小容量UPS电源的操作过电压防护方案
时间：2024-10-28 阅读：13
在建筑、通信、电力等领域，过电压保护已经成为的一部分。然而，UPS电源作为一种供电系统，其过电压保护技术和应用仍然不能被正确理解甚至忽视。本文根据实际情况，提出了相应的解决方案，以满足UPS应用中过电压保护的要求。
1.过压保护概念的变化
当远处发生雷击时，雷电浪涌通过电网或通信线路传递给设备。虽然设备可能不会立即损坏，但也会对设备内部造成累积损坏。此外，随着经济的快速发展，设备遭受线路其他浪涌干扰(如各种电力设备启动运行对电网造成操作过电压现象)的可能性也较高，对设备的影响可能更大。
因此，简单直观地得出“没有雷电就不需要过电压保护”的结论显然是不正确的。可以说，目前的过电压保护工作已经从传统的防雷保护转变为直击雷、雷电电磁脉冲、地电位反击和操作过电压的综合保护。
2.不间断电源应用中“防雷”的误区
2.1误区之一：“避雷器”只是防雷。
在UPS的实际应用中，经常会遇到这种情况：明明天空晴朗，感觉不到闪电，但是UPS内置的“雷电保护器”却损坏了。用户说UPS机质量有问题，但UPS本身还是可以正常工作的。
如果附近没有重型电力设备，用“操作过电压”说服用户并不容易。事实上，国外对这类普通低压配电线路的各种电压浪涌有很多统计和报道。例如，美国的一项统计显示，在10000小时内，线路间各种电压值的浪涌次数，超过原工作电压两倍以上的浪涌次数，达到800次以上，其中超过1000伏的浪涌次数超过300次。
可以想象，根本不需要闪电，有可能让“雷电保护器”移动或被损坏。
2.2误区二：便宜的“避雷器”也有防雷作用。
出于相关法规的考虑，很多用户要求UPS以较低的价格配备“防雷装置”。为了“满足”用户的要求，有些厂家只是安装一个小变阻器，这也叫“防雷”。其实一般来说，小电流容量的压敏电阻只能起到一定的过压保护作用。如果确实需要防雷，必须考虑足够的电流容量设备和相关成本。
3.不间断电源过压保护要求
作为供电系统，UPS必须从多个方面进行线路连接，包括市电交流输入、UPS交流输出、通信接口等。严格来说，这三个端口都要配备过压保护。本文主要讨论交流端口的操作过电压保护。UPS的过电压保护有两层含义：一方面，各种外部浪涌或电压尖峰对UPS有一定影响，需要保护；另一方面，这些浪涌或电压尖峰可能会通过UPS影响负载，必要时需要保护。
4.小容量不间断电源的电源过压保护特性
配备大型UPS的数据中心或控制中心，其所在的楼宇或机房一般有较为完整的整体防雷系统，到达UPS端的过电压剩余值不高；但小型UPS的使用环境相对较差。除防雷外，还应考虑对周围电网操作过电压的浪涌保护。
另一方面，大型UPS成本空间更大，保护方案容易实现；但小型UPS成本有限，可采用的防护措施和装置有限。
5.小容量不间断电源的电源过压保护方案
过电压保护措施的效果和成本与其装置和方案的选择有重要关系。选择工作电压较低、电流容量较大的SPD器件可以降低剩余电压，但工作电压过低会导致SPD器件频繁工作，因供电不稳定而提前失效，而电流容量过高则会导致保护成本较高。通常，小容量UPS主要关心的不是防雷，而是电源操作过电压的保护。
5.1早期计划
在早期的设计中，出于成本的考虑，小型UPS类似于其他常见的电源产品，一般采用14D471的氧化锌压敏电阻(MOV)对220Vac输入EMI进行过压保护。
一般14D471变阻器产品的电流容量在6kA左右(8/20s，一次)以下，在电网稳定的地区没有问题，但在电网不稳定的地区，使用14D471变阻器容易损坏。这是因为操作过电压浪涌虽然幅度低于雷电浪涌，但持续时间较长，且具有周期性，被电流容量较小的压敏电阻吸收。
5.2方案的改进
一种解决方案是增加MOV的电流容量，例如选择20D471、25D471甚至32D471的MOV器件，将电流容量增加到10kA到25KA左右(8/20s，一次)。这样既能承受过电压能量的长期或周期性放电，又能使线路上的剩余电压保持在较低水平。但是，这将明显增加保护成本(几十倍)。
另一种解决方案是提高MOV的工作电压，例如选择14D561或14D621等MOV器件，将工作电压从470伏提高到560伏或620伏。这样，在不改变流量的情况下，在不增加成本的情况下，明显降低了MOV的运行概率和能量排放时间。然而，这将增加管线上的残余压力。气体放电管(GDT)是一种适合使用的新型SPD器件，因为它的价格相对便宜。与MOV相比，GDT有以下重要特点：
a)与MOV相比，GDT具有更好的重复放电特性，不易损坏。
b)。MOV是箝位元件，而GDT是短路元件。一旦GDT操作，它就处于类似于短路的低电阻状态，并且它的短路操作可以持续大约半个周期(10ms)直到过零。因此，如图2所示，气体放电管一般需要与短路保护装置(如熔断器或断路器等)一起使用。).
