对UPS漏电保护的研究设计

我们研制的供电系统中，既要求具有漏电保护的功能，又要求电源具有不间断的能力。所以，我们在每个供电系统中采用了一台3kVA高频在线式不间断电源和一台30mA的定时漏电保护断路器。在一个供电系统调试过程中，多次出现过下述现象：市电正常时，高频在线式不间断电源空载启动，当输出继电器动作，切断旁路，接通逆变电路时，市电断路器的漏电保护动作，从而切断了市电。似乎验证了目前的一种说法；UPS的前端不能加装带有漏电保护的断路器。为此，对其进行了探讨。

对UPS的一种漏电保护误动进行了探讨。其中包括对电源滤波器、漏电保护以及它们一起使用时过渡过程的探讨。最后提出了相应的解决方法。

l UPS正常开机工作

    市电正常时，高频在线式不间断电源空载启动，当UPS接到开机命令后，开机电路开始工作。主电路首先通过旁路输出。当CPU检测到逆变器工作正常后，发出控制信号，驱动输出继电器动作，切断旁路，接通逆变电路，完成UPS的开机过程。在我们研制的8个供电系统中，有7个供电系统的UPS开机工作一直正常。

2 UPS的漏电保护动作现象
    在我们研制的供电系统中，出现过引言中所述的现象，因此，无法利用市电供电。应该说明的是，这种UPS的漏电保护动作的现象并非在每次UPS启动时都出现。在8个供电系统中，只在一个系统中多次出现过。

3 UPS的漏电保护误动作原因分析
3.l 不间断电源输出部分电路图
    对上述现象，最初我们以为UPS的主电路板和控制板有问题，在更换新的主电路板和控制板后，现象依旧。后来分别更换了新的充电板和输入滤波板，仍然不能排除。最后，怀疑输出电源滤波器有问题。干脆拆掉输出电源滤波器，uPs就可以正常启动了。说明问题可能与输出电源滤波器有大。
    该UPS输出部分的电路图如图l所示．UPS的市电输入、断路器、漏电保护以及UPS的大部分没有画出。

3.2原因分析
3.2.1电源滤波器
    该UPS设置输出电源滤波器的目的主要是要滤掉电源输出中的高频干扰，同时降低电源波形的止弦失真度。电源线中的干扰分为两种：

    ——共模干扰，即在火线与地线间、中线与地线间存在的干扰，共模干扰在火线与中线中同时存在，大小相等，相位相同；
    ——差模干扰，即在火线与中线问存在的干扰，差模干扰在火线与中线中同时存在，大小相等，相位相反。
    由于电源线中往往同时存在上述两种干扰，因此，一般电源滤波器由共模滤波电路(L1、L2和Cy)和差模滤波电路(L1和L2的差值与Cx)综合构成。其中L1和L2为绕在同一磁环上的两个匝数相同、绕向相同的独立线圈，当电源频率分量经过时，由于磁通抵消，电感很小，易于通过。当共模频率分量经过时，由于磁通相加，电感很大，不易通过而被抑制。
    共模电感L1和L2一般在零点几至几十mH．共模电容Cy一般要在漏电流较小的前提下，取较大值。差模电感一般在几十至几百μH，差模电容Cx要选择耐电压足够的陶瓷或聚酯电容器。市场上卖的电源滤波器一般是对共模干扰设计的，如果要对差模干扰起作用，应该另外增加两个独立的差模抑制电感。共模电感的磁性材料以金属磁性材料(1J8510.02mm)或非晶、超微晶磁性材料效果较好。差模电感的磁性材料以金属软磁粉末经绝缘包裹压制退火的磁性材料(国产ZW-1)效果较好，而不用开口铁氧体材料。
    该UPS设置的20A电源滤波器的参数为：L1=0.7mH,Cx=0.47μF,Cy=4.7nF。
3.2.2漏电保护器
    该供电系统设置漏电保护嚣的主要目的是要保护人身和设备的安全。因为，当系统中的电气设备绝缘性能下降时，不仅电气设备存在隐患，而且威胁到工作人员的安全。
3.2.2.l 漏电流
    1)稳态或静态漏电流是指在250V交流电压条件下，滤波器能安全工作所规定的最大漏电流。它由两部分组成，即电容电流Lc，绝缘电阻泄漏电流IL。
    Ic=2πfUCy     （1）
式中：f为电源频率；
      U为加在电容上的电压；
      Cy为共模电容量。
    由式(1)可知，电容电流与电源频率、加在电容上的电压和共模电容量成正比。
    IL=U/R1       （2）
式中：RL为泄漏电阻，它包括电容内的体电阻和电容外的绝缘泄漏电阻。
    2)非稳态或动态漏电流是当输出继电器动作，接通逆变电路时，在等效电阻r、电感L和电容C串联电路接通正弦电源的过渡过程中产生的电流。在这种过渡过程中可能产生较大的振荡衰减的漏电流。其中，L=L1,C=Cy。其简化电路如图2所示。

