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過逆變器重新產生,其電壓、波形頻率由UPS本身控制，具有穩壓、穩頻、凈化和不間斷等功能。

一、UPS的詳細分類

UPS已從60年代的旋轉發電機發展至今天的具有智能化程度的靜止式全電子化電路，并且還在繼續發展。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；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,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換開關轉為電池逆變供電。其特點是：結構簡單，體積小，成本低，但輸入電壓范圍窄，輸出電壓穩定精度差，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，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，這時因為在線式UPS電源系統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內部穩壓線路穩壓后輸出，當市電異常或停電時，通過轉換開關轉為電池逆變供電。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

不斷電系統的供電原理是當市電正常時，機器會將市電的交流電轉換為直流電，而后對電池充電，以備電力中斷時使用；這里跟各位強調的是不斷電系統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的電力品質時，不斷電系統均會動作，提供設備穩定且干凈的電力。

當市電正常供電時，市電經濾波回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經由充電回路對電池組充電，另一個則是經整流回路，作為逆變器的輸入，再經過逆變器的轉換提供電力給負載使用；由此可知，在線式不斷電系統的輸出完全由逆變器來供應，因此不論市電電力品質如何，其輸出均是穩定而不受任何影響。

2.電池工作方式

一旦市電發生異常時，將儲存于電池中的直流電轉換為交流電，此時逆變器的輸入改由電池組來供應，逆變器持續提供電力，供給負載繼續使用，達到不斷電的功能。不斷電系統的電力來源是電池，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，在其滿載的的狀態下，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。

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不轉入電池逆變供電的市電電壓范圍.在此電壓范圍內,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大的環流電源而損害UPS。

3.輸入功率因數

指UPS輸入端的功率因數。輸入功率因數越高，UPS所吸收的無功功率越小，因而對市電電網的干擾就越小。

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.輸出電壓穩定度

指UPS輸出電壓的穩定程度。輸出電壓穩定程度越高，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

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。我局16座35kV變電站及調度通信自動化系統共有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下，降低了使用壽命，增加了建設投資。因此，電氣專業人員應對儀表用電負荷情況進行校核，系數可按1.15-1.25選取，這樣可以保證容量的選擇。安時數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的使用環境應注意通風良好，利于散熱。并保持環境的清潔。

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，以免造成損壞。

4.若用戶在市電停電期間使用發電機供電，應保證發電機功率大于兩倍UPS額定功率。必須在發電機啟動穩定后才能接入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的供電時間的方法

1.加掛電池箱：優點是可依所需供電時間加掛數組電池箱，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、產品體積與成本。

2.選購容量較大的不間斷電源系統：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仍可立即運作。

七、UPS使用中的維護和保養

維護和保養，可以極大地延長UPS的使用壽命。蓄電池是UPS系統中的一個重要組成部分，它的優劣直接關系到整個UPS系統的可靠程度，然而蓄電池卻又是整個UPS系統中平均無故障時間（MTBF）最短的一種器件。所以說，對UPS的維護和保養，實際上主要就是對UPS內部的蓄電池的維護和保養。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，免維護；放電率高，特性穩定，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，充放電不會產生有害氣體；失水率低，但需要固定時間加水及保養；放電特性最佳；可放置于任何惡劣環境；價格極高。

影響電池使用壽命的因素有：UPS的使用環境、環境溫度、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環境溫度

環境溫度對UPS電池的影響較大，環境溫度過高，會使電池過充電產生氣體，環境溫度過低，則會使電池充電不足，這都會響電池的使用壽命。環境溫度在25℃左右是比較理想的，這樣的環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，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，其循環使用次數就越少,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）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）的情況下,也會造成電池的深度放電。

八、結束語

UPS電源在計算機及變電站綜合自動化系統中，它的作用有其必然性。所以UPS電源系統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，一旦發現異常，應立即停止使用，并聯系UPS生產商指定的維修站進行修理，切莫擅自拆開或交給非專業人員維修，以免發生意外；如果長期不停電，UPS電池會一直處于充電狀態，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,放電持續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，繼續對電池沖電。