數(shù)據(jù)機(jī)房UPS輸入/輸出及電涌過電壓防護(hù)設(shè)計(jì)

郭德盛

(上海信盛電訊設(shè)備網(wǎng)絡(luò)有限公司，上海 200086)

0 引言

一般中小型數(shù)據(jù)機(jī)房電源按一類負(fù)荷配電，其設(shè)計(jì)要求應(yīng)符合A級(jí)或B級(jí)機(jī)房要求，應(yīng)采用在線不間斷電源(Uninterruptible System Power，UPS)為數(shù)據(jù)機(jī)房提供穩(wěn)定的高可靠性輸出配電。因此，UPS設(shè)計(jì)取值、輸入與輸出配置及瞬態(tài)電涌抑制是數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)計(jì)的核心問題。

1 UPS構(gòu)成及容量選擇

1.1 基本功能

UPS安裝在市配電柜和負(fù)載配電柜之間，可以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在市電停止之后繼續(xù)工作一段時(shí)間，使用戶不致因停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)。UPS在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中主要起到兩個(gè)作用:應(yīng)急使用，防止突然斷電而影響正常工作，給計(jì)算機(jī)造成損害;消除市電的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等電源污染，改善電源質(zhì)量，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高質(zhì)量的電源。

1.2 電氣構(gòu)成

UPS電氣構(gòu)成如圖1所示。

圖1 UPS電氣構(gòu)成

UPS主要由濾波單元、整流單元、逆變單元、靜態(tài)開光單元和電池組單元、隔離變壓器等組成。

濾波單元消除市電輸入U(xiǎn)PS中的瞬態(tài)尖峰，保持電壓平穩(wěn)。整流單元是將交流轉(zhuǎn)化為直流的裝置，有兩個(gè)主要功能:將交流電變成直流電，經(jīng)濾波后供給負(fù)載或供給逆變器;給蓄電池提供充電電壓。因此，整流單元同時(shí)又起到一個(gè)充電器的作用。逆變單元是將直流電轉(zhuǎn)化為交流電的裝置，由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成。靜態(tài)開關(guān)單元是由兩個(gè)晶閘管反向并聯(lián)組成的一種交流開關(guān)，當(dāng)逆變器過載或不能正常工作時(shí)，實(shí)現(xiàn)把負(fù)載不間斷地切換到旁路上。

蓄電池組單元(CB)是UPS用來儲(chǔ)存電能的裝置，由若干個(gè)電池串聯(lián)而成，其容量大小決定了維持放電(供電)的時(shí)間。主要功能:當(dāng)市電正常時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部;當(dāng)市電故障時(shí)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能提供給逆變器或負(fù)載。

隔離變壓器能平衡不平衡載荷對(duì)輸出的影響，有效抑制計(jì)算機(jī)類非線性負(fù)載引起的輸出電壓。

圖1中，UPS工作主要有三種狀態(tài):

(1)S1、S4閉合，UPS正常工作。

(2)過載或UPS故障，S2、S4閉合，旁路輸出。

(3)S3閉合，維護(hù)旁路，便于UPS送修。

1.3 UPS取值

電池一般按后備15 min～4 h選取。UPS容量標(biāo)示值為視在功率S=3W/cosφ，其中W為數(shù)據(jù)機(jī)房載荷之和，功率因數(shù)cosφ一般取0.70～0.75，冗余計(jì)算值一般取3，即設(shè)計(jì)功率為S/3。一般取三相四線制供電，易達(dá)到荷載均衡，減少配電電纜面積。

2 UPS輸入/輸出設(shè)計(jì)

2.1 雙路單投自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)

中心機(jī)房的整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)是由兩個(gè)獨(dú)立變壓器輸入的市電1、市電2、雙路單投自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)(Automatic Transfer Switch，ATS)組成，以支持機(jī)房的動(dòng)力設(shè)備、氣體防火系統(tǒng)及UPS在ATS輸出并連接入電涌保護(hù)器(Surge Protective Device，SPD)共同組成的雙輸入供電系統(tǒng)。ATS自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)如圖2所示。如果市電產(chǎn)生故障，ATS能在較短的時(shí)間內(nèi)(80～100 ms)自動(dòng)切換到備用電路操作，同時(shí)UPS輸入電源會(huì)出現(xiàn)短暫的停電事故，在線式UPS無中斷，后備式UPS設(shè)備能在4 ms內(nèi)對(duì)設(shè)備恢復(fù)供電，服務(wù)器不會(huì)中斷。

圖2 ATS自動(dòng)輸入配電系統(tǒng)

