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UPS應(yīng)用中的過電壓防護(hù)需求及解決方案

發(fā)布時(shí)間:2012-01-17

中心議題:
  • 過電壓防護(hù)概念的變化
  • UPS應(yīng)用中的“防雷”誤區(qū)
  • UPS的過電壓防護(hù)需求
  • 小容量UPS的電源過電壓防護(hù)特征及方案
解決方案:
  • 在220Vac輸入EMI上采用14D471的氧化鋅壓敏電阻
  • 采用氣體放電管作過電壓防護(hù)器件
  • MOV和GDT組合使用

過電壓防護(hù)器件的故障同樣也是UPS的故障,同樣會(huì)給UPS的使用和維護(hù)帶來極大的不便,在較低成本的條件下,選擇設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪^電壓防護(hù)措施,已經(jīng)成為現(xiàn)代UPS應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。本文在介紹過電壓防護(hù)概念的變化及UPS應(yīng)用中的“防雷”誤區(qū)的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際,針對UPS應(yīng)用當(dāng)中的過電壓防護(hù)需求及小容量UPS的電源過電壓防護(hù)特征,提出適當(dāng)?shù)腢PS電源過電壓防護(hù)方案。

1.過電壓防護(hù)概念的變化

當(dāng)遠(yuǎn)處發(fā)生雷擊時(shí),雷電浪涌通過電網(wǎng)或通訊線路傳輸?shù)皆O(shè)備端,雖然不一定立即損毀設(shè)備,也會(huì)對設(shè)備內(nèi)部造成累計(jì)性損害。另外,隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,設(shè)備遭受來自線路上的其它浪涌干擾(例如各種動(dòng)力設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)對電網(wǎng)所帶來的操作過電壓現(xiàn)象)的可能性也很高,其對設(shè)備的影響可能更大。

因此,再簡單直觀地認(rèn)定“沒有雷電就不需要過電壓防護(hù)”,顯然是不正確的。可以說,目前的過電壓防護(hù)工作已經(jīng)由傳統(tǒng)的防雷轉(zhuǎn)向直擊雷、雷電電磁脈沖、地電位反擊和操作過電壓的綜合防護(hù)。

2.UPS應(yīng)用中的“防雷”誤區(qū)

2.1誤區(qū)之一:“防雷器”只是防雷
在UPS實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)遇到這種情況:明明是晴空萬里,感覺不到任何雷電的現(xiàn)象,UPS內(nèi)置的“防雷器”卻損壞了。用戶說是UPS機(jī)器質(zhì)量有問題,可UPS本身卻仍然可以繼續(xù)正常工作。

如果附近沒有重型的動(dòng)力設(shè)備,要想用“操作過電壓”來說服用戶,恐怕也不太容易。事實(shí)上,國外對此類普通低壓配電線路上的各種電壓浪涌情況,也有不少統(tǒng)計(jì)和報(bào)道。例如美國的一則統(tǒng)計(jì)表明:在10000小時(shí)內(nèi),在線間發(fā)生的各種電壓值浪涌的次數(shù),超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數(shù)達(dá)到800余次,其中超過1000V的就有300余次。

可想而知,根本不需要雷電作用,要讓“防雷器”動(dòng)作或損壞,是完全可能的。

2.2 誤區(qū)之二:廉價(jià)“防雷器”也防雷
不少用戶出于對相關(guān)規(guī)定的考慮,要求UPS在較低價(jià)格的條件下,也要配置“防雷器”,個(gè)別廠家為了“滿足”用戶要求,隨便裝個(gè)小壓敏電阻也稱作“有防雷”。事實(shí)上,一般小通流容量的壓敏電阻只能具備一定的過電壓防護(hù)作用,如果確實(shí)需要防雷,就必須考慮足夠的通流容量器件及相關(guān)的成本。

3.UPS的過電壓防護(hù)需求

UPS作為供電系統(tǒng),必然存在來自多個(gè)方面的線路連接,包括市電交流輸入、UPS交流輸出、通信接口等。嚴(yán)格來說,這三個(gè)端口都應(yīng)設(shè)置過電壓防護(hù)。本文主要討論交流端口的操作過電壓防護(hù)問題。UPS的過電壓防護(hù)包含兩重的意義:一方面,來自外部的各種浪涌或電壓尖峰對UPS構(gòu)成一定影響,需要進(jìn)行防護(hù);另一方面,這些浪涌或電壓尖峰有可能透過UPS影響到負(fù)載,必要時(shí)也需要進(jìn)行防護(hù)。

4.小容量UPS的電源過電壓防護(hù)特征

配置大型UPS的數(shù)據(jù)中心或控制中心,其所在的建筑物或機(jī)房一般都具備比較完善的整體防雷系統(tǒng),到達(dá)UPS端的過電壓殘值不高;而小UPS的使用環(huán)境則比較差,除了防雷,還要考慮對周邊電網(wǎng)上的操作過電壓的浪涌沖擊防護(hù)。

