醫(yī)療電氣中工頻UPS和隔離變壓器的關(guān)系分析
發(fā)布時間：2023-07-28 11:25
隨著醫(yī)療水平的不斷提高,大量精密醫(yī)療設(shè)備在醫(yī)療、預(yù)防、康養(yǎng)、教學(xué)和科研工作中得以廣泛應(yīng)用。如何使這些設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行、充分發(fā)揮性能,已成為設(shè)備管理和使用人員面臨的主要問題。電源作為醫(yī)療設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)條件,其安全性、可靠性、持續(xù)性受到越來越多的關(guān)注,交流不間斷電源(UPS)作為重要的電能質(zhì)量設(shè)備以其自身的優(yōu)勢,被大規(guī)模應(yīng)用在醫(yī)療電氣設(shè)計(jì)中。相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為UPS的正確使用提供了依據(jù),避免了大量問題的產(chǎn)生,但隨著UPS的成熟應(yīng)用發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中的有些條款存在容易引起歧義或值得商榷之處。
一醫(yī)療場所對UPS的需求
依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)和JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)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(yī)療場所》在醫(yī)療電氣設(shè)計(jì)中,劃分場所的方式有兩種:一是按醫(yī)療電氣設(shè)備與人體接觸的狀況和斷電的后果,將醫(yī)療場所分為0類場所、1類場所及2類場所;另一是按醫(yī)療場所電源轉(zhuǎn)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(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)與安裝》第9頁給出了“醫(yī)療場所及設(shè)施的類別劃分與要求自動恢復(fù)供電的時間”要求,在第10頁給出了各級電源對應(yīng)供電恢復(fù)時間和對應(yīng)配備的電源設(shè)備,如下表1:
在TN-S供電系統(tǒng)中,為滿足負(fù)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(shí)現(xiàn)UPS輸入端與輸出端的中性導(dǎo)體系統(tǒng)隔離的目的。在JGJ312-2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.4.6條規(guī)定了“TN-S系統(tǒng)中的不間斷電源裝置(UPS)輸出為三相時,應(yīng)加裝三相隔離變壓器并作重復(fù)接地”。
行業(yè)內(nèi)對本條規(guī)范的理解出現(xiàn)了很大分歧,一部分人員認(rèn)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(dāng)作隔離變壓器看待,將其中點(diǎn)直接接地即可實(shí)現(xiàn)重復(fù)接地;另一部分人員認(rèn)為無論是“工頻UPS”還是“高頻UPS”均應(yīng)考慮變壓器是否真正的實(shí)現(xiàn)了對包括中性線在內(nèi)的所有導(dǎo)體的電氣隔離,而后才能進(jìn)行重復(fù)接地。下面針對這一分歧從UPS構(gòu)成原理、醫(yī)療電氣系統(tǒng)的要求、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定等方面展開論述。
二UPS類型介紹
行業(yè)內(nèi)將在線雙變換式UPS分為工頻機(jī)和高頻機(jī),在15D202-3《UPS與EPS電源裝置的設(shè)計(jì)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(qū)動來控制IGBT的開通與與關(guān)斷,IGBT整流器開關(guān)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(jù)以上定義工頻UPS和高頻UPS典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(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(jī)使用晶閘管整流,高頻機(jī)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(jī)使用晶閘管整流直流母電壓較低,蓄電池可直掛母線進(jìn)行充放電管理,高頻機(jī)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(dú)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?yōu)榻涣麟娸敵觥?/span>
4.輸出變壓器(OutputTransformer):完成升壓和輸出濾波兩個功能。工頻機(jī)由于直流母電壓較低,經(jīng)逆變器逆變后輸出的交流不能達(dá)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(OutputFilterInductor):完成輸出濾波功能。高頻機(jī)由于直流母線電壓較高經(jīng)逆變器輸出后交流電壓可以達(dá)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(shí)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(tài)旁路共用中性線N,中性線N從UPS的輸入端輸入為靜態(tài)旁路和主路的整流器、電池充電器、逆變器提供基準(zhǔn)電位后經(jīng)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(cè)繞組重新建立的中性點(diǎn)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(cè)中性點(diǎn)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(jīng)逆變器逆變輸出后的交流達(dá)不到380V要求,為滿足負(fù)載額定電壓,需經(jīng)輸出變壓器進(jìn)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(jù)負(fù)載或自身的情況調(diào)整工作狀態(tài)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(cè))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(cè)。
