變電站UPS選型

35kV變電站UPS的選擇及使用過程中的注意事項

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式。三種形式輸出的交流電源都是經(jīng)過逆變器重新產(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的詳細分類

UPS已從60年代的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機發(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：單相輸入/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。對于用戶來說，三相供電其市電配電和負載配電容易，每一相都承當一部分負載電流，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在市電正常時直接由市電向負載供電， 當市電超出其工作范圍或停電時通過轉(zhuǎn)換開關轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點是：結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩(wěn)定精度差，有切換時間，且輸出波形一般為方波。（見圖1）

在線式UPS在市電正常時，由市電進行整流提供直流電壓給逆變器工作,由逆變器向負載提供交流電，在市電異常時，逆變器由電池提供能量，逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無間斷輸出。其特點是，有極寬的輸入電壓范圍，無切換時間且輸出電壓穩(wěn)定精度高，特別適合對電源要求較高的場合，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可以快速切換到電池供電，保證保護裝置、遙信和遙測信息不間斷。由于UPS電源電池組始終處于浮充狀態(tài)，這時因為在線式UPS電源系統(tǒng)具有對各類供電的零時間切換。（見圖2）

 在線互動式UPS在市電正常時直接由市電向負載供電，當市電偏低或偏高時，通過UPS內(nèi)部穩(wěn)壓線路穩(wěn)壓后輸出，當市電異�；蛲ｋ姇r，通過轉(zhuǎn)換開關轉(zhuǎn)為電池逆變供電。其特點是：有較寬的輸入電壓范圍，噪音低，體積小等特點,但同樣存在切換時間。（見圖3）

二、UPS的工作方式

1.正常運行方式

不斷電系統(tǒng)的供電原理是當市電正常時，機器會將市電的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，而后對電池充電，以備電力中斷時使用；這里跟各位強調(diào)的是不斷電系統(tǒng)并不是停電時才會動作，像是遇到電壓過低或過高、瞬間突波等，足以影響設備正常運轉(zhuǎn)的電力品質(zhì)時，不斷電系統(tǒng)均會動作，提供設備穩(wěn)定且干凈的電力。

當市電正常供電時，市電經(jīng)濾波回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經(jīng)由充電回路對電池組充電，另一個則是經(jīng)整流回路，作為逆變器的輸入，再經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換提供電力給負載使用；由此可知，在線式不斷電系統(tǒng)的輸出完全由逆變器來供應，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，將儲存于電池中的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，此時逆變器的輸入改由電池組來供應，逆變器持續(xù)提供電力，供給負載繼續(xù)使用，達到不斷電的功能。不斷電系統(tǒng)的電力來源是電池，而電池的容量是有限的，因此不斷電系統(tǒng)不會像市電一般無限制的供應，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，其所供電的時間必定有限，若要延長放電時間，須購買長時間型不斷電系統(tǒng)。

3.旁路運行方式

當在線式UPS超載、旁路命令（手動或自動）、逆變器過熱或機器故障，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，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確保UPS輸出與市電同步。旁路開關雙向可控硅并聯(lián)工作方式，解決了旁路切換時間問題，真正做到了不間斷切換，控制電路復雜，一般應用在中大功率UPS上。如果在過載時,必須人為減少負載，否則旁路短路器會自動切斷輸出。

4.旁路維護方式

當UPS進行檢修時，通過手動旁路保證負載設備的正常供電,當維修操作完成后，重新啟動UPS， UPS 轉(zhuǎn)為正常運行。極低的維護率，極大地提高UPS可用性。

三、UPS的性能指標

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延長.

2.輸入頻率范圍

即UPS能自動跟蹤市電、保持同步的頻率范圍。當切換旁路時,UPS能自動跟蹤市電、保持同步可避免因輸入輸出相位差開甚至反相，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所吸收的無功功率越小，因而對市電電網(wǎng)的干擾就越小。

4.切換時間

由于計算機開關電源，在10ms的間隔時間能保證計算機的輸出，因此一般要求UPS切換時間小于10ms，對于在線UPS切換時間為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.常見的波形失真有：削頂、毛刺、畸變等。失真度越小，對負載可能造成的干擾或破壞就越小。

7.負載峰值因數(shù)

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

8.三相不平衡能力

對于三進三出的UPS來說,若出現(xiàn)三相的每一相電流不一致，就會造成輸出電壓的不平衡。具有100%負載不平衡能力的UPS,表示該UPS允許一相輸出帶滿載，而其他兩相空載。