另一方面,大型UPS成本空間較多,防護(hù)方案容易實(shí)現(xiàn);而小UPS則成本捉襟見肘,所能采用的防護(hù)手段和器件有限。
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5.小容量UPS的電源過電壓防護(hù)方案

過電壓防護(hù)措施的效果和成本與其器件和方案的選擇有著重要的關(guān)系。選擇較低動(dòng)作電壓和較大通流容量的SPD器件可以降低其殘壓,但動(dòng)作電壓太低會(huì)由于電源的不穩(wěn)造成SPD器件頻繁動(dòng)作而提前失效,通流容量較大則造成防護(hù)成本過高。通常情況下,小容量UPS主要還不是考慮防雷,而是對電源操作過電壓的防護(hù)。

5.1早期的方案
在早期的設(shè)計(jì)中,出于成本考慮,小UPS與其他普通電源產(chǎn)品類似,一般是在220Vac輸入EMI上采用14D471的氧化鋅壓敏電阻(MOV)進(jìn)行過電壓防護(hù)。

一般的14D471壓敏電阻產(chǎn)品,其通流容量大約在6kA(8/20μs,一次)以下,這在電網(wǎng)穩(wěn)定的地區(qū)沒有問題,但是在電網(wǎng)不穩(wěn)定的地區(qū),采用14D471的壓敏電阻是比較容易損壞的,這是由于操作過電壓浪涌與雷電浪涌相比,幅度雖然較低,但持續(xù)時(shí)間較長,而且呈周期性,這對于通流容量較小的壓敏電阻來說,吸收浪涌的熱量連續(xù)積累而來不及散發(fā),是非常容易損壞的。

5.2方案的改進(jìn)
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(shí)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(huì)使防護(hù)成本大大增加(數(shù)十倍的增加)。

另一種方案是增加MOV的動(dòng)作電壓,例如選用14D561或14D621等MOV器件,使動(dòng)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(dòng)作機(jī)率和瀉能時(shí)間,而又不增加成本。不過,這會(huì)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(jià)格也還比較便宜。與MOV相比較,GDT具有如下重要的特點(diǎn):
A).GDT比之MOV具有較好的重復(fù)放電特性,不易損壞。
B).MOV是箝位型元件,而GDT則是短路型元件。一旦GDT動(dòng)作之后,呈近似短路的低阻狀態(tài),其短路動(dòng)作將可能持續(xù)半個(gè)周波(10ms)左右,直至過零點(diǎn)時(shí)才能中斷。因此,氣體放電管一般需要與短路保護(hù)器件(例如保險(xiǎn)絲或斷路器等)配合使用。
C).GDT的動(dòng)作電壓精度較MOV要低,通常MOV的動(dòng)作電壓精度為±10%,而GDT的動(dòng)作電壓精度為±20%。

對于戶外型UPS,由于雷電浪涌及操作過電壓頻繁,考慮到短路保護(hù)器件的恢復(fù)并不方便,一般不宜直接采用氣體放電管作過電壓防護(hù)器件。

5.3組合方案
由于MOV和GDT具有不同的性能特點(diǎn),其應(yīng)用也有較大差異。理想的過電壓防護(hù)器件要求漏電流小、動(dòng)作響應(yīng)快、殘壓低、不易老化等,而現(xiàn)有單一器件并不能完全符合要求。

為了結(jié)合兩種器件的特點(diǎn),可以將兩種器件進(jìn)行組合使用,以發(fā)揮器件各自所長。

兩種器件串聯(lián)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(lián)使用后,MOV對其具有一定的限流作用,并可以及時(shí)地中斷跟隨電流。

在實(shí)際應(yīng)用中,還可以改進(jìn),在放電管兩端并接電容器。發(fā)生電涌時(shí),電容器初始充電狀態(tài)相當(dāng)于短路,令MOV率先導(dǎo)通,同時(shí)電容器又作為GDT的蓄能元件;電容器充電完畢,GDT導(dǎo)通并形成電容器的放電回路。

為了降低負(fù)載端的殘壓幅度,還需要同時(shí)在UPS的輸出端加一級SPD,這樣就構(gòu)成了兩級SPD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)。SPD1作為第一級過電壓防護(hù)器件,電涌入侵時(shí)有較高的殘壓,而SPD2則作為第二級過電壓防護(hù),其殘壓較低。

6.結(jié)束語

過電壓防護(hù)器件的故障同樣也是UPS的故障,同樣會(huì)給UPS的使用和維護(hù)帶來極大的不便,在較低成本的條件下,選擇設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪^電壓防護(hù)措施,已經(jīng)成為現(xiàn)代UPS應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。
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