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UPS不间断电源系统基本技术常识

时间:2017-03-16 16:41:17 点击:
  

UPS不间断电源基本电学原理

1.  导体、绝缘体与半导体

依物质中的电子是否容易在原子间移动的程度(即导电性),将物质分为导体、绝缘体、半导体。

(1)    导体:导电性良好的物体,比如银、铜、铝、铁等。

(2)    绝缘体:不容易传导电荷的物体,比如玻璃、塑料等物质。

(3)    半导体:导电性介于导体与绝缘体之间的并且在一定条件下其内部载流子浓度增加,比如锗、矽、砷、硅等。

2.  电流、电压

(1)   电流定义为单位时间(t)通过导体截面积的电荷量,即I=Q/ t Q:电荷(C),

I:电流(A),t:时间(s

(2)   电压定义为一库仑电荷,从元件一端移动到另一端,所作的功,即U=W/ Q

U:电压(V),W:电功(J),Q:电荷(C

3.  电阻

阻碍电流通过的阻力称为电阻。即R:欧姆(Ω)。

4.  欧姆定律

欧姆定律:电路中电流大小与该电路的电压成正比,而与总电阻成反比。

I=U/RI:电流(A),U:电压(V),R电阻(Ω)。

5.  直流电

幅值和方向不随时间变化的电压(或电流)。

6.  交流电

(1)    交流电即电压或电流的幅值和方向随时间而变化。

(2)    周期性变化的交流电依其波形可分两大类:

 正弦波:其波形随时间作正弦曲线变化。

 非正弦波:非正弦波变化的波形,均属非正弦波,如三角波、方波、锯齿波等。

(3)    频率与周期

 频率:每一秒钟幅值和方向变化的循环数,即f:赫兹(Hz)。

 周期:幅值和方向完成一个循环所需的时间,即T:秒(s)。

 频率与周期互为倒数:T=1/f

(4)    有效值与平均值

    有效值:即rms值,也称均方根值,我们通常所说的交流电电压即为交流电的有效

值,其与相同数值的直流电压加于同一负载上所产生的热量是相等的。

    Rms= 0.707VmVm为交流电的峰值。

平均值:即ac值,是指一个周期波形所含的总面积除以周期数的数值。

平均值=总面积/周期数,总面积可由数学积分方法算得。

7.  积肤效应

交变电流通过导体时,电流密度值在靠近导体表面处比导体中心处大的现象。

8.  视在功率,有功功率,功率因数

视在功率:在电路中负载两端电压与其流过的电流有效值的乘积,即S=UI

S:瓦特(W),U:负载两端电压,I:负载中流过的电流。

    有功功率:电路中负载实际消耗的净功率,即P=Scosφ,P:瓦特(W),φ:负载两端电压U与其流过的电流I的相位差。

功率因数:即有功功率与视在功率之比,即cosφ=P/S

9.  变压器

(1)    变压器:是依靠电磁感应将电能由某一种电压变换成同频率的另一种电压,还可用来改变电流,变换阻抗,改变相位。

(2)    理想变压器

如果符合下列条件则称之为“理想变压器”。

a.绕组线圈之导线电阻为零,不消耗功率。

b.两绕组完全耦合,无漏磁情况。

c.无导磁芯体(铁芯)损失。

d.磁路中磁通正比于激磁电流。

e.绕组的分布电容可忽略。

(3)  初次级电压、电流与初次级绕组之关系:U1/U2=N1/N2I1/I2=N2/N1

      U1U2I1I2分别表示初、次级电压与电流。

      N1N2分别表示初、次级绕组数。

      N1N2时,U1U2为降压变压器。

      N1N2时,U1U2为升压变压器。

变压器的效率η,即次级的输出功率P2与初级的输入功率P1之比值。即:η=P2/P1

(4)  自耦变压器

    自耦变压器(Auto-transformer)是变压器的特别类型,其初级和次级共用同一绕组。自耦变压器初次级电压、电流与初次绕组之关系与一般变压器相同。

二:UPS不间断电源基本电工原理

1. 配线问题

(1)  配线方式

a.各机器之间的配线一般分为三种方式:地面沟槽式,电缆吊架或管道方式进行,沟槽尺寸依据所设电缆之数量多少来定,一般宽约400-600mm,深约250-300mm并且沟槽最好设于UPS底部。

