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UPS不間斷電源系統基本技術常識

時間:2017-03-16 16:41:17 點擊:
  

UPS不間斷電源基本電學原理

1.  導體、絕緣體與半導體

依物質中的電子是否容易在原子間移動的程度(即導電性),將物質分為導體、絕緣體、半導體。

(1)    導體:導電性良好的物體,比如銀、銅、鋁、鐵等。

(2)    絕緣體:不容易傳導電荷的物體,比如玻璃、塑料等物質。

(3)    半導體:導電性介于導體與絕緣體之間的并且在一定條件下其內部載流子濃度增加,比如鍺、矽、砷、硅等。

2.  電流、電壓

(1)   電流定義為單位時間(t)通過導體截面積的電荷量,即I=Q/ t, Q:電荷(C),

I:電流(A),t:時間(s 。

(2)   電壓定義為一庫侖電荷,從元件一端移動到另一端,所作的功,即U=W/ Q,

U:電壓(V),W:電功(J),Q:電荷(C 。

3.  電阻

阻礙電流通過的阻力稱為電阻。即R:歐姆(Ω)。

4.  歐姆定律

歐姆定律:電路中電流大小與該電路的電壓成正比,而與總電阻成反比。

I=U/R,I:電流(A),U:電壓(V),R電阻(Ω)。

5.  直流電

幅值和方向不隨時間變化的電壓(或電流)。

6.  交流電

(1)    交流電即電壓或電流的幅值和方向隨時間而變化。

(2)    周期性變化的交流電依其波形可分兩大類:

 正弦波:其波形隨時間作正弦曲線變化。

 非正弦波:非正弦波變化的波形,均屬非正弦波,如三角波、方波、鋸齒波等。

(3)    頻率與周期

 頻率:每一秒鐘幅值和方向變化的循環數,即f:赫茲(Hz)。

 周期:幅值和方向完成一個循環所需的時間,即T:秒(s)。

 頻率與周期互為倒數:T=1/f。

(4)    有效值與平均值

    有效值:即rms值,也稱均方根值,我們通常所說的交流電電壓即為交流電的有效

值,其與相同數值的直流電壓加于同一負載上所產生的熱量是相等的。

    Rms= 0.707Vm,Vm為交流電的峰值。

平均值:即ac值,是指一個周期波形所含的總面積除以周期數的數值。

平均值=總面積/周期數,總面積可由數學積分方法算得。

7.  積膚效應

交變電流通過導體時,電流密度值在靠近導體表面處比導體中心處大的現象。

8.  視在功率,有功功率,功率因數

視在功率:在電路中負載兩端電壓與其流過的電流有效值的乘積,即S=UI,

S:瓦特(W),U:負載兩端電壓,I:負載中流過的電流。

    有功功率:電路中負載實際消耗的凈功率,即P=Scosφ,P:瓦特(W),φ:負載兩端電壓U與其流過的電流I的相位差。

功率因數:即有功功率與視在功率之比,即cosφ=P/S 。

9.  變壓器

(1)    變壓器:是依靠電磁感應將電能由某一種電壓變換成同頻率的另一種電壓,還可用來改變電流,變換阻抗,改變相位。

(2)    理想變壓器

如果符合下列條件則稱之為“理想變壓器”。

a.繞組線圈之導線電阻為零,不消耗功率。

b.兩繞組完全耦合,無漏磁情況。

c.無導磁芯體(鐵芯)損失。

d.磁路中磁通正比于激磁電流。

e.繞組的分布電容可忽略。

(3)  初次級電壓、電流與初次級繞組之關系:U1/U2=N1/N2I1/I2=N2/N1。

      U1、U2I1、I2分別表示初、次級電壓與電流。

      N1、N2分別表示初、次級繞組數。

      N1N2時,U1U2為降壓變壓器。

      N1N2時,U1U2為升壓變壓器。

變壓器的效率η,即次級的輸出功率P2與初級的輸入功率P1之比值。即:η=P2/P1。

(4)  自耦變壓器

    自耦變壓器(Auto-transformer)是變壓器的特別類型,其初級和次級共用同一繞組。自耦變壓器初次級電壓、電流與初次繞組之關系與一般變壓器相同。

二:UPS不間斷電源基本電工原理

1. 配線問題

(1)  配線方式

a.各機器之間的配線一般分為三種方式:地面溝槽式,電纜吊架或管道方式進行,溝槽尺寸依據所設電纜之數量多少來定,一般寬約400-600mm,深約250-300mm并且溝槽最好設于UPS底部。

