Sistemele de alimentare neîntreruptibilă fără transformator (UPS) funcționează neînfundate în timpul transferului de energie către o sursă de rezervă, dar un design robust de împământare poate satisface cerința atât a sistemelor împământate, cât și a celor fără împământare.
Obiective de invatare:
- Înțelegeți diferența dintre sistemele împământate și cele nefondate.
- Aflați ce necesită codul sistemelor de alimentare de curent alternativ și c.a.
- Știți cum diferă comportamentul sistemelor neîmpământate în timpul defectelor la sol de cel al sistemelor împământate și cum să atenuați acest efect.
În orice instalație care conține sarcini critice, indiferent dacă este legată de siguranța vieții sau de sarcini sensibile ale computerului vitale pentru funcționarea instalației, una dintre cele mai importante piese de echipament specificate în proiectare este sursa de alimentare neîntreruptibilă (UPS), care utilizează energie stocată pentru a furniza energie la aceste sarcini critice atunci când se pierde puterea normală și o sursă de alimentare de rezervă este pornită pentru a alimenta sarcinile clădirii.
La selectarea modulelor UPS pentru a alimenta sarcini critice într-o instalație, o decizie cheie de luat este dacă se utilizează un UPS cu sau fără transformatoare de intrare și/sau ieșire. Vedeți Figurile 2 și 3 pentru diagramele noționale care descriu un modul UPS bazat pe transformator și, respectiv, un transformator UPS.
În ultimul deceniu, sistemele UPS fără transformare au crescut rapid în popularitate, eclipsând proiectele bazate pe transformatoare. Această tranziție nu este surprinzătoare, deoarece modulele fără transformator oferă multe avantaje față de un UPS cu transformatoare. Cel mai mare avantaj este eficiența. Un UPS fără transformatoare poate vedea avantaje de eficiență de 5% sau mai mare, în comparație cu cele cu transformatoare. Acest lucru nu numai că înseamnă facturi mai mici de energie electrică, dar reprezintă și sarcini de căldură mai mici în camera care găzduiește UPS-ul, rezultând cerințe reduse de HVAC.
În instalațiile cu o cantitate mare de sarcină critică, economiile pot fi dramatice. În plus, sistemele UPS fără transformator reduc greutatea și amprenta fiecărui modul UPS în comparație cu sistemele bazate pe transformatoare, reducând dimensiunea și cerințele structurale ale încăperilor electrice și lăsând mai mult spațiu pentru spațiul alb sau alte porțiuni ale clădirii.
Cu toate acestea, transformatorul de ieșire al unui UPS bazat pe transformator oferă o opțiune care nu este disponibilă pentru sistemele UPS fără transformator: Izolația electrică furnizată de un transformator oferă posibilitatea de a crea o conexiune neutru-sol derivată separat la ieșirea UPS. În anumite situații - cum ar fi un sistem deservit de un serviciu delta nefondat, un serviciu împământat printr-un sol cu rezistență ridicată sau sisteme în care există potențialul ca cele două surse ale unui UPS cu intrare duală să provină din două surse independente - poate fi de dorit să se obțină un neutru la UPS fără transformator, pentru a furniza UPS-ului o referință stabilă la masă pe care o poate folosi pentru reglarea tensiunii la ieșirea sa și pe magistrala sa de curent continuu.
Dacă un astfel de neutru nu este derivat într-un sistem UPS fără transformator, atunci în timp ce bateria UPS se descarcă în timpul unei întreruperi a curentului de intrare și întrerupătorul de intrare UPS este deschis, sistemul din aval funcționează fără legare la pământ. În majoritatea instalațiilor, vor exista unul sau mai multe transformatoare din aval, externe UPS-ului, deservite de sistemul de alimentare critic. Aceste transformatoare din aval sunt de obicei găzduite într-o unitate de distribuție a energiei, iar pe partea lor secundară poate fi derivat un sistem împământat, dar acea porțiune a sistemului pe partea primară va fi totuși neînfundată în această perioadă.