c)。GDT的电压精度低于MOV。一般来说，MOV的电压精度为10%，而GDT的电压精度为20%。
对于户外UPS，由于雷电浪涌和操作过电压频繁，考虑到短路保护装置恢复不方便，一般不宜直接使用气体放电管作为过电压保护装置。
5.3组合方案
因为MOV和GDT有不同的性能特点，所以他们的应用也有很大的不同。理想的过电压保护装置要求漏电流小、动作响应快、剩余电压低、不易老化等，但现有的单个装置不能满足要求。
浪涌冲击下，MOV和GDT器件的剩余电压波形分别如图3所示：
为了结合两种设备的特点，可以将两种设备结合起来，充分发挥各自的优势。
如图4所示，这两个设备串联使用。MOV的漏电流比GDT大，但GDT没有这个问题。然而，GDT存在跟随潮流的问题。MOV与MOV串联使用后，对其有一定的限流作用，能及时中断后续电流。
在实际应用中，也可以改进在放电管两端并联电容器，如图4所示。当浪涌发生时，电容器的初始充电状态相当于短路，使MOV先导通，同时电容器作为GDT的储能元件。电容器充电后，GDT接通并形成电容器的放电回路。
为了降低负载端的剩余电压幅值，还需要在UPS的输出端增加一级SPD，从而形成如图6所示的二级SPD保护网络。SPD1作为一级过电压保护装置，浪涌侵入时剩余电压较高，而SPD2作为二级过电压保护装置，剩余电压较低。
6.结论
过电压保护装置的故障也是UPS电源的故障，也会给UPS的使用和维护带来很大的不便。在低成本条件下，选择和设计合适的过电压保护措施已成为现代不间断电源应用的重要环节。
1.过压保护概念的变化
当远处发生雷击时，雷电浪涌通过电网或通信线路传递给设备。虽然设备可能不会立即损坏，但也会对设备内部造成累积损坏。此外，随着经济的快速发展，设备遭受线路其他浪涌干扰(如各种电力设备启动运行对电网造成操作过电压现象)的可能性也较高，对设备的影响可能更大。
因此，简单直观地得出“没有雷电就不需要过电压保护”的结论显然是不正确的。可以说，目前的过电压保护工作已经从传统的防雷保护转变为直击雷、雷电电磁脉冲、地电位反击和操作过电压的综合保护。
2.不间断电源应用中“防雷”的误区
2.1误区之一：“避雷器”只是防雷。
在UPS的实际应用中，经常会遇到这种情况：明明天空晴朗，感觉不到闪电，但是UPS内置的“雷电保护器”却损坏了。用户说UPS机质量有问题，但UPS本身还是可以正常工作的。
如果附近没有重型电力设备，用“操作过电压”说服用户并不容易。事实上，国外对这类普通低压配电线路的各种电压浪涌有很多统计和报道。例如，美国的一项统计显示，在10000小时内，线路间各种电压值的浪涌次数，超过原工作电压两倍以上的浪涌次数，达到800次以上，其中超过1000伏的浪涌次数超过300次。
可以想象，根本不需要闪电，有可能让“雷电保护器”移动或被损坏。
2.2误区二：便宜的“避雷器”也有防雷作用。
出于相关法规的考虑，很多用户要求UPS以较低的价格配备“防雷装置”。为了“满足”用户的要求，有些厂家只是安装一个小变阻器，这也叫“防雷”。其实一般来说，小电流容量的压敏电阻只能起到一定的过压保护作用。如果确实需要防雷，必须考虑足够的电流容量设备和相关成本。
3.不间断电源过压保护要求
作为供电系统，UPS必须从多个方面进行线路连接，包括市电交流输入、UPS交流输出、通信接口等。严格来说，这三个端口都要配备过压保护。本文主要讨论交流端口的操作过电压保护。UPS的过电压保护有两层含义：一方面，各种外部浪涌或电压尖峰对UPS有一定影响，需要保护；另一方面，这些浪涌或电压尖峰可能会通过UPS影响负载，必要时需要保护。
4.小容量不间断电源的电源过压保护特性
配备大型UPS的数据中心或控制中心，其所在的楼宇或机房一般有较为完整的整体防雷系统，到达UPS端的过电压剩余值不高；但小型UPS的使用环境相对较差。除防雷外，还应考虑对周围电网操作过电压的浪涌保护。
