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    發布時間:2020-07-15 00:00:00

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    醫療電氣中工頻UPS和隔離變壓器的關系分析

    • 行業快訊
    • UPS應用
    • 發布時間:2022-05-17 10:35
    • 瀏覽量:

    電源作為醫療設備穩定運行的基礎條件,其安全性、可靠性、持續性受到越來越多的關注,交流不間斷電源(UPS)作為重要的電能質量設備以其自身的優勢,被大規模應用在醫療電氣設計中。

    醫療電氣中工頻UPS和隔離變壓器的關系分析

    電源作為醫療設備穩定運行的基礎條件,其安全性、可靠性、持續性受到越來越多的關注,交流不間斷電源(UPS)作為重要的電能質量設備以其自身的優勢,被大規模應用在醫療電氣設計中。

    • 行業快訊
    • UPS應用
    • 發布時間:2022-05-17 10:35
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    詳情

    隨著醫療水平的不斷提高,大量精密醫療設備在醫療、預防、康養、教學和科研工作中得以廣泛應用。如何使這些設備平穩運行、充分發揮性能,已成為設備管理和使用人員面臨的主要問題。電源作為醫療設備穩定運行的基礎條件,其安全性、可靠性、持續性受到越來越多的關注,交流不間斷電源(UPS)作為重要的電能質量設備以其自身的優勢,被大規模應用在醫療電氣設計中。相關的標準和規范為UPS的正確使用提供了依據,避免了大量問題的產生,但隨著UPS的成熟應用發現標準和規范中的有些條款存在容易引起歧義或值得商榷之處。

     

    一  醫療場所對UPS的需求

     

    依據IEC標準和JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》、GB16895.24《建筑物電氣裝置第7-710部分:特殊裝置或場所的要求醫療場所》在醫療電氣設計中,劃分場所的方式有兩種:一是按醫療電氣設備與人體接觸的狀況和斷電的后果,將醫療場所分為0類場所、1類場所及2類場所;另一是按醫療場所電源轉換時允許間斷供電的時間,分為t≤0.5s、0.5s15s三個等級。在圖集19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》第9頁給出了“醫療場所及設施的類別劃分與要求自動恢復供電的時間”要求,在第10頁給出了各級電源對應供電恢復時間和對應配備的電源設備,如下表1:

    在TN-S供電系統中,為滿足負荷對于UPS輸出接地形式的要求,有時需配置隔離變壓器以實現UPS輸入端與輸出端的中性導體系統隔離的目的。在JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》第4.4.6條規定了“TN-S系統中的不間斷電源裝置(UPS)輸出為三相時,應加裝三相隔離變壓器并作重復接地”。
      
      行業內對本條規范的理解出現了很大分歧,一部分人員認為條文中含有“隔離變壓器”即可把“工頻UPS”中的輸出變壓器當作隔離變壓器看待,將其中點直接接地即可實現重復接地;另一部分人員認為無論是“工頻UPS”還是“高頻UPS”均應考慮變壓器是否真正的實現了對包括中性線在內的所有導體的電氣隔離,而后才能進行重復接地。下面針對這一分歧從UPS構成原理、醫療電氣系統的要求、相關標準的規定等方面展開論述。

     

    二  UPS類型介紹

     

    行業內將在線雙變換式UPS分為工頻機和高頻機,在15D202-3《UPS與EPS電源裝置的設計與安裝》“UPS電源裝置編制說明”第3條“UPS按整流方式的不同”給出了“工頻UPS”和“高頻UPS”的定義:
      
      “3.1由可控硅SCR(晶閘管)整流器,IGBT(絕緣柵雙極晶體管)逆變器、旁路和工頻升壓器組成的UPS,其因整流器的變壓器工作頻率均為工頻50Hz,簡稱為工頻UPS此類UPS整流方式為降壓整流,有6脈沖與12脈沖兩種形式。”
      
      “3.2由IGBT高頻整流器、電池變換器以及IGBT逆變器和旁路所組成的UPS,IGBT可以通過控制加在其門極的驅動來控制IGBT的開通與與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在20kHz以下,相對于50Hz工頻,簡稱高頻UPS,此類UPS整流方式通常為升壓整流。”
      
      根據以上定義工頻UPS和高頻UPS典型的拓撲結構(不含維修旁路)示意圖1、圖2。

     

     

     

    工頻UPS和高頻UPS各組成部分功能:
      
      1.整流器(Rectifier):將由主路輸入的交流整流為直流,為逆變器和蓄電池提供直流電能,工頻機使用晶閘管整流,高頻機使用IGBT整流。
      
      2.蓄電池充電器(BatteryCharger):完成蓄電池充放電管理功能。因工頻機使用晶閘管整流直流母電壓較低,蓄電池可直掛母線進行充放電管理,高頻機由于母線電壓較高,電池直掛母線的方式不再合理,采用了獨立的電池充電管理器。
      