b.在進行UPS配線時,一般要求先將設備環境供電設置好;若從電力變壓器上取電力引入到設備環境,低壓電力線應與高壓電力線相距3m以上距離走線。

(2)  電纜線徑的選擇

在設備之間配線時,對所選之電纜須依設備之容量及設備之間的距離來正確的選擇電纜的容許電流,電壓降及容許短路電流。

a. 電纜的容許電流

    主電路電纜,通??墒褂?span>CV電纜(架橋聚乙烯電纜)并依據電路之額定電流與電纜的容許電流等選定。因鋪設多條電纜可導致電流的容許電流率降低。

b. 電壓降

    尤其UPS系統的輸出電纜,因其向負載穩定供電,其電壓降一般要限制在2%左右,在選用電纜線徑時,亦須先確定此電壓降的數值,其求法如下公式:

V=Rcosφ+X×sinφ)×L×I

式中,V:每單線之壓降,單位:V。

                      R:每1m電纜的電阻,單位:Ω。

                      X:每1m電纜的電抗,單位:Ω。

                  cosφ:功率因數。

                  sinφ:無效功率sinφ=   1-cos2φ 。

                      L:電纜長,單位:m 。

                      I:電纜流過電流,單位:A 。

                     CV:電纜常數(R,X)表(600V)。

c. 短路時的容許電流

    電纜末端一但發生短路時,電纜溫度會急劇上升,甚至可引發火災。通常采用無熔絲開關來執行短路發生時,在電纜最高容許溫度范圍之內徹底切斷路。

CV電纜之正常連續最高容許溫度為90℃,短路時最高容許溫度為230℃。

短路電路與線徑及持續時間關系為:

        I=134×A/T

        I:電流A 。

        A:導體截面積mm2 。

        T:持續時間S 。

從上式可依據短路電流與斷路器的操作時間來確定線徑的大小。在配線過程中選擇電纜電流時,建議為額定電流的1.5-2倍。

2. 過流保護

(1)  當由于負載嚴重超載或系統設備發生事故導致線路出現過電流時,如能及時切斷UPS之輸出或電力供電線路,可以使系統設備得到保護,以及不會影響到該電力供應線上其它用戶之系統對電力的正常需要,并且,所配電纜也同樣受到保護,避免火災發生。

(2)  一般采用斷路器來作切斷元件,常見的有無熔絲開關(MCCB),快速熔斷絲,半導體開關等,由于UPSINV逆變系統過電流時,僅以保護內部的半導體為目的,故其動作時間十分短暫,快速動作時間僅0.1ms。因此過電流發生時,應在10ms極短時間內切斷負載。

    無熔絲開關(MCCB):一般僅用作低壓電路過電流保護設備用,分為電磁式(CT式),雙金屬型無熔絲開關兩種。電磁式無容絲開關是利用過電流之電磁力將活動節點釋放之機械式斷路器。雙金屬型無熔絲開關是利用雙金屬發熱產生的動力將活動節點釋放之機械式斷路器。電磁式比雙金屬型斷路速度和準確度高,且后者誤差達±20%。條件容許時,斷路器都選用電磁式,而主斷路器更須選用電磁式無熔絲開關。在配線時,電磁式無熔絲開關安培數要小于所接電纜的安培數。