2.2 UPS與市電靜態(tài)切換系統(tǒng)切換輸出供電系統(tǒng)

將靜態(tài)切換系統(tǒng)(Static Transfer System，STS)安裝在負(fù)載設(shè)備前端，當(dāng)UPS失效當(dāng)機(jī)時(shí)，利用STS不間斷切換市電功能來保證電源設(shè)備的供電。UPS與市電STS切換如圖3所示。對(duì)于制造業(yè)公司小型數(shù)據(jù)機(jī)房，STS解決了預(yù)算少、機(jī)房場(chǎng)地緊張、不可能購(gòu)買雙UPS冗余的難題。

圖3 UPS與市電STS切換

將雙總線系統(tǒng)中的某路電源作為優(yōu)選電源提供給用電設(shè)備，并實(shí)時(shí)對(duì)兩路交流電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)當(dāng)前供電電源出現(xiàn)異常，可以自動(dòng)將用電設(shè)備在極短的間斷時(shí)間內(nèi)切換到另一路備用電源上，從而給設(shè)備提供穩(wěn)定、不中斷的交流供電。

STS切換時(shí)間＜1 ms，切換方式是先斷后合，因此兩電源在切換時(shí)的相位差甚至可以大于180°，因此可應(yīng)用于高可靠性的不間斷供電領(lǐng)域。

3 UPS電涌過電壓防護(hù)設(shè)計(jì)

電涌過電壓有雷擊、太陽黑子磁暴、電路操作過電壓、靜電放電、核電磁脈沖、微波輻射、短路等7種形式。LPZ防護(hù)區(qū)劃分如圖4所示。數(shù)據(jù)機(jī)房一般位于LPZ2第二防護(hù)區(qū)，主要考慮防護(hù)電路操作過電壓、短路、靜電放電。

3.1 壓敏電阻

采用氧化鋅壓敏電阻(Metal Oxide Varisitor，MOV)保護(hù)釋放由遠(yuǎn)距離或傳導(dǎo)雷擊而引起的電涌雷擊，一般接在UPS市電輸入前(數(shù)據(jù)機(jī)房配電端)與UPS電輸出后。LPZ3區(qū)域用于保護(hù)使用插座的單個(gè)負(fù)載而設(shè)計(jì)的防雷器，選用精確D級(jí)防雷器，可以進(jìn)一步減少雷電電磁脈沖。MOV參數(shù)取值如表1所示。MOV電壓標(biāo)稱值為1.2××220=373 V。

圖4 LPZ防護(hù)區(qū)劃分

一般，斷路器串聯(lián)在MOV電路上，當(dāng)MOV短路損壞時(shí)斷開電路連接，廠家推薦值為50 A，但必須小于主回路起動(dòng)值，達(dá)到保護(hù)設(shè)備的目的。

表1 MOV參數(shù)取值

3.2 TVS抑制操作過電壓

在UPS的使用過程中，有時(shí)會(huì)發(fā)生STS切換(＜1 ms)、UPS維護(hù)旁路合閘、用戶電路帶負(fù)荷起動(dòng)、短路等操作。感性負(fù)荷切斷時(shí)，磁場(chǎng)瞬態(tài)崩潰，在負(fù)載電路中產(chǎn)生瞬態(tài)高壓，造成計(jì)算機(jī)設(shè)備及UPS損壞。

在AC 120 V電路中會(huì)產(chǎn)生1.4～2.5 kV的瞬態(tài)峰值電壓，有時(shí)甚至高達(dá)6 kV，導(dǎo)致線路絕緣擊穿、損壞。采用瞬變電壓抑制二極管(Transient Voltage Suppressor，TVS)保護(hù)敏感度高的設(shè)備(服務(wù)器、存儲(chǔ)及交換設(shè)備)，通過高速限壓去除操作過電壓、短路、靜電放電電涌電壓干擾，作為第二級(jí)抑制峰值保護(hù)。

3.2.1 TVS特性

TVS具有極快的響應(yīng)時(shí)間和非常高的電涌吸收能力，使危險(xiǎn)的電壓尖峰以箝位方式(PN結(jié)的雪崩效應(yīng))來限制在電路中允許的范圍。

瞬態(tài)電壓是不可預(yù)測(cè)的，且阻抗隨瞬態(tài)電壓而變化，沒有確定的數(shù)值。同時(shí)在器件承受很大的脈沖電流時(shí)，溫度變化可造成最高箝位電壓有50%～70%的測(cè)量誤差。在低電流狀態(tài)下，最低電壓和最高脈沖峰值電流狀態(tài)下的最高籍位電壓是可以確定的。TVS箝位作用的響應(yīng)時(shí)間為10-12s，因此用來保護(hù)集成電路、MOS器件、數(shù)/?；旌想娐芬约捌渌麑?duì)電壓敏感的半導(dǎo)體元器件，可串聯(lián)或并聯(lián)在電路中。