      3.逆變器(Inverter):將直流母線的直流電逆變為交流電輸出。
      
      4.輸出變壓器(Output Transformer):完成升壓和輸出濾波兩個功能。工頻機由于直流母電壓較低,經逆變器逆變后輸出的交流不能達到380V,故采用輸出變壓器完成升壓,同時利用變壓器電感完成濾波。
      
      5.輸出濾波電感(Output Filter Inductor):完成輸出濾波功能。高頻機由于直流母線電壓較高經逆變器輸出后交流電壓可以達到380V甚至更高,不再需要使用升壓變壓器,將其替換為更加實用的輸出濾波電感。

     

    三  工頻UPS輸出變壓器不是隔離變壓器

     

    從圖1和圖2可以看出工頻UPS和高頻UPS對中性線處理方式是一致的,即UPS的主路和靜態旁路共用中性線N,中性線N從UPS的輸入端輸入為靜態旁路和主路的整流器、電池充電器、逆變器提供基準電位后經UPS的輸出端輸出。主要差別之一是在UPS的逆變器輸出端的不同,工頻UPS逆變器后連接的是輸出變壓器,高頻UPS逆變器后連接的是輸出濾波電感;另一個差別是工頻UPS中性線N連接至輸出變壓器二次側繞組重新建立的中性點后輸出,高頻UPS中性線N未與輸出濾波電感連接而直接輸出。工頻UPS中性線N需要連接輸出變壓器二次側中性點的原因是:
      
      1、工頻UPS整流器采用晶閘管整流,直流母線電壓經逆變器逆變輸出后的交流達不到380V要求,為滿足負載額定電壓,需經輸出變壓器進行升壓,同時利用變壓器的電感完成濾波。UPS在工作時會根據負載或自身的情況調整工作狀態即在主路工作模式和旁路工作模式之間相互切換,旁路所接市電與逆變器的輸出測(輸出變壓器的一次側)存在壓差,不允許接入。因此旁路和中性線N接在了變壓器的二次側。
      
      2、主路工作模式時UPS輸出的交流電是由市電經過整流器整流為直流后經逆變器逆變產生的,與市電輸入的交流電在電氣上可認為是隔離的。在電池工作模式時UPS輸出的交流為蓄電池中的直流電能經逆變轉換產生的,與市電輸入的交流電在電氣上也可認為是隔離的,其中性線不依賴于市電提供的中性線,整個系統可以認為是不依存于輸入市電的接地方式的“另起系統”。為實現UPS的主路和旁路的同步切換,在設計時在UPS內部將主路和旁路中性線N短接在一起,二者獲得了相同的基準電位,該設計使不同的中性線系統在同一供電范圍內共存成為可能。避免了不同中性導體系統中性線N之間電位差不同以及電磁兼容(EMC)帶來的問題。相關描述可參見GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》第444.4.6.1條、GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》第7.1.2條。
      
      從以上描述可知工頻UPS的中性線N從UPS輸入側直接連接到輸出變壓器二次側的中性點,而GB19212.1-2016《電力變壓器、電源、電抗器和類似產品的安全第1部分:通用要求和試驗》第19.1條及GB19212.16-2017《變壓器、電抗器、電源裝置及其組合的安全第16部分:醫療場所供電用隔離變壓器的特殊要求和試驗》第19.1條規定:“輸入和輸出電路在電氣上彼此隔離,其結構應使這些電路之間不可能存在任何直接的或間接通過其他導電零部件的連接。”可見工頻UPS輸出變壓器對中性線N處理問題上違反了上述規定,所以工頻UPS的輸出變壓器并非是輸出隔離變壓器。

     

    四  工頻UPS輸出變壓器不能直接接地

     

    根據上文描述,工頻UPS輸出變壓器并不是隔離變壓器,且中性線N從UPS的輸入端輸入為靜態旁路和主路的整流器、電池充電器、逆變器提供基準電位后經UPS的輸出端輸出,如在工頻UPS的輸出端將中性線N進行接地,將改變接地系統的性質,其分析過程如圖3所示:

    圖3中左側圖形為工頻UPS輸出變壓器二次側的中性點未做重復接地的TN-S系統,右側圖形為工頻UPS輸出變壓器二次側的中性點與地線PE連接于點P后的系統。
      
      從圖中可以看出當輸出變壓器二次側的中性點于P點接地后,在P點至電源接地之間的中性線和地線PE具有了相同的電位,在電氣上PE線和中性線N此時等價為一條PEN線。從P點到電源接地點之間的部分變成了TN-C系統,整個系統變成了TN-C-S系統。
      
      在醫療電氣相關標準、規范中明確規定醫療配電系統嚴禁采用TN-C系統,如表2所示:

     

    五  幾種推薦的UPS配置隔離變壓器方式

     