(3)  快速熔斷絲:熔斷速度較一般熔絲和MCCB快,適合INV逆變輸出作斷路器用,能在短時間范圍熔斷,熔絲是利用消弧劑矽砂將純銀元件板予以密封制成。

a. 在低于10ms時,熔絲是以I2t值來判定,在I2t容許值以下熔絲不熔,當達10ms全部斷路I2t值時,即為熔絲斷路完畢前的I2t值。

b. 當熔絲用于短路保護時,短路電流超過故障電流10倍以上即可不必考慮I2t值與電流間的關系。

c. 熔絲屬于串聯連接電路,若須保持高階熔絲與低熔絲之協調時,尚須具備以下條件:高階容許I2t值≥低階的全部斷路I2t值。

三:UPS不間斷電源蓄電池的設置

目前在UPS系統配置蓄電池多為免維護型鉛酸蓄電池,在未使用而又長時期不予充電時,便自行緩慢放電,其電荷量將不斷減小,若緊急備用時,UPS不能正常由電池供電。因此,為防止電池放電,須經常保持電池處于浮動充電狀態,并且至少2個月對電池充放電一次,以利延長電池壽命。

1.對于單個HS式鉛酸蓄電池,其浮動充電電壓為2.18V,均衡充電電壓為2.3V,如12V/7AH     HS式鉛酸蓄電池,其浮動充電電壓為13.08V,均衡充電電壓13.80V。

2.在放電時,一般將其截止電壓設定于約1.63V,如對12V/7AH電池其截止電壓約9.8V,這樣可防止電池由于過放電而損壞。

3.   蓄電池在使用時通常用串聯連接來獲得高電壓;采用并聯連接獲得大電流和高容量。

4.   蓄電池在配置過程中,當所需電池電壓相同而須增大容量時,有兩種方法:

a. 更換電壓相同而容量(AH)大的電池。

b. 兩組電池并聯,并聯聯接時應注意,兩組電池容量(AH)必須相同,并且經充電后,兩組電池之端電壓電壓差<±0.05V 。

四:UPS不間斷電源接地與防雷

(一)     接地

1.  接地一般有四種方式:保護接地、工作接地、重復接地、保護接零。

(1)  保護接地:將電氣設備不帶電的金屬外殼及與之相連的金屬構架用導線和接地體等進行可靠的連接。

(2)  工作接地:將變壓器或發電機的中點進行接地。

(3)  重復接地:將中心線上的一點或多點與大地再次作金屬連接。

(4)  保護接零:在中心點接地的三相四線制系統中,將電氣設備的金屬外殼框架與中心線進行可靠的連接。

注意:(1)家用電器不適合采用保護接零。

     2)同一系統中不宜同時采用“保護接地”和“保護接零”。

2.  接地電阻的要求:

(1)    對于1KV以下,容量100KVA以下的低壓設備接地電阻的要求。

a. 中心點直接接地系統工作接地電阻在4~10Ω以下。

b.中心點不接地系統接地電阻應在4Ω以下。

(2)    靜電放電裝置接地電阻在100Ω以下即可。

(3)    防雷接地裝置應與電氣設備距離在3m以內,并且接地電阻應小于1Ω。

附表:電力設備、防雷裝置及靜電放電裝置的接地電阻規定值。

種類

使用條件

接地電阻(Ω)

說明

1KV以上

高壓設備

 大接地短路

 電流系統

 (I500A)

 

一般情況

R2000/I

 高土壤電阻率

 地區接地電阻

 允許≤5Ω

 I為計算的接地

 短路電流(A)

I400A

   R0.5

 小接地短路

 電流系統

 高低壓設備共

 用的接地裝置

R120/I

一般≤10

 高土壤電阻率

 地區接地電阻

 應≤30Ω

 發電廠變電所

 應≤15Ω

 高壓設備單獨

 用的接地裝置

R150/I

一般≤10

 1KV以下

 低壓設備

 中性點直接

 接地系統

 發電機或變壓器

 的工作接地

R4

 零線上的重復

 接地裝置發電

 機或變壓器容

 量<100KVA

R10

 中性點不接地

 系統

 

 一般情況

R4

 高土壤電阻率

 地區接地電阻

 應≤30Ω

 發電機或變壓

 器容量

 100KVA

R10

 利用大地作導線

 電力設備

 永久性接地

R50/I

 低壓電網禁止使用

 大地作導線

 I為接地裝置流入

 大地的電流(A)

 臨時性工作接地

R100/I

 防雷裝置

 接地裝置與電器設備

 距離<3m

RI

 

