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在線式UPS應用中的誤區以及過電壓防護


  在在線式UPS實際應用中,經常會遇到這種情況:明明是晴空萬里,感覺不到任何雷電的現象,在線式UPS內置的“防雷器”卻損壞了。用戶說是在線式UPS機器質量有問題,可在線式UPS本身卻仍然可以繼續正常工作。如果附近沒有重型的動力設備,要想用“操作過電壓”來說服用戶,恐怕也不太容易。事實上,國外對此類普通低壓配電線路上的各種電壓浪涌情況,也有不少統計和報道。例如美國的一則統計表明:在10000小時內,在線間發生的各種電壓值浪涌的次數,超出原工作電壓一倍以上的浪涌電壓次數達到800余次,其中超過1000V的就有300余次。

  不少用戶出于對相關規定的考慮,要求在線式UPS電源在較低價格的條件下,也要配置“防雷器”,個別廠家為了“滿足”用戶要求,隨便裝個小壓敏電阻也稱作“有防雷”。事實上,一般小通流容量的壓敏電阻只能具備一定的過電壓防護作用,如果確實需要防雷,就必須考慮足夠的通流容量器件及相關的成本。在線式UPS作為供電系統,必然存在來自多個方面的線路連接,包括市電交流輸入、在線式UPS交流輸出、通信接口等。嚴格來說,這三個端口都應設置過電壓防護。本文主要討論交流端口的操作過電壓防護問題。在線式UPS的過電壓防護包含兩重的意義:一方面,來自外部的各種浪涌或電壓尖峰對在線式UPS構成一定影響,需要進行防護;另一方面,這些浪涌或電壓尖峰有可能透過在線式UPS影響到負載,必要時也需要進行防護。

  配置大型在線式UPS的數據中心或控制中心,其所在的建筑物或機房一般都具備比較完善的整體防雷系統,到達UPS端的過電壓殘值不高;而小UPS的使用環境則比較差,除了防雷,還要考慮對周邊電網上的操作過電壓的浪涌沖擊防護。過電壓防護措施的效果和成本與其器件和方案的選擇有著重要的關系。選擇較低動作電壓和較大通流容量的SPD器件可以降低其殘壓,但動作電壓太低會由于電源的不穩造成SPD器件頻繁動作而提前失效,通流容量較大則造成防護成本過高。通常情況下,小容量在線式UPS主要還不是考慮防雷,而是對電源操作過電壓的防護。

  在早期的設計中,出于成本考慮,小在線式UPS與其他普通電源產品類似,一般是在220Vac輸入EMI上采用14D471的氧化鋅壓敏電阻(MOV)進行過電壓防護。一般的14D471壓敏電阻產品,其通流容量大約在6kA(8/20μs,一次)以下,這在電網穩定的地區沒有問題,但是在電網不穩定的地區,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,但持續時間較長,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積累而來不及散發,是非常容易損壞的。

  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,這會使防護成本大大增加(數十倍的增加)。另一種方案是增加MOV的動作電壓,例如選用14D561或14D621等MOV器件,使動作電壓從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的動作機率和瀉能時間,而又不增加成本。不過,這會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,由于其價格也還比較便宜。與MOV相比較,GDT具有如下重要的特點:GDT比之MOV具有較好的重復放電特性,不易損壞。MOV是箝位型元件,而GDT則是短路型元件。一旦GDT動作之后,呈近似短路的低阻狀態,其短路動作將可能持續半個周波(10ms)左右,直至過零點時才能中斷。因此,氣體放電管一般需要與短路保護器件(例如保險絲或斷路器等)配合使用。GDT的動作電壓精度較MOV要低,通常MOV的動作電壓精度為±10%,而GDT的動作電壓精度為±20%。對于戶外型在線式UPS,由于雷電浪涌及操作過電壓頻繁,考慮到短路保護器件的恢復并不方便,一般不宜直接采用氣體放電管作過電壓防護器件。

  由于MOV和GDT具有不同的性能特點,其應用也有較大差異。理想的過電壓防護器件要求漏電流小、動作響應快、殘壓低、不易老化等,而現有單一器件并不能完全符合要求。為了結合兩種器件的特點,可以將兩種器件進行組合使用,以發揮器件各自所長。兩種器件串聯使用的方式,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串聯使用后,MOV對其具有一定的限流作用,并可以及時地中斷跟隨電流。在實際應用中,還可以改進,在放電管兩端并接電容器。發生電涌時,電容器初始充電狀態相當于短路,令MOV率先導通,同時電容器又作為GDT的蓄能元件;電容器充電完畢,GDT導通并形成電容器的放電回路。
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