    從以上分析可知工頻UPS輸出變壓器不是隔離變壓器也不能做重復接地。下面推薦幾種UPS配置隔離變壓器的方法。

     

    1. UPS旁路配置隔離變壓器

     

    依據GB51348-2019《民用建筑電氣設計標準》第6.3.7條,UPS輸出端的隔離變壓器為TN-S、TT接地形式時,中性點應接地。其條文說明:在TN-S供電系統中,為滿足負荷對于UPS輸出接地形式的要求,必要時應該配置隔離變壓器。這是因為UPS的旁路系統輸入中性導體與輸出中性導體連接在一起,UPS的輸入端與輸出端的中性導體必須是同一個系統。但是,在一些應用中UPS的負荷對于中性導體系統有特別的要求,這時有可能在UPS的旁路輸入側配置隔離變壓器,通過隔離變壓器使得UPS輸入端與輸出端的中性導體系統是兩個不同的中性導體系統。因此規定中性點應接地且應與由接地裝置直接引來的接地干線可靠連接。根據以上說明高頻UPS和工頻UPS在旁路配置隔離變壓器的方式分別如圖4和圖5所示:

     

     

    2. UPS輸出配置隔離變壓器

     

    當UPS處于主路雙變換模式或電池模式時,其中性線不依賴于市電提供的中性線,輸出的三相交流電可認為是同市電輸入隔離的“另起系統”,此時僅需對旁路輸入市電進行隔離處理,可將圖4和圖5中旁路的變壓器沿導線“平移”至輸出端,如圖6和圖7所示:

    圖6和圖7在UPS輸出端配置隔離變壓器的方式相對圖4和圖5在UPS在UPS旁路配置隔離變壓器的方法操作更加方便、靈活,在工程現場更容易實現。此外,變壓器的位置可以不受UPS位置的限制,可脫離UPS放置于靠近負荷位置,縮短中性線距離,減小中性線阻抗,降低零地電壓。尤其是當UPS含有維修旁路時在輸出端加裝隔離變壓器的方式優勢更突出。
      
      此外,醫療電氣IT系統中也會涉及到UPS和隔離變壓器,但因為限制故障半徑等原因,醫療IT系統所用UPS及變壓器通常使用10KVA以下的單相UPS和單相變壓器。

     

    結束語

    綜上所述,三相工頻UPS輸出變壓器N線直接連在變壓器的二次側,無法達到UPS輸入端與輸出端的中性導體系統隔離的目的,因此不能當中隔離變壓器使用;工頻UPS輸出變壓器不能直接接地,直接接地后系統中將出現TN-C系統違反醫療配電系統嚴禁采用TN-C系統的規定;當UPS需配置隔離變壓器時,最理想的方式是在UPS的輸出端配置。

     

    參考文獻

    [1]《數據中心UPS供電系統中開關極數與安全性的關系分析》曾顯達王軍王星;  
      [2]GB/T19212.1-2016《變壓器、電抗器、電源裝置及其組合的安全第1部分:通用要求和試驗》;  
      [3]GB19212.16-2017《變壓器、電抗器、電源裝置及其組合的安全第16部分:醫療場所供電用隔離變壓器的特殊要求和試驗》;  
      [4]19D706-2《醫療建筑電氣設計與安裝》;  
      [5]JGJ312-2013《醫療建筑電氣設計規范》;  
      [6]GB51039-2014《綜合醫院設計規范》;  
      [7]GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低壓電氣裝置第4-44部分:安全防護電壓騷擾和電磁騷擾防護》;  
      [8]GB16895.24-2005/IEC60364-7-710:2002《建筑物電氣裝置第7-710部分:特殊裝置或場所的要求醫療場所》;  
      [10]GB50052-2009《供配電系統設計規范》;  
      [11]GB14050-2008《系統接地的型式及安全技術要求》;  
      [12]GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設計規范》;  
      [13]《建筑物電氣裝置600問》王厚余;  
      [14]《工業與民用供配電設計手冊》第四版中國航空規劃設計研究總院有限公司。

     

    作者簡介
      
      張陽

          長期從事數據機房基礎架構設計和應用產品推廣支持工作,熟悉機房電源產品和空調產品的技術特點及應用需求,現在伊頓公司從事機房動力解決方案支持工作。

      曾顯達

          伊頓電源(上海)有限公司,高級應用架構師/高級工程師。伊頓電源(上海)有限公司高級應用架構師,從事UPS技術工作和數據中心架構設計多年,對UPS產品及供配電系統有較深入的研究。

      王軍

          于2020年加入伊頓,現就職于伊頓電源(上海)有限公司,任資深解決方案架構師職務。1983年生,在UPS行業有近20年從業經驗,先后從事過UPS維修、維護、系統架構的設計、方案的制訂,參與多個大型數據中心的設計建設,對UPS系統的特殊應用,具有豐富的應用實踐經驗。

     

     

    ——本文轉載自《數據中心建設+》雜志

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