TVS電壓—電流特性曲線如圖5所示。由圖5可見，在瞬態(tài)峰值脈沖電壓作用下，流過TVS的電流由最大反向剩余電流ID上升到反向擊穿電流IR時(shí)，其兩極呈現(xiàn)的電壓由額定反向關(guān)斷電壓URWM上升到擊穿電壓UBR，TVS被擊穿。隨著峰值脈沖電流的增大，流過TVS的電流達(dá)到峰值脈沖電流IPPM，但兩極的電壓被箝位到預(yù)定的最大箝位電壓以下。其后，脈沖電流按指數(shù)規(guī)律衰減，TVS兩極的電壓也不斷下降，最后恢復(fù)到起始狀態(tài)，這就是TVS抑制電涌脈沖電壓保護(hù)電子元器件的過程。

3.2.2 TVS主要性能參數(shù)

(1)額定反向關(guān)斷電壓 URWM和電流 ID。URWM是最大連續(xù)工作的直流或脈沖電壓，當(dāng)URWM加于TVS的兩極間時(shí)，處于反向關(guān)斷狀態(tài)，流過的電流不大于最大反向剩余電流ID。

圖5 TVS電壓—電流特性曲線

(2)最小擊穿電壓UBR和擊穿電流IR。UBR是TVS的最小雪崩擊穿電壓。當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時(shí)，在UBR之前TVS不導(dǎo)通。當(dāng)TVS流過規(guī)定的1 mA電流(IR)時(shí)，加于TVS兩極間的電壓為最小擊穿電壓UBR。按UBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，可把TVS分為 ±5%UBR和 ±10%UBR:對(duì)于 ±5%UBR，URWM=0.85UBR;對(duì)于 ±10%UBR，URWM=0.81UBR。

(3)最大箝位電壓UC和最大峰值脈沖電流IPPM。當(dāng)持續(xù)時(shí)間20 μs的脈沖峰值電流IPPM流過TVS時(shí)，在兩極間出現(xiàn)的最大烽值電壓為UC。UC、IPPM反映了TVS抑制電涌電流的能力。UC/UBR稱為箝位因子，一般為1.2～1.4。

(4)最大峰值脈沖功耗PPPM。TVS對(duì)電涌功率和電涌電流的吸收能力取決于PN結(jié)的面積。對(duì)于TVS系列產(chǎn)品，波形峰值脈沖功率PPPM的吸收能力可以達(dá)到數(shù)千瓦，用8/20 μs波形定義。器件吸收的峰值脈沖功率是由TVS上的箝位電壓UC和流過TVS的沖擊電流峰值IPPM乘積來確定的。根據(jù)箝位電壓的不同，TVS應(yīng)用在5～400 V的電路中。

(5)限制系數(shù)K1。它表示TVS實(shí)際承受電壓UC與雪崩擊穿電壓UBR之比，即K1=UC/UBR。在使用中，TVS的擊穿電壓UBR應(yīng)當(dāng)比被保護(hù)電路的工作電壓高出10%以上，以防止由于UBR接近電路的工作電壓而使TVS的剩余電流影響電路的工作，同時(shí)避免了由于溫度效應(yīng)引起的UBR變化。一旦瞬時(shí)過電壓出現(xiàn)，TVS立即將尖峰電壓箝位到安全電壓(箝位電壓)UC，而讓有害部分的能量不經(jīng)過被保護(hù)電路，而是以電流形式通過TVS旁路掉。

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3中，SPD采用MOV器件，SPD1位于LPZ2、UPS前，取 In=20 kA，SPD2位于 UPS后，取 In=5 kA，SPD損壞隔離取40 A斷路器。

選用雙向TVS抑制AC 220 V瞬態(tài)電涌電壓，計(jì)算出以下參數(shù):

URWM=1.4×220=308 V

UBR=URWM/0.85=308/0.85=362 V

UC=1.3UBR=1.3×362=470 V

PPPM=UCIp=470×20=1 000 W

注意的是，UBR與標(biāo)準(zhǔn)值的離散程度，取±5%。

5 結(jié)語

數(shù)據(jù)機(jī)房中，如果主市電發(fā)生故障，ATS能在較短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)切換到備用電路。UPS單機(jī)與市電STS切換輸出供電系統(tǒng)，將雙總線系統(tǒng)中的某路電源作為優(yōu)選電源提供給用電設(shè)備，并實(shí)時(shí)地對(duì)兩路交流電源的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。MOV、TVS的參數(shù)選用要符合電涌過電壓防護(hù)的要求，給數(shù)據(jù)機(jī)房設(shè)備提供穩(wěn)定、不中斷的供電。

［1］ GB 50174—2008 電子計(jì)算機(jī)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］ 李祥超.防雷工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京:氣象出版社，2010.

［3］ GB 50343—2004 建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ GB/T 18802.12—2006 低壓配電系統(tǒng)的電涌保護(hù)器(SPD)選擇和使用［S］.

［5］ 陳偉華.電磁兼容實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［6］ 郭德盛.特高壓屏蔽測(cè)試大廳弱電抗干擾施工原理與工藝［J］.電子技術(shù)，2014，43(11):63-65.