变电站UPS选型
35kV变电站UPS的选择及使用过程中的注意事项
引言
UPS主要分为两大类三种形式：一类是后备式，另一类是在线式，还有一种介于两者之间的在线互动式。三种形式输出的交流电源都是经过逆变器重新产生,其电压、波形频率由UPS本身控制，具有稳压、稳频、净化和不间断等功能。
一、UPS的详细分类
UPS已从60年代的旋转发电机发展至今天的具有智能化程度的静止式全电子化电路，并且还在继续发展。目前，UPS一般均指静止式UPS，按其工作方式分类可分为后备式、在线互动式及在线式三大类。UPS按照输出容量大小划分为小容量3kVA以下，中小容量3kVA-10kVA，中大容量10kVA以上。UPS按输入/输出方式可分为三类：单相输入/单相输出、三相输入/单相输出、三相输入/三相输出。单相电是指由一根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统；三相电是由三根火线、一根零线和一根地线组成的供电系统,其中两根火线之间的电压（即线电压）为380V,而火线与零线之间的电压（即相电压）为220V。对于用户来说，三相供电其市电配电和负载配电容易，每一相都承当一部分负载电流，因而中、大功率UPS多采用三相输入/单相输出或三相输入/三相输出的供电方式。
后备式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电， 当市电超出其工作范围或停电时通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：结构简单，体积小，成本低，但输入电压范围窄，输出电压稳定精度差，有切换时间，且输出波形一般为方波。（见图1）
在线式UPS在市电正常时，由市电进行整流提供直流电压给逆变器工作,由逆变器向负载提供交流电，在市电异常时，逆变器由电池提供能量，逆变器始终处于工作状态，保证无间断输出。其特点是，有极宽的输入电压范围，无切换时间且输出电压稳定精度高，特别适合对电源要求较高的场合，但是成本较高。目前，35kV变电站广泛使用在线式UPS电源作为事故电源，以保证变电站全站停电或交流停电时可以快速切换到电池供电，保证保护装置、遥信和遥测信息不间断。由于UPS电源电池组始终处于浮充状态，这时因为在线式UPS电源系统具有对各类供电的零时间切换。（见图2）
在线互动式UPS在市电正常时直接由市电向负载供电，当市电偏低或偏高时，通过UPS内部稳压线路稳压后输出，当市电异常或停电时，通过转换开关转为电池逆变供电。其特点是：有较宽的输入电压范围，噪音低，体积小等特点,但同样存在切换时间。（见图3）
二、UPS的工作方式
1.正常运行方式
不断电系统的供电原理是当市电正常时，机器会将市电的交流电转换为直流电，而后对电池充电，以备电力中断时使用；这里跟各位强调的是不断电系统并不是停电时才会动作，像是遇到电压过低或过高、瞬间突波等，足以影响设备正常运转的电力品质时，不断电系统均会动作，提供设备稳定且干净的电力。
当市电正常供电时，市电经滤波回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为逆变器的输入，再经过逆变器的转换提供电力给负载使用；由此可知，在线式不断电系统的输出完全由逆变器来供应，因此不论市电电力品质如何，其输出均是稳定而不受任何影响。
2.电池工作方式
一旦市电发生异常时，将储存于电池中的直流电转换为交流电，此时逆变器的输入改由电池组来供应，逆变器持续提供电力，供给负载继续使用，达到不断电的功能。不断电系统的电力来源是电池，而电池的容量是有限的，因此不断电系统不会像市电一般无限制的供应，所以不论多大容量的不断电系统，在其满载的的状态下，其所供电的时间必定有限，若要延长放电时间，须购买长时间型不断电系统。
3.旁路运行方式
当在线式UPS超载、旁路命令（手动或自动）、逆变器过热或机器故障，UPS一般将逆变输出转为旁路输出,即由市电直接供电。由于旁路时，UPS输出频率相位需与市电频率相位相同,因而采用锁相同步技术确保UPS输出与市电同步。旁路开关双向可控硅并联工作方式，解决了旁路切换时间问题，真正做到了不间断切换，控制电路复杂，一般应用在中大功率UPS上。如果在过载时,必须人为减少负载，否则旁路短路器会自动切断输出。
4.旁路维护方式
当UPS进行检修时，通过手动旁路保证负载设备的正常供电,当维修操作完成后，重新启动UPS， UPS 转为正常运行。极低的维护率，极大地提高UPS可用性。
三、UPS的性能指标
1.输入电压范围
即保证UPS不转入电池逆变供电的市电电压范围.在此电压范围内,逆变器（负载）电流由市电提供,而不是电池提供。输入电压范围越宽，UPS电池放电的可能性越小，故电池的寿命就相对延长.