式中：Um为电源电压的峰值；
ω为电源电压的角频率；
Ψ为电路接通时电源电压的初相角。
该电路的电流强制分量为

    当电路中的电阻较小时，即，电路产生振荡，电容器上的电压和电流分别为

   

    忽略电阻的影响，将电路参数L=0.7 mH，C=4.7 nF代入上述公式中，由于电路自由振荡角频率远远高于电源角频率314rad／s，所以电路产生振荡。当Ψ=φ时，电路中产生的最大过电流有效值高达570mA以上。这可能引起30mA的大于O.ls的定时漏电保护器动作。实际上，电路接通时正弦电源电压的初相角Ψ为随机量．大部分并不等于电路交流阻抗的相位角φ，所产生的过电流不一定超过30 mA；另外，电路中存在电阻，使电路中产生的过电流峰值降低和衰减，所产生的过电流也不一定超过30mA，电路中产生过电流的时间不一定超过0.1s。
    实际情况是，在我们研制的8个供电系统中，只在一个系统中多次出现过UPS空载启动时，市电断路器的漏电保护动作，切断了市电的现象，但是，也不是每次UPS空载启动时都出现市电断路器漏电保护动作的现象。
    我们对上述电路接通正弦电源时，漏电流的过渡过程进行了上百次测试，测试时利用霍尔电流传感器测量漏电流，测试电压与漏电流的转换比例为100mA／lV。典型测试图见图3～图6。

    由图3测量到，漏电流最高峰值为106mA，漏电流衰减时间为几百μS。

    由图4测量到。漏电流最高峰值为298mA，漏电流衰减时间为几百μS，漏电流第一个振荡脉宽为4μS。

    由图5测量到，漏电流最高峰值为152mA，漏电流衰减时间为几百μS。

由图6测量到，漏电流最高峰值为408mA，漏电流衰减时间为几百μS。

    从上述测试中可以看到．由于电路接通时正弦电源电压的仞相角Ψ为随机量，大部分并不等于电路交流阻抗的相位角φ，所以电路中产生的过电流峰值大小不是崮定值，但是一般都超过30mA；由于电路中存在电阻，致使电路中产生的过电流峰值衰减很陕，一般漏电流衰减时间为几百μS。
    3)上述电路切断正弦电源与接通正弦电源相比较可能具有更大的危害性，即当在电路中的电感电流最大时刻切断正弦电源，电感中的能量将会转移到电容器中，从而导致电容器的电压升高。这不仅会引起电容电流的增大，而且会影响电容器的安全运行和降低火线对地线的绝缘性能。因此，对这种工作状态也应当给予相应的关注。
3.2.2.2漏电保护
    电流对人体的伤害程度与通过人体电流的大小、持续时间、电流通过人体的途径、电流的种类和人体的状况等多种因素有关。
    工频电流对人体的作用见表l。一般取工频电流对人体的作用安全值为30mA·s。而高频电流对人体的伤害程度比工频电流要小。

    漏电保护器的动作电流分为很多种，从30 mA到20A不等。
    漏电保护器的动作时间有两种，一种为定时动作，一般小于0.ls。定时漏电保护器的框图见图7。其中，检测电路分为漏电流检测和漏电压检测，比较电路为检测信号与给定信号相比较的电路，输出电路为漏电保护器控制断路器分断的电路。