2、主路工作模式時UPS輸出的交流電是由市電經(jīng)過整流器整流為直流后經(jīng)逆變器逆變產(chǎn)生的,與市電輸入的交流電在電氣上可認(rèn)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(jīng)逆變轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的,與市電輸入的交流電在電氣上也可認(rèn)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(tǒng)可以認(rèn)為是不依存于輸入市電的接地方式的“另起系統(tǒng)”。為實(shí)現(xiàn)UPS的主路和旁路的同步切換,在設(shè)計(jì)時在UPS內(nèi)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(zhǔn)電位,該設(shè)計(jì)使不同的中性線系統(tǒng)在同一供電范圍內(nèi)共存成為可能。避免了不同中性導(dǎo)體系統(tǒng)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(guān)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(hù)電壓騷擾和電磁騷擾防護(hù)》第444.4.6.1條、GB50065-2011《交流電氣裝置的接地設(shè)計(jì)規(guī)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(cè)直接連接到輸出變壓器二次側(cè)的中性點(diǎn),而GB19212.1-2016《電力變壓器、電源、電抗器和類似產(chǎn)品的安全第1部分:通用要求和試驗(yàn)》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(yī)療場所供電用隔離變壓器的特殊要求和試驗(yàn)》第19.1條規(guī)定:“輸入和輸出電路在電氣上彼此隔離,其結(jié)構(gòu)應(yīng)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(dǎo)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(guī)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(jù)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(tài)旁路和主路的整流器、電池充電器、逆變器提供基準(zhǔn)電位后經(jīng)UPS的輸出端輸出,如在工頻UPS的輸出端將中性線N進(jìn)行接地,將改變接地系統(tǒng)的性質(zhì),其分析過程如圖3所示:
圖3中左側(cè)圖形為工頻UPS輸出變壓器二次側(cè)的中性點(diǎn)未做重復(fù)接地的TN-S系統(tǒng),右側(cè)圖形為工頻UPS輸出變壓器二次側(cè)的中性點(diǎn)與地線PE連接于點(diǎn)P后的系統(tǒng)。
從圖中可以看出當(dāng)輸出變壓器二次側(cè)的中性點(diǎn)于P點(diǎn)接地后,在P點(diǎn)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(diǎn)到電源接地點(diǎn)之間的部分變成了TN-C系統(tǒng),整個系統(tǒng)變成了TN-C-S系統(tǒng)。
在醫(yī)療電氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中明確規(guī)定醫(yī)療配電系統(tǒng)嚴(yán)禁采用TN-C系統(tǒng),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(fù)接地。下面推薦幾種UPS配置隔離變壓器的方法。
1UPS旁路配置隔離變壓器
依據(jù)GB51348-2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》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(diǎn)應(yīng)接地。其條文說明:在TN-S供電系統(tǒng)中,為滿足負(fù)荷對于UPS輸出接地形式的要求,必要時應(yīng)該配置隔離變壓器。這是因?yàn)閁PS的旁路系統(tǒng)輸入中性導(dǎo)體與輸出中性導(dǎo)體連接在一起,UPS的輸入端與輸出端的中性導(dǎo)體必須是同一個系統(tǒng)。但是,在一些應(yīng)用中UPS的負(fù)荷對于中性導(dǎo)體系統(tǒng)有特別的要求,這時有可能在UPS的旁路輸入側(cè)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(dǎo)體系統(tǒng)是兩個不同的中性導(dǎo)體系統(tǒng)。因此規(guī)定中性點(diǎn)應(yīng)接地且應(yīng)與由接地裝置直接引來的接地干線可靠連接。根據(jù)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:
2UPS輸出配置隔離變壓器
當(dāng)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(rèn)為是同市電輸入隔離的“另起系統(tǒng)”,此時僅需對旁路輸入市電進(jìn)行隔離處理,可將圖4和圖5中旁路的變壓器沿導(dǎo)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(xiàn)場更容易實(shí)現(xiàn)。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(fù)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(dāng)UPS含有維修旁路時在輸出端加裝隔離變壓器的方式優(yōu)勢更突出。
此外,醫(yī)療電氣IT系統(tǒng)中也會涉及到UPS和隔離變壓器,但因?yàn)橄拗乒收习霃降仍?醫(yī)療IT系統(tǒng)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(jié)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(cè),無法達(dá)到UPS輸入端與輸出端的中性導(dǎo)體系統(tǒng)隔離的目的,因此不能當(dāng)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(tǒng)中將出現(xiàn)TN-C系統(tǒng)違反醫(yī)療配電系統(tǒng)嚴(yán)禁采用TN-C系統(tǒng)的規(guī)定;當(dāng)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。
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作者簡介
張陽
長期從事數(shù)據(jù)機(jī)房基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用產(chǎn)品推廣支持工作,熟悉機(jī)房電源產(chǎn)品和空調(diào)產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用需求,現(xiàn)在伊頓公司從事機(jī)房動力解決方案支持工作。
曾顯達(dá)
伊頓電源(上海)有限公司,高級應(yīng)用架構(gòu)師/高級工程師。伊頓電源(上海)有限公司高級應(yīng)用架構(gòu)師,從事UPS技術(shù)工作和數(shù)據(jù)中心架構(gòu)設(shè)計(jì)多年,對UPS產(chǎn)品及供配電系統(tǒng)有較深入的研究。
王軍
于2020年加入伊頓,現(xiàn)就職于伊頓電源(上海)有限公司,任資深解決方案架構(gòu)師職務(wù)。1983年生,在UPS行業(yè)有近20年從業(yè)經(jīng)驗(yàn),先后從事過UPS維修、維護(hù)、系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)、方案的制訂,參與多個大型數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)建設(shè),對UPS系統(tǒng)的特殊應(yīng)用,具有豐富的應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。