2.输入频率范围
即UPS能自动跟踪市电、保持同步的频率范围。当切换旁路时,UPS能自动跟踪市电、保持同步可避免因输入输出相位差开甚至反相，引起逆变器模块电源和交流旁路电源间出现大的环流电源而损害UPS。
3.输入功率因数
指UPS输入端的功率因数。输入功率因数越高，UPS所吸收的无功功率越小，因而对市电电网的干扰就越小。
4.切换时间
由于计算机开关电源，在10ms的间隔时间能保证计算机的输出，因此一般要求UPS切换时间小于10ms，对于在线UPS切换时间为0。
5.输出电压稳定度
指UPS输出电压的稳定程度。输出电压稳定程度越高，UPS输出电压的波动范围越小，也就是电压精度越高。大部分UPS的电压稳定度大于5%。
6.输出电压失真度
即UPS输出波形中所含的谐波分量所占的比率.常见的波形失真有：削顶、毛刺、畸变等。失真度越小，对负载可能造成的干扰或破坏就越小。
7.负载峰值因数
指UPS输出所能达到的峰值电流与平均电流之比.一般峰值因数越高，UPS所能承受的负载冲击电流越大。
8.三相不平衡能力
对于三进三出的UPS来说,若出现三相的每一相电流不一致，就会造成输出电压的不平衡。具有100%负载不平衡能力的UPS,表示该UPS允许一相输出带满载，而其他两相空载。
9.冷启动功能
在无市电或不接市电的情况下，直接用电池组所提供的直流电压启动UPS的功能。
四、UPS 容量的确定
查阅手册中规定，作为工作电源，UPS的容量应按各类仪表耗电总和的1.2倍计算，考虑备用电源时，可以按1.5倍计算。UPS实际供电容量应是所选择容量的80%，也就是选取1.25的系数。我局16座35kV变电站及调度通信自动化系统共有22台容量在20kVA以上的UPS，这些UPS实测的负荷率都不足20%。有的运行电流不超过2A，造成这种情况的一个重要因素是计算用电负荷不准确，保安容量过大，致使UPS长期运行在低负荷的状态下，降低了使用寿命，增加了建设投资。因此，电气专业人员应对仪表用电负荷情况进行校核，系数可按1.15-1.25选取，这样可以保证容量的选择。安时数代表电池容量的大小。电池的额定容量指25℃，以恒定电流放电20小时至终止电压（1.75V/单格），该电流的20倍即为电池的容量。一般用Ah数代表电池的额定容量，用Cn表示。n指几小时放电率，这里为20。有些电池是以10小时放电率计算的，用C10表示。 例：100Ah/12V的电池指该电池以5A（0.05C）的电流恒定放电直至终止电压10.5V，可连续放电20小时。 电池放电时间与放电电流不是线性关系，如100Ah电池以100A的电流放电，则支持不了1个小时，只有数十分钟。如以1A的电流放电，则会超出100小时。
五、使用UPS应注意的事项
1.UPS的使用环境应注意通风良好，利于散热。并保持环境的清洁。
2.UPS输出插座应明确标识，勿使加入无关负载或短路。
3.切勿带感性负载。如日光灯、空调，以免造成损坏。
4.若用户在市电停电期间使用发电机供电，应保证发电机功率大于两倍UPS额定功率。必须在发电机启动稳定后才能接入UPS。
5.开启UPS负载时，一般遵循先大后小的原则。
6.UPS输出负载控制在60%左右为最佳，可靠性最好。
六、延长不间断电源系统的供电时间的方法
1.加挂电池箱：优点是可依所需供电时间加挂数组电池箱，但须注意是此种方法会造成电池充电时间相对增加，另外也会增加维护设备、产品体积与成本。
2.选购容量较大的不间断电源系统：此方法不仅可减少维修成本，若遇到负载设备扩充，较大容量的不断电系统仍可立即运作。
七、UPS使用中的维护和保养