Cei mai mulți ingineri de proiectare sunt obișnuiți să lucreze cu sisteme împământate și perspectiva de a lăsa o porțiune din clădire neîmpământată, chiar și într-o perioadă de tranziție în general scurtă între întreruperea alimentării cu energie și pornirea sistemului de alimentare de rezervă a instalației, poate părea îngrijorătoare. Cu toate acestea, crearea unui sistem de alimentare neîmpământat sigur, robust și conform codului este relativ simplă, necesitând doar modificări minore ale sistemelor de legare la pământ și de legătură necesare în orice sistem de alimentare la pământ.
Împământat versus nefondat
Sistemele împământate sunt de obicei preferate sistemelor nepământate din mai multe motive. Sistemele cu împământare stabilizează nivelurile de tensiune în întregul sistem, asigurându-se că toate echipamentele din sistem funcționează sub aceeași diferență de potențial. Acest lucru este deosebit de important pentru un UPS, deoarece este însărcinat cu reglarea precisă a nivelurilor de tensiune atât la ieșire, cât și pe magistrala sa de curent continuu, iar reglarea precisă a tensiunii necesită o referință solidă și stabilă la masă pentru a se menține. Sistemele cu împământare reduc, de asemenea, vârfurile de tensiune din cauza trăsnetului, ajută la prevenirea diferențelor de potențial între diferitele echipamente din sistem și asigură un circuit pentru curentul de defect la sol care să circule prin conductorii circuitului împământat înapoi la sursa de alimentare, permițând dispozitivele de protecție împotriva supracurentului. pentru a opera rapid și a izola defecțiunea.
NFPA 70: Codul electric național (NEC), articolul 250.4, prevede cerințe generale, bazate pe performanță, atât pentru sistemele cu împământare în 250.4 (A), cât și pentru sistemele fără împământare în 250.4 (B). Sistemele cu împământare au cinci cerințe: legarea la pământ a sistemului electric, legarea la pământ a echipamentelor electrice, legarea echipamentelor electrice, legarea materialelor conductoare electric și căile efective de curent de defect la sol.
În mod special, cele patru cerințe ale sistemelor neîmpământate enumerate la 250.4 (B) sunt similare sau identice cu cele din urmă patru cerințe ale sistemelor împământate. La fel ca în sistemele cu împământare, sistemele fără împământare necesită ca materialele conductoare care nu transportă curenți care să cuprindă conductori sau echipamente electrice și cele care sunt susceptibile să devină energizate să fie conectate la sol printr-o cale de impedanță redusă. Suprapunerea dintre aceste două seturi de cerințe ilustrează noțiunea că proiectarea unui sistem neîmpământat nu este prea teribil de diferită decât proiectarea unui sistem împământat.
Pentru a înțelege ce necesită NEC unui sistem UPS fără transformator atunci când acesta funcționează neînfundat în timpul descărcării bateriei, trebuie mai întâi să identificăm modul în care este definit acest sistem folosind limbajul NEC. Când întreruptorul de intrare UPS este deschis, UPS-ul nu este conectat la sistemul de alimentare din amonte și, prin urmare, la serviciul de alimentare, prin intermediul oricăror conductoare, altele decât cele utilizate pentru împământare și legare.
Este important să rețineți că, chiar dacă carcasa UPS-ului și echipamentele din aval pot fi încă lipite efectiv de carcasa sursei de alimentare în această stare, sistemul nu este considerat împământat decât dacă un conductor care transportă curent este conectat la masă. Prin urmare, NEC definește sistemul în această stare ca un sistem derivat separat și bateriile UPS ca sursă derivată separat. Cerințele de legare la pământ pentru sistemele derivate separat fără legare sunt definite la articolul 250.30 litera (B).
Această secțiune a NEC necesită trei componente: conductor de electrod de împământare, sistem de împământare-electrod și jumper de legare pe partea de alimentare. Cea din urmă dintre aceste componente este necesară numai atunci când sursa unui sistem derivat separat se află într-o carcasă separată decât primul mijloc de deconectare. Acest lucru nu va fi de obicei cazul unui UPS, întrucât întrerupătorul de ieșire al UPS-ului este găzduit în mod normal în carcasa UPS-ului.