    另一种为具有反时限电路的漏电保护器，其框图见图8。反时限电路足动作时间和动作电流类似电容器对电阻放电的指数曲线的电路，即动作电流越大，动作时间越快；动作电流越小，动作时间越慢。

    为防止人身触电，漏电保护器的动作时间和动作电流选择原则是，动作时间和动作电流的乘积为30mA·s。
    定时和反时限漏电保护器的特性见图9。其中ABC直线为O.ls定时漏电保护器的特性，B点动作时间和动作电流的乘积为30mA·s，正好符合要求。而A点动作时间和动作电流的乘积为3mA·s．余量过大。C点动作时间和动作电流的乘积为300mA·s，很不安全。可见选择定时漏电保护器不太合理。DBE曲线为反时限漏电保护器的特性，全部曲线卜的点都接近30mA·s，可见选择反时限漏电保护器比较合理。

3.3解决措施
    通过上述UPS的漏电分析，为了解决可能出现的这类漏电保护误动，可以考虑下述措施。
3.3.1提高泄漏电阻
    从式(2)中可以看出．提高电容器的泄漏电阻可以降低电容器的泄漏电流。这可以从选择电容器本身和加强电容外部的绝缘两方面入手。
3.3.2设置旁路开关
    设置旁路开关与漏电保护器并联。在启动UPS的过渡过程中，旁路开关闭合漏电保护器，以避开启动UPS时电路中产生的过电流引起漏电保护误动作。在启动UPS完成后，打开旁路开关，使漏电保护器起到正常漏电保护的作用。
3.3.3设置阻尼限流
    设置阻尼限流电阻与开关并联环节。在启动UPS的过渡过程中，断开并联开关，串入阻尼限流电阻，以降低启动UPS时电路中产生的过电流，从而避免漏电保护误动作。在启动UPS完成后，闭合与阻尼限流电阻并联的开关，使电路转入正常运行，漏电保护器可以起到漏电保护的作用。
3.3.4采用直流启动
    由于该公司生产的3kVA高频在线式UPS具有直流启动功能，所以可以进行下述操作：断开交流输入开关和负载，采用直流启动UPS，待UPS工作正常后，再闭合交流输入开关，而转入交流供电运行。这样可以避免电路接通正弦电源时可能产生的峰值较高的振荡衰减的漏电流引起漏电保护误动作。
3.3.5设置频率区分环节
    由于电路自由振荡角频率ω’远远高于工频电源角频率，所以，可以设置频率区分环节，区分开电路自由振荡分量和工频分量，以避免较高频率的漏电流引起漏电保护误动作。例如，频率区分环节可以为低通滤波器，只允许频率较低的工频分量通过，而不允许频率较高的自由振荡分量通过。

4 结语
    分析UPS漏电保护的误动现象，应当从整个供电系统的全局出发，充分认识组成系统的各个单元的性能和参数，以及它们之间配合的合理性。另外，还应当从整个供电系统的启动、运行和关闭的全过程出发，充分认识不同过程中可能出现的问题。
    本文对上述UPS漏电保护的误动现象，通过比较详细的分析和实验检测，探讨了引起市电断路器漏电保护误动作的原因。着重从电路的组成和参数、UPS启动的工作过程来分析了漏电流产牛的原因。从而提出了增强电容器的内、外绝缘泄漏电阻的必要性和检查漏电保护器的动作时间和动作电流的选择足否合理的问题。
    对UPS漏电保护的误动现象，不管足由于稳态漏电流．还是由于在UPS启动时，电源滤波器的电阻、电感和电容串联电路接通正弦电源的过渡过程中产生的较大的振荡衰减漏电流，引起的30mA的定时漏电保护器动作，采取本文推荐的相应解决措施，有可能排除这种漏电保护误动现象。而不应当一概否定漏电保护器和电源滤波器的联合使用。
    对在UPS启动时，电源滤波器的电阻、电感和电容串联电路切断正弦电源的过渡过程也应当给予相应的关注