b.在进行UPS配线时,一般要求先将设备环境供电设置好;若从电力变压器上取电力引入到设备环境,低压电力线应与高压电力线相距3m以上距离走线。

(2)  电缆线径的选择

在设备之间配线时,对所选之电缆须依设备之容量及设备之间的距离来正确的选择电缆的容许电流,电压降及容许短路电流。

a. 电缆的容许电流

    主电路电缆,通常可使用CV电缆(架桥聚乙烯电缆)并依据电路之额定电流与电缆的容许电流等选定。因铺设多条电缆可导致电流的容许电流率降低。

b. 电压降

    尤其UPS系统的输出电缆,因其向负载稳定供电,其电压降一般要限制在2%左右,在选用电缆线径时,亦须先确定此电压降的数值,其求法如下公式:

V=Rcosφ+X×sinφ)×L×I

式中,V:每单线之压降,单位:V

                      R:每1m电缆的电阻,单位:Ω。

                      X:每1m电缆的电抗,单位:Ω。

                  cosφ:功率因数。

                  sinφ:无效功率sinφ=   1-cos2φ 。

                      L:电缆长,单位:m

                      I:电缆流过电流,单位:A

                     CV:电缆常数(RX)表(600V)。

c. 短路时的容许电流

    电缆末端一但发生短路时,电缆温度会急剧上升,甚至可引发火灾。通常采用无熔丝开关来执行短路发生时,在电缆最高容许温度范围之内彻底切断路。

CV电缆之正常连续最高容许温度为90℃,短路时最高容许温度为230℃。

短路电路与线径及持续时间关系为:

        I=134×A/T

        I:电流A

        A:导体截面积mm2

        T:持续时间S

从上式可依据短路电流与断路器的操作时间来确定线径的大小。在配线过程中选择电缆电流时,建议为额定电流的1.5-2倍。

2. 过流保护

(1)  当由于负载严重超载或系统设备发生事故导致线路出现过电流时,如能及时切断UPS之输出或电力供电线路,可以使系统设备得到保护,以及不会影响到该电力供应线上其它用户之系统对电力的正常需要,并且,所配电缆也同样受到保护,避免火灾发生。

(2)  一般采用断路器来作切断元件,常见的有无熔丝开关(MCCB),快速熔断丝,半导体开关等,由于UPSINV逆变系统过电流时,仅以保护内部的半导体为目的,故其动作时间十分短暂,快速动作时间仅0.1ms。因此过电流发生时,应在10ms极短时间内切断负载。

    无熔丝开关(MCCB):一般仅用作低压电路过电流保护设备用,分为电磁式(CT式),双金属型无熔丝开关两种。电磁式无容丝开关是利用过电流之电磁力将活动节点释放之机械式断路器。双金属型无熔丝开关是利用双金属发热产生的动力将活动节点释放之机械式断路器。电磁式比双金属型断路速度和准确度高,且后者误差达±20%。条件容许时,断路器都选用电磁式,而主断路器更须选用电磁式无熔丝开关。在配线时,电磁式无熔丝开关安培数要小于所接电缆的安培数。