采用共同接地方式

 靜電放電裝置

 接地裝置

R100

3.接地裝置的一般要求

(1)應盡量利用一切金屬管道及金屬構件作為自然接地體,易燃、易爆管道除外。

(2)不同電壓的電氣設備可共用同一接地體,但接地電阻都應符合要求。

(3)中性點接地1KV以下架空線在進戶線入口應重復接地。

(4)避雷器有放電間隙,應與被保護設備的外殼共同接地。

4.接地裝置的安裝

(1)接地裝置分為接地體和接地線兩部分。

a.接地體多為人工接地,即用不同形狀和大小的鋼材埋入地下布成的。多用φ38~50mm,壁厚3.5mm,長2.5m的鋼材或50*50*5mm,長2.5m的角鋼作接地體。

b.        安裝:接地體重直打入深0.8~1m,寬0.5m的溝中心,接地體離建筑物的基礎距離在2m以內,接地體應露出地面600mm左右,與地下其它管路的距離應在5m以上,與電纜及管道交叉時距離應大于100mm;平行時距離應大于300~350mm。

c.接地線:可用絕緣鋼芯、鋁芯、導線扁鋼、圓鋼等。

(二)     防雷

1.雷電的危害主要有以下兩種:

a.直接雷電引起的危害:當線路或設備接受到雷擊時產生的過電壓數值高達幾百萬伏,危害極大。

b.        感應雷電危害:當建筑物或架空線路上空有雷云時,感應出與雷云電荷極性相反的電荷,會使建筑物或架空線路,對地面產生過高的感應電壓,造成室內金屬物體放電,從而引起火災、爆炸、危及人身安全或供電系統被破壞。

2.防雷措施

a.架空線路在電桿頂裝設避雷線,避雷線與接裝置聯在一起,或者對線路絕緣水平較低的部位增設避雷器或保護間隙加以保護,也可通過提高線路本身絕緣水平來防止雷聲,還有廣泛采用自動重合閘來輔助防雷。

b.        直擊雷擊建筑物的部位與其屋頂坡度有關,屋頂的避雷針,避雷帶或網的接地電阻一般要求小于10Ω,每座建筑物至少有兩根接地的引下線,引下線間距為30~40m,引下線支撐卡的間的距離在1.5~2m。

c.對于高電位的雷擊侵入,多在進戶線墻壁安置保護間隙,或者將瓷瓶的鐵腳接地,接地電阻小于20Ω。允許與防護雷擊的接地裝置聯在一起。

3.接閃器

接閃器是專門用來接雷擊的金屬體,如避雷針、避雷線、避雷帶和避雷網,它們都用引下線與接地體相連。

a.常見的避雷針是用鍍鋅圓鋼焊接制成,長度在1.5m以上時圓鋼直徑不小于20mm,壁厚不能小于2.75mm;長度在3m以上時,需用幾節不同直徑的鋼管組合起來。

b.避雷針與接地極之間的引下線,如用鍍鋅圓鋼,直徑不小于8mm;如采用扁鋼厚度不小于4mm,截面不小于48平方毫米,并且在近地面2m段需加保護套。

c.避雷針引下線及接地極之間必需用焊接,焊接點涂瀝青防腐漆。

d.在安裝時,避雷針接地線的入地點到主電力變壓器接地線的入地點,沿接地線接地體的距離不小于15m,以防避雷針放電時反擊擊穿變壓器的低壓側線圈,接入地點應距人行道3m以外。

e.照明線、電話線應遠離避雷針走線。

f.避雷線一般用截面不小于35平方毫米的鍍鋅鋼繞線架設在架空線路之上,以保護線路免受直接雷擊。

UPS不間斷電源安全用電常識

1.觸電是指電流通過人體時造成對人體的傷害現象。輕度觸電會造成人體局部的損傷,重者則可以至殘甚至死亡。

2.觸電對人體的傷害程度與流過人體的電流強度、頻率、持續時間以及電流流過人體的部位和觸電者生理素質、人體電阻、觸電方式等因素有關。通常低頻電流比高頻電流更嚴重;而電流流經心臟與神經系統則最危險。