Toate aceste trei componente de împământare sunt necesare și în sisteme derivate separat de împământare. În esență, carcasa UPS trebuie conectată la masă prin sistemul de electrod de împământare al clădirii printr-un conductor de electrod de împământare. Această conexiune într-un sistem neîmpământat servește drept punct de referință de împământare pentru toate echipamentele conductive din sistemul nepământat care nu transportă curent în condiții normale.
Împământarea sistemului
Producătorii de UPS au o varietate de soluții pentru problema cum să se asigure că UPS-ul menține o referință la sol în condiții nefondate, pentru a se asigura că reglarea tensiunii UPS rămâne stabilă. Unii producători derivă un așa-numit „teren virtual” în punctul comun al filtrelor de intrare și ieșire ale UPS-ului pentru a atinge acest scop. Aceasta este adesea o caracteristică standard, în special pe modelele UPS mai noi, dar un accesoriu opțional este necesar în unele cazuri. Atunci când specificați un UPS fără transformator, în special într-un sistem trifazat, cu 3 fire, aveți grijă când luați în considerare modul în care va funcționa în condiții nefondate.
Normele care guvernează sistemul de împământare-electrod și conductorii de împământare se găsesc în partea 250 a articolului 250 din NEC. Același sistem de împământare-electrod utilizat pentru clădire în ansamblu trebuie utilizat și pentru orice sistem derivat separat, conform NEC 250.58, deci este necesar doar o conexiune între electrodul de împământare al clădirii și carcasa UPS-ului printr-un conductor de electrod de împământare. . În consecință, toate cerințele normale pentru materialele sistemului de împământare-electrod enumerate în NEC 250.52 și instalarea enumerate la 250.53 se aplică în această situație.
În mod similar, regulile care guvernează conductorii electrodului de împământare nu diferă între sistemele împământate și cele fără împământare. Articolele 250.62 și 250.64 NEC guvernează materialele și metodele de instalare ale conductoarelor electrodului de împământare, respectiv. Dimensiunea necesară a conductoarelor electrodului de împământare utilizate trebuie să fie determinată prin cerințele NEC 250.66, care variază în funcție de tipul de electrod de împământare utilizat, de dimensiunea celui mai mare conductor necondensat sau set de conductori din sistem și de materialul conductor de electrod de împământare.
Indiferent de dimensiunea sistemului, conductorul electrodului de împământare trebuie să fie întotdeauna cel puțin la fel de mare ca # 8 AWG pentru cupru sau # 6 AWG pentru aluminiu și, cu excepția cazului în care este înlocuit de modificări locale sau de autorități cu cerințe de jurisdicție (AHJ), electrodul de împământare conductorul nu trebuie să fie mai mare de # 3/0 AWG pentru cupru sau 250 kcmil pentru aluminiu. În cele din urmă, cerințele pentru legarea conductoarelor de electrod de împământare la sistemul de împământare-electrod sunt acoperite în NEC 250.68.
Sisteme nefondate
Până în prezent, regulile de împământare discutate care acoperă sistemele neîmpământate sunt foarte asemănătoare cu cele care acoperă sistemele împământate. Într-adevăr, dacă se folosește un design solid de împământare pentru un sistem cu împământare normală și se asigură că UPS-urile și carcasele bateriei-dulap sunt conectate la sistemul de electrod de împământare al clădirii prin conductori de electrod de împământare de dimensiuni adecvate, aproape toate cerințele pentru un sistem fără legare la pământ când UPS-ul își descarcă bateriile și devine un sistem neîmpământat în timpul transferului de energie.
Cu toate acestea, există o diferență cheie între comportamentul sistemelor împământate și neîmpământate, care impune o cerință suplimentară sistemelor neîmpământate. Această diferență apare atunci când apare o singură defecțiune linie-sol în sistem.