(3)  快速熔断丝:熔断速度较一般熔丝和MCCB快,适合INV逆变输出作断路器用,能在短时间范围熔断,熔丝是利用消弧剂矽砂将纯银元件板予以密封制成。

a. 在低于10ms时,熔丝是以I2t值来判定,在I2t容许值以下熔丝不熔,当达10ms全部断路I2t值时,即为熔丝断路完毕前的I2t值。

b. 当熔丝用于短路保护时,短路电流超过故障电流10倍以上即可不必考虑I2t值与电流间的关系。

c. 熔丝属于串联连接电路,若须保持高阶熔丝与低熔丝之协调时,尚须具备以下条件:高阶容许I2t值≥低阶的全部断路I2t值。

三:UPS不间断电源蓄电池的设置

目前在UPS系统配置蓄电池多为免维护型铅酸蓄电池,在未使用而又长时期不予充电时,便自行缓慢放电,其电荷量将不断减小,若紧急备用时,UPS不能正常由电池供电。因此,为防止电池放电,须经常保持电池处于浮动充电状态,并且至少2个月对电池充放电一次,以利延长电池寿命。

1.对于单个HS式铅酸蓄电池,其浮动充电电压为2.18V,均衡充电电压为2.3V,如12V/7AH     HS式铅酸蓄电池,其浮动充电电压为13.08V,均衡充电电压13.80V

2.在放电时,一般将其截止电压设定于约1.63V,如对12V/7AH电池其截止电压约9.8V,这样可防止电池由于过放电而损坏。

3.   蓄电池在使用时通常用串联连接来获得高电压;采用并联连接获得大电流和高容量。

4.   蓄电池在配置过程中,当所需电池电压相同而须增大容量时,有两种方法:

a. 更换电压相同而容量(AH)大的电池。

b. 两组电池并联,并联联接时应注意,两组电池容量(AH)必须相同,并且经充电后,两组电池之端电压电压差<±0.05V

四:UPS不间断电源接地与防雷

(一)     接地

1.  接地一般有四种方式:保护接地、工作接地、重复接地、保护接零。

(1)  保护接地:将电气设备不带电的金属外壳及与之相连的金属构架用导线和接地体等进行可靠的连接。

(2)  工作接地:将变压器或发电机的中点进行接地。

(3)  重复接地:将中心线上的一点或多点与大地再次作金属连接。

(4)  保护接零:在中心点接地的三相四线制系统中,将电气设备的金属外壳框架与中心线进行可靠的连接。

注意:(1)家用电器不适合采用保护接零。

     2)同一系统中不宜同时采用“保护接地”和“保护接零”。

2.  接地电阻的要求:

(1)    对于1KV以下,容量100KVA以下的低压设备接地电阻的要求。

a. 中心点直接接地系统工作接地电阻在4~10Ω以下。

b.中心点不接地系统接地电阻应在4Ω以下。

(2)    静电放电装置接地电阻在100Ω以下即可。

(3)    防雷接地装置应与电气设备距离在3m以内,并且接地电阻应小于1Ω。

附表:电力设备、防雷装置及静电放电装置的接地电阻规定值。

种类

使用条件

接地电阻(Ω)

说明

1KV以上

高压设备

 大接地短路

 电流系统

 (I500A)

 

一般情况

R2000/I

 高土壤电阻率

 地区接地电阻

 允许≤5Ω

 I为计算的接地

 短路电流(A)

I400A

   R0.5

 小接地短路

 电流系统

 高低压设备共

 用的接地装置

R120/I

一般≤10

 高土壤电阻率

 地区接地电阻

 应≤30Ω

 发电厂变电所

 应≤15Ω

 高压设备单独

 用的接地装置

R150/I

一般≤10

 1KV以下

 低压设备

 中性点直接

 接地系统

 发电机或变压器

 的工作接地

R4

 零线上的重复

 接地装置发电

 机或变压器容

 量<100KVA

R10

 中性点不接地

 系统

 

 一般情况

R4

 高土壤电阻率

 地区接地电阻

 应≤30Ω

 发电机或变压

 器容量

 100KVA

R10

 利用大地作导线

 电力设备

 永久性接地

R50/I

 低压电网禁止使用

 大地作导线

 I为接地装置流入

 大地的电流(A)

 临时性工作接地

R100/I

 防雷装置

 接地装置与电器设备

 距离<3m

RI

 