另一方面，大型UPS成本空间更大，保护方案容易实现；但小型UPS成本有限，可采用的防护措施和装置有限。
5.小容量不间断电源的电源过压保护方案
过电压保护措施的效果和成本与其装置和方案的选择有重要关系。选择工作电压较低、电流容量较大的SPD器件可以降低剩余电压，但工作电压过低会导致SPD器件频繁工作，因供电不稳定而提前失效，而电流容量过高则会导致保护成本较高。通常，小容量UPS主要关心的不是防雷，而是电源操作过电压的保护。
5.1早期计划
在早期的设计中，出于成本的考虑，小型UPS类似于其他常见的电源产品，一般采用14D471的氧化锌压敏电阻(MOV)对220Vac输入EMI进行过压保护。
一般14D471变阻器产品的电流容量在6kA左右(8/20s，一次)以下，在电网稳定的地区没有问题，但在电网不稳定的地区，使用14D471变阻器容易损坏。这是因为操作过电压浪涌虽然幅度低于雷电浪涌，但持续时间较长，且具有周期性，被电流容量较小的压敏电阻吸收。
5.2方案的改进
一种解决方案是增加MOV的电流容量，例如选择20D471、25D471甚至32D471的MOV器件，将电流容量增加到10kA到25KA左右(8/20s，一次)。这样既能承受过电压能量的长期或周期性放电，又能使线路上的剩余电压保持在较低水平。但是，这将明显增加保护成本(几十倍)。
另一种解决方案是提高MOV的工作电压，例如选择14D561或14D621等MOV器件，将工作电压从470伏提高到560伏或620伏。这样，在不改变流量的情况下，在不增加成本的情况下，明显降低了MOV的运行概率和能量排放时间。然而，这将增加管线上的残余压力。气体放电管(GDT)是一种适合使用的新型SPD器件，因为它的价格相对便宜。与MOV相比，GDT有以下重要特点：
a)与MOV相比，GDT具有更好的重复放电特性，不易损坏。
b)。MOV是箝位元件，而GDT是短路元件。一旦GDT操作，它就处于类似于短路的低电阻状态，并且它的短路操作可以持续大约半个周期(10ms)直到过零。因此，如图2所示，气体放电管一般需要与短路保护装置(如熔断器或断路器等)一起使用。).
c)。GDT的电压精度低于MOV。一般来说，MOV的电压精度为10%，而GDT的电压精度为20%。
对于户外UPS，由于雷电浪涌和操作过电压频繁，考虑到短路保护装置恢复不方便，一般不宜直接使用气体放电管作为过电压保护装置。
5.3组合方案
因为MOV和GDT有不同的性能特点，所以他们的应用也有很大的不同。理想的过电压保护装置要求漏电流小、动作响应快、剩余电压低、不易老化等，但现有的单个装置不能满足要求。
浪涌冲击下，MOV和GDT器件的剩余电压波形分别如图3所示：
为了结合两种设备的特点，可以将两种设备结合起来，充分发挥各自的优势。
如图4所示，这两个设备串联使用。MOV的漏电流比GDT大，但GDT没有这个问题。然而，GDT存在跟随潮流的问题。MOV与MOV串联使用后，对其有一定的限流作用，能及时中断后续电流。
在实际应用中，也可以改进在放电管两端并联电容器，如图4所示。当浪涌发生时，电容器的初始充电状态相当于短路，使MOV先导通，同时电容器作为GDT的储能元件。电容器充电后，GDT接通并形成电容器的放电回路。
为了降低负载端的剩余电压幅值，还需要在UPS的输出端增加一级SPD，从而形成如图6所示的二级SPD保护网络。SPD1作为一级过电压保护装置，浪涌侵入时剩余电压较高，而SPD2作为二级过电压保护装置，剩余电压较低。
6.结论
过电压保护装置的故障也是UPS电源的故障，也会给UPS的使用和维护带来很大的不便。在低成本条件下，选择和设计合适的过电压保护措施已成为现代不间断电源应用的重要环节。