guò)高，會(huì)使電池過(guò)充電產(chǎn)生氣體，環(huán)境溫度過(guò)低，則會(huì)使電池充電不足，這都會(huì)響電池的使用壽命。環(huán)境溫度在25℃左右是比較理想的，這樣的環(huán)境溫度對(duì)保護(hù)裝置及電腦主機(jī)和顯示器也是非常適宜的。

③充放電電流

UPS電池充放電電流一般以C來(lái)表示，C的實(shí)際值與電池容量有關(guān)。舉例來(lái)講，如果是100AH的電池，則C＝100A。充電電流過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響電池的使用壽命。放電電流一般要求在0.05～3C,UPS在正常使用中都能滿足此要求，但也要防止意外情況的發(fā)生，如電池短路。

④充電電壓

由于UPS電池屬于備用工作方式，市電正常情況下處于充電狀態(tài)，只有停電時(shí)才會(huì)放電。如果充電電壓過(guò)高就會(huì)使電池過(guò)充電,反之會(huì)使電池充電不足。

⑤放電深度

放電深度對(duì)UPS電池使用壽命的影響也非常大，電池放電深度越深，其循環(huán)使用次數(shù)就越少,因此在使用時(shí)應(yīng)避免深度放電。雖然UPS都有電池低電位保護(hù)功能，一般單節(jié)電池放電至10.5V左右時(shí)，UPS就會(huì)自動(dòng)關(guān)機(jī)。但是，如果UPS處于輕負(fù)載放電（即UPS在無(wú)市電輸入的情況下，接入的負(fù)載容量遠(yuǎn)小于它的最大輸出負(fù)載容量而處于開(kāi)啟狀態(tài)）或空負(fù)載放電（即UPS在無(wú)市電輸入的情況下，沒(méi)有接任何負(fù)載而處于開(kāi)啟狀態(tài)）的情況下,也會(huì)造成電池的深度放電。

八、結(jié)束語(yǔ)

UPS電源在計(jì)算機(jī)及變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，它的作用有其必然性。所以UPS電源系統(tǒng)在使用一定時(shí)間后應(yīng)進(jìn)行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、有沒(méi)有比較難聞的氣體的味道等，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立即停止使用，并聯(lián)系UPS生產(chǎn)商指定的維修站進(jìn)行修理，切莫擅自拆開(kāi)或交給非專業(yè)人員維修，以免發(fā)生意外；如果長(zhǎng)期不停電，UPS電池會(huì)一直處于充電狀態(tài)，這樣會(huì)使電池的活性變差，因此即使不停電，UPS也需要定期進(jìn)行放電試驗(yàn)以便電池保持活性。放電試驗(yàn)一般可三個(gè)月進(jìn)行一次,做法是UPS帶負(fù)載最好在50% 以上,然后斷開(kāi)市電，使UPS處于電池放電狀態(tài),放電持續(xù)時(shí)間視電池容量而言，一般為幾分鐘至十幾分鐘,放電后恢復(fù)市電供電，繼續(xù)對(duì)電池沖電。