采用共同接地方式

 静电放电装置

 接地装置

R100

3.接地装置的一般要求

(1)应尽量利用一切金属管道及金属构件作为自然接地体,易燃、易爆管道除外。

(2)不同电压的电气设备可共用同一接地体,但接地电阻都应符合要求。

(3)中性点接地1KV以下架空线在进户线入口应重复接地。

(4)避雷器有放电间隙,应与被保护设备的外壳共同接地。

4.接地装置的安装

(1)接地装置分为接地体和接地线两部分。

a.接地体多为人工接地,即用不同形状和大小的钢材埋入地下布成的。多用φ38~50mm,壁厚3.5mm,长2.5m的钢材或50*50*5mm,长2.5m的角钢作接地体。

b.        安装:接地体重直打入深0.8~1m,宽0.5m的沟中心,接地体离建筑物的基础距离在2m以内,接地体应露出地面600mm左右,与地下其它管路的距离应在5m以上,与电缆及管道交叉时距离应大于100mm;平行时距离应大于300~350mm

c.接地线:可用绝缘钢芯、铝芯、导线扁钢、圆钢等。

(二)     防雷

1.雷电的危害主要有以下两种:

a.直接雷电引起的危害:当线路或设备接受到雷击时产生的过电压数值高达几百万伏,危害极大。

b.        感应雷电危害:当建筑物或架空线路上空有雷云时,感应出与雷云电荷极性相反的电荷,会使建筑物或架空线路,对地面产生过高的感应电压,造成室内金属物体放电,从而引起火灾、爆炸、危及人身安全或供电系统被破坏。

2.防雷措施

a.架空线路在电杆顶装设避雷线,避雷线与接装置联在一起,或者对线路绝缘水平较低的部位增设避雷器或保护间隙加以保护,也可通过提高线路本身绝缘水平来防止雷声,还有广泛采用自动重合闸来辅助防雷。

b.        直击雷击建筑物的部位与其屋顶坡度有关,屋顶的避雷针,避雷带或网的接地电阻一般要求小于10Ω,每座建筑物至少有两根接地的引下线,引下线间距为30~40m,引下线支撑卡的间的距离在1.5~2m

c.对于高电位的雷击侵入,多在进户线墙壁安置保护间隙,或者将瓷瓶的铁脚接地,接地电阻小于20Ω。允许与防护雷击的接地装置联在一起。

3.接闪器

接闪器是专门用来接雷击的金属体,如避雷针、避雷线、避雷带和避雷网,它们都用引下线与接地体相连。

a.常见的避雷针是用镀锌圆钢焊接制成,长度在1.5m以上时圆钢直径不小于20mm,壁厚不能小于2.75mm;长度在3m以上时,需用几节不同直径的钢管组合起来。

b.避雷针与接地极之间的引下线,如用镀锌圆钢,直径不小于8mm;如采用扁钢厚度不小于4mm,截面不小于48平方毫米,并且在近地面2m段需加保护套。

c.避雷针引下线及接地极之间必需用焊接,焊接点涂沥青防腐漆。

d.在安装时,避雷针接地线的入地点到主电力变压器接地线的入地点,沿接地线接地体的距离不小于15m,以防避雷针放电时反击击穿变压器的低压侧线圈,接入地点应距人行道3m以外。

e.照明线、电话线应远离避雷针走线。

f.避雷线一般用截面不小于35平方毫米的镀锌钢绕线架设在架空线路之上,以保护线路免受直接雷击。

UPS不间断电源安全用电常识

1.触电是指电流通过人体时造成对人体的伤害现象。轻度触电会造成人体局部的损伤,重者则可以至残甚至死亡。

2.触电对人体的伤害程度与流过人体的电流强度、频率、持续时间以及电流流过人体的部位和触电者生理素质、人体电阻、触电方式等因素有关。通常低频电流比高频电流更严重;而电流流经心脏与神经系统则最危险。