Într-un sistem solid împământat, conectarea (de obicei) a firului neutru la masă la sursa de alimentare înseamnă că se va forma un circuit complet atunci când apare o defecțiune linie-masă. Acest lucru permite ca o cantitate mare de curent de defect să curgă prin calea de impedanță redusă creată de defecțiune, provocând un dispozitiv de protecție la supracurent (OCPD) echipat cu detectare a defecțiunilor la sol pentru a funcționa și a izola rapid defecțiunea.
Într-un sistem nefondat, totuși, nu există niciun circuit creat atunci când apare o singură defecțiune linie-masă prin care poate curge curentul de defect. În schimb, conductorul defect devine pur și simplu împământat, iar potențialele linie-la-linie dintre faza defectată și celelalte faze neefectuate devin potențiale linie-sol. Cu toate acestea, valoarea diferenței de potențial între faze nu se modifică. Acest lucru nu va avea un efect vizibil asupra performanțelor sistemului atunci când se produce, dar dacă defecțiunea nu este reparată și apare o a doua defecțiune linie-sol, aceasta va avea ca rezultat o defecțiune dublă linie-masă, atrăgând curenți de defecțiune mai mari și crearea potențialului de deteriorare mai mare a echipamentelor electrice și a unui risc mai mare pentru siguranța personalului. La fel ca în sistemul împământat, o defecțiune fază-fază într-un sistem neîmpământat va genera curent de defecțiune și va provoca de obicei un dispozitiv de protecție la supracurent să funcționeze și să izoleze defecțiunea.
Pentru a se asigura că defecțiunile linie-sol nu rămân nedetectate, NEC 250.21 (B) impune ca sistemele neîmpământate să fie echipate cu detectoare la sol într-un punct cât mai aproape de sursa de alimentare a sistemului. Un detector de masă monitorizează diferența de potențial dintre conductoarele de fază ale sistemului și pământul din porțiunea neîmpământată a sistemului la care este conectat. Dacă există o defecțiune la pământ în sistem, acesta emite un semnal vizual și/sau sonor pentru a alerta operatorii sau personalul de întreținere. Operatorii pot iniția apoi o oprire ordonată a sistemului, astfel încât defecțiunea să poată fi localizată și reparată. Acest lucru este deosebit de important într-un sistem deservit de un UPS, întrucât oprirea ordonată a sarcinilor critice este în general necesară pentru a minimiza riscul pentru siguranța vieții sau întreruperea funcțiilor comerciale.
De exemplu, poate fi costisitor să inițiezi o oprire a unui sistem critic de computer din cauza prezenței unei defecțiuni la sol a sistemului, dar cu siguranță va fi mai puțin decât o deconectare bruscă a alimentării la aceleași computere. Majoritatea sistemelor UPS vor conține un mecanism de detectare a solului, dar este important să verificați dacă această componentă este inclusă pentru a asigura conformitatea cu această cerință.
Detectarea defecțiunilor la sol este deosebit de importantă atunci când un sistem devine temporar neconectat la pământ, cum ar fi în timp ce un UPS fără transformator își descarcă bateria din cauza unei defecțiuni a sursei de intrare, deoarece este posibil să devină din nou împământat la revenirea puterii de intrare. Când alimentarea este restabilită, fie printr-o întoarcere a sursei de utilitate, fie datorită unei surse de generator care intră online, întrerupătorul de intrare UPS se va închide și sistemul va fi din nou conectat la pământ. Dacă o defecțiune la pământ este încă prezentă în sistem atunci când se produce acest lucru, curentul de împământare la sol va curge prin defecțiune. Un detector de masă din UPS poate preveni această situație printr-o oprire preventivă înainte ca curentul de avarie să aibă șansa să curgă.
Pentru a vă asigura că un detector de defecțiune la pământ poate funcționa corect în întregul sistem fără legare la pământ, este important să verificați conformitatea cu cerințele de conectare a carcasei UPS la sistemul de împământare-electrod (discutate mai sus), precum și cerințele pentru lipirea obiecte metalice care nu transportă curent, acoperite în partea V a articolului 250 NEC. Acest lucru asigură faptul că orice punct de pe sistemul neîmpământat în care este posibil să apară o defecțiune la pământ are o referință solidă