9.冷啟動功能

在無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啟動UPS的功能。

四、UPS 容量的確定

查閱手冊中規(guī)定，作為工作電源，UPS的容量應按各類儀表耗電總和的1.2倍計算，考慮備用電源時，可以按1.5倍計算。UPS實際供電容量應是所選擇容量的80%，也就是選取1.25的系數(shù)。我局16座35kV變電站及調(diào)度通信自動化系統(tǒng)共有22臺容量在20kVA以上的UPS，這些UPS實測的負荷率都不足20%。有的運行電流不超過2A，造成這種情況的一個重要因素是計算用電負荷不準確，保安容量過大，致使UPS長期運行在低負荷的狀態(tài)下，降低了使用壽命，增加了建設投資。因此，電氣專業(yè)人員應對儀表用電負荷情況進行校核，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指幾小時放電率，這里為20。有些電池是以10小時放電率計算的，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。 電池放電時間與放電電流不是線性關系，如100Ah電池以100A的電流放電，則支持不了1個小時，只有數(shù)十分鐘。如以1A的電流放電，則會超出100小時。

五、使用UPS應注意的事項

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

2.UPS輸出插座應明確標識，勿使加入無關負載或短路。

3.切勿帶感性負載。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)電機供電，應保證發(fā)電機功率大于兩倍UPS額定功率。必須在發(fā)電機啟動穩(wěn)定后才能接入UPS。

5.開啟UPS負載時，一般遵循先大后小的原則。

6.UPS輸出負載控制在60%左右為最佳，可靠性最好。

六、延長不間斷電源系統(tǒng)的供電時間的方法

1.加掛電池箱：優(yōu)點是可依所需供電時間加掛數(shù)組電池箱，但須注意是此種方法會造成電池充電時間相對增加，另外也會增加維護設備、產(chǎn)品體積與成本。

2.選購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，若遇到負載設備擴充，較大容量的不斷電系統(tǒng)仍可立即運作。

七、UPS使用中的維護和保養(yǎng)

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

1.鉛酸電池/一般型電池，也稱為汽車用電池/需加水維護，期望壽命1～3年，充放電時會產(chǎn)生氫氣，安置地點須設置排風管以免造成危險；電解液呈酸性，會腐蝕金屬；價格低廉。

2.鉛酸免維護電池/新型電池/無需加水，期望壽命一般為5～7年，密封式充電不會產(chǎn)生任何有害氣體；擺設容易，不需考慮安置地點通風問題，免保養(yǎng)，免維護；放電率高，特性穩(wěn)定，價格較高。

3.鎳鎘電池/高級電池用于特殊場合及特殊設備上/需加水，期望壽命20～40年，水為介質(zhì)，充放電不會產(chǎn)生有害氣體；失水率低，但需要固定時間加水及保養(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應盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的地方，這樣可以減少有害灰塵對UPS內(nèi)部線路的腐蝕；還要避免受到陽光、加熱器（如冬天用的取暖器）或其他輻射熱源的影響。UPS應正立放置, 不可傾斜角度。

②環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對UPS電池的影響較大，環(huán)境溫度過高，會使電池過充電產(chǎn)生氣體，環(huán)境溫度過低，則會使電池充電不足，這都會響電池的使用壽命。環(huán)境溫度在25℃左右是比較理想的，這樣的環(huán)境溫度對保護裝置及電腦主機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來表示，C的實際值與電池容量有關。舉例來講，如果是100AH的電池，則C＝100A。充電電流過大或過小都會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)，只有停電時才會放電。如果充電電壓過高就會使電池過充電,反之會使電池充電不足。

⑤放電深度

放電深度對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,因此在使用時應避免深度放電。雖然UPS都有電池低電位保護功能，一般單節(jié)電池放電至10.5V左右時，UPS就會自動關機。但是，如果UPS處于輕負載放電（即UPS在無市電輸入的情況下，接入的負載容量遠小于它的最大輸出負載容量而處于開啟狀態(tài)）或空負載放電（即UPS在無市電輸入的情況下，沒有接任何負載而處于開啟狀態(tài)）的情況下,也會造成電池的深度放電。

八、結(jié)束語

UPS電源在計算機及變電站綜合自動化系統(tǒng)中，它的作用有其必然性。所以UPS電源系統(tǒng)在使用一定時間后應進行定期檢查，如觀察其外觀是否異常、有沒有比較難聞的氣體的味道等，一旦發(fā)現(xiàn)異常，應立即停止使用，并聯(lián)系UPS生產(chǎn)商指定的維修站進行修理，切莫擅自拆開或交給非專業(yè)人員維修，以免發(fā)生意外；如果長期不停電，UPS電池會一直處于充電狀態(tài)，這樣會使電池的活性變差，因此即使不停電，UPS也需要定期進行放電試驗以便電池保持活性。放電試驗一般可三個月進行一次,做法是UPS帶負載最好在50% 以上,然后斷開市電，使UPS處于電池放電狀態(tài),放電持續(xù)時間視電池容量而言，一般為幾分鐘至十幾分鐘,放電后恢復市電供電，繼續(xù)對電池沖電。