3.常见的几种触电方式

(1)单线触电:即人体碰到一根火线时电流从火线经人体再经大地流回到电力系统之中点。这时人体承受的电压是相电压,其危险程度取决于人体与地面间的接触电阻。当相电压在1000V以下时,人体碰到任何一相后电流通过人体经另外两根相线对地绝缘电阻和分布电容而形成回路,如果相线对地绝缘电阻较高,一般不会发生问题。如在6-10KV,由于电压高,所以触电电流大,几乎是致命的,加上电弧灼伤,情况更严重。

(2)双线触电:电流从一根导线经过人体至另一根导线,在电流回路中只有人体电阻,其电压为线电压或相电压。在这种情况下,触电者即使穿上绝缘靴或站在绝缘台上也起不了保护作用,所以双线触电是最危险的。

(3)发生触电的原因大致如下:

a.违章作业。

b.        电气线路和设备存在缺陷、绝缘体损坏。

c.电气设备的接地(零)线折断,锈蚀损坏。

d.        偶然的意外事故,如电线断落接触人体等。

    因此只有严格遵守安装规程、电气装置检修规程、电气设备运行规程、安全操作技术规程及其它一系列安全生产、文明生产制度才能杜绝触电事故的发生。

4.触电的预防措施

知道触电的原理后,采取和遵守安全预防措施,触电是可以避免的。

六:UPS 不间断电源系统电力容量的计算

1.UPS系统负载容量的计算,与一般的电力设备相同,其计算公式如下:

三相电路    P=  3 ×E×I                            1

单相电路    P= E×I                                  2

            EV):线间电压

            IA):线路电流

              PVA):负载容量

UPS电源容量计算必须具备的条件:

(1)负载表

    在计算UPS容量时,可从负载表中的负载种类、电压、电流、利用公式(1)、(2)求出个别负载容量,再进行累加所得和,即为额定负载总和。

(2)瞬间启动电流值

UPS电源系统会因受负载瞬间启动电流的影响,而进入过载保护状态,此时若无市电,UPS电源会切离输出,导致负载停电,故于UPS电源容量设定上应将瞬间启动电流列入考虑(瞬间启动电流会因负载不同而有所差异)。

             Pb+Ps

        Pr                                              3

             1.2~1.5

             Ps(VA)UPS系统容量

             Pb(VB):已运转中的容量

             Pr(VI):瞬间启动容量

(3)状态电压变压动值

为避免瞬间投入重载导致状态变动过大而影响负载供电,故一般负载急剧动值设定为50%

              Ps

        Pr                                              4

              0.5

(4)高谐波电流值

    电脑系统因都是容性负载(因其电源为高频交换式电源供应器),其负载电源非正弦波,故在UPS容量考虑上应注意是否有剩余。

一般经验值   A.三相负载  Pr1.2~1.4Ps                               5

             B.单相负载  Pr1.3~2.0Ps                               6

    未来预备增加容量依客户未来负载的增加容量进行考量,依(1~6)式进行计算取其较高者,再加上未来预备增加容量即为系统规划容量。

2.UPS不间断电源电池容量的计算

负载一定时,容量的计算公式:

                  W*T

            C=            

                Bf*Pf*Vb

             CAH):电池容量

             VbV): 截止电压(Low Dc开机电压)

                  Pf:机器效益(0.9

               W(W):负载容量

                  Bf:电池放电率(0.6

              TH):放电时间

例如:

客户购买一台欧瑞电力ORU-10KVA/DD延时1小时使用,该如何选择电池容量(满载8000W工作)。

     已知Vb=190VW=8000WT=1H,根据

         W*T           8000*1

     C=           =               =77AH

        Bf*Pf*Vb      0.6*0.9*190

考虑到电池放电率、选取的电池容量大于计算容量,故选取电池为:12V/80AH*18PCS

(2)电池的充电时间一般应在12小时以上才能全部充饱。


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