维护和保养，可以极大地延长UPS的使用寿命。蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度，然而蓄电池却又是整个UPS系统中平均无故障时间（MTBF）最短的一种器件。所以说，对UPS的维护和保养，实际上主要就是对UPS内部的蓄电池的维护和保养。蓄电池的种类一般可分为铅酸电池、铅酸免维护电池及镍镉电池等，它们各自的特点如下：
1.铅酸电池/一般型电池，也称为汽车用电池/需加水维护，期望寿命1～3年，充放电时会产生氢气，安置地点须设置排风管以免造成危险；电解液呈酸性，会腐蚀金属；价格低廉。
2.铅酸免维护电池/新型电池/无需加水，期望寿命一般为5～7年，密封式充电不会产生任何有害气体；摆设容易，不需考虑安置地点通风问题，免保养，免维护；放电率高，特性稳定，价格较高。
3.镍镉电池/高级电池用于特殊场合及特殊设备上/需加水，期望寿命20～40年，水为介质，充放电不会产生有害气体；失水率低，但需要固定时间加水及保养；放电特性最佳；可放置于任何恶劣环境；价格极高。
影响电池使用寿命的因素有：UPS的使用环境、环境温度、充放电电流、充电电压、放电深度
在这些方面需要注意的是：
①UPS的使用环境
UPS应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方，这样可以减少有害灰尘对UPS内部线路的腐蚀；还要避免受到阳光、加热器（如冬天用的取暖器）或其他辐射热源的影响。UPS应正立放置, 不可倾斜角度。
②环境温度
环境温度对UPS电池的影响较大，环境温度过高，会使电池过充电产生气体，环境温度过低，则会使电池充电不足，这都会响电池的使用寿命。环境温度在25℃左右是比较理想的，这样的环境温度对保护装置及电脑主机和显示器也是非常适宜的。
③充放电电流
UPS电池充放电电流一般以C来表示，C的实际值与电池容量有关。举例来讲，如果是100AH的电池，则C＝100A。充电电流过大或过小都会影响电池的使用寿命。放电电流一般要求在0.05～3C,UPS在正常使用中都能满足此要求，但也要防止意外情况的发生，如电池短路。
④充电电压
由于UPS电池属于备用工作方式，市电正常情况下处于充电状态，只有停电时才会放电。如果充电电压过高就会使电池过充电,反之会使电池充电不足。
⑤放电深度
放电深度对UPS电池使用寿命的影响也非常大，电池放电深度越深，其循环使用次数就越少,因此在使用时应避免深度放电。虽然UPS都有电池低电位保护功能，一般单节电池放电至10.5V左右时，UPS就会自动关机。但是，如果UPS处于轻负载放电（即UPS在无市电输入的情况下，接入的负载容量远小于它的最大输出负载容量而处于开启状态）或空负载放电（即UPS在无市电输入的情况下，没有接任何负载而处于开启状态）的情况下,也会造成电池的深度放电。
八、结束语
UPS电源在计算机及变电站综合自动化系统中，它的作用有其必然性。所以UPS电源系统在使用一定时间后应进行定期检查，如观察其外观是否异常、有没有比较难闻的气体的味道等，一旦发现异常，应立即停止使用，并联系UPS生产商指定的维修站进行修理，切莫擅自拆开或交给非专业人员维修，以免发生意外；如果长期不停电，UPS电池会一直处于充电状态，这样会使电池的活性变差，因此即使不停电，UPS也需要定期进行放电试验以便电池保持活性。放电试验一般可三个月进行一次,做法是UPS带负载最好在50% 以上,然后断开市电，使UPS处于电池放电状态,放电持续时间视电池容量而言，一般为几分钟至十几分钟,放电后恢复市电供电，继续对电池冲电。
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