3.常見的幾種觸電方式

(1)單線觸電:即人體碰到一根火線時電流從火線經人體再經大地流回到電力系統之中點。這時人體承受的電壓是相電壓,其危險程度取決于人體與地面間的接觸電阻。當相電壓在1000V以下時,人體碰到任何一相后電流通過人體經另外兩根相線對地絕緣電阻和分布電容而形成回路,如果相線對地絕緣電阻較高,一般不會發生問題。如在6-10KV,由于電壓高,所以觸電電流大,幾乎是致命的,加上電弧灼傷,情況更嚴重。

(2)雙線觸電:電流從一根導線經過人體至另一根導線,在電流回路中只有人體電阻,其電壓為線電壓或相電壓。在這種情況下,觸電者即使穿上絕緣靴或站在絕緣臺上也起不了保護作用,所以雙線觸電是最危險的。

(3)發生觸電的原因大致如下:

a.違章作業。

b.        電氣線路和設備存在缺陷、絕緣體損壞。

c.電氣設備的接地(零)線折斷,銹蝕損壞。

d.        偶然的意外事故,如電線斷落接觸人體等。

    因此只有嚴格遵守安裝規程、電氣裝置檢修規程、電氣設備運行規程、安全操作技術規程及其它一系列安全生產、文明生產制度才能杜絕觸電事故的發生。

4.觸電的預防措施

知道觸電的原理后,采取和遵守安全預防措施,觸電是可以避免的。

六:UPS 不間斷電源系統電力容量的計算

1.UPS系統負載容量的計算,與一般的電力設備相同,其計算公式如下:

三相電路    P=  3 ×E×I                            1

單相電路    P= E×I                                  2

            EV):線間電壓

            IA):線路電流

              PVA):負載容量

UPS電源容量計算必須具備的條件:

(1)負載表

    在計算UPS容量時,可從負載表中的負載種類、電壓、電流、利用公式(1)、(2)求出個別負載容量,再進行累加所得和,即為額定負載總和。

(2)瞬間啟動電流值

UPS電源系統會因受負載瞬間啟動電流的影響,而進入過載保護狀態,此時若無市電,UPS電源會切離輸出,導致負載停電,故于UPS電源容量設定上應將瞬間啟動電流列入考慮(瞬間啟動電流會因負載不同而有所差異)。

             Pb+Ps

        Pr                                              3

             1.2~1.5

             Ps(VA)UPS系統容量

             Pb(VB):已運轉中的容量

             Pr(VI):瞬間啟動容量

(3)狀態電壓變壓動值

為避免瞬間投入重載導致狀態變動過大而影響負載供電,故一般負載急劇動值設定為50%

              Ps

        Pr                                              4

              0.5

(4)高諧波電流值

    電腦系統因都是容性負載(因其電源為高頻交換式電源供應器),其負載電源非正弦波,故在UPS容量考慮上應注意是否有剩余。

一般經驗值   A.三相負載  Pr1.2~1.4Ps                               5

             B.單相負載  Pr1.3~2.0Ps                               6

    未來預備增加容量依客戶未來負載的增加容量進行考量,依(1~6)式進行計算取其較高者,再加上未來預備增加容量即為系統規劃容量。

2.UPS不間斷電源電池容量的計算

負載一定時,容量的計算公式:

                  W*T

            C=            

                Bf*Pf*Vb

             CAH):電池容量

             VbV): 截止電壓(Low Dc開機電壓)

                  Pf:機器效益(0.9

               W(W):負載容量

                  Bf:電池放電率(0.6

              TH):放電時間

例如:

客戶購買一臺歐瑞電力ORU-10KVA/DD延時1小時使用,該如何選擇電池容量(滿載8000W工作)。

     已知Vb=190V,W=8000W,T=1H,根據

         W*T           8000*1

     C=           =               =77AH

        Bf*Pf*Vb      0.6*0.9*190

考慮到電池放電率、選取的電池容量大于計算容量,故選取電池為:12V/80AH*18PCS

(2)電池的充電時間一般應在12小時以上才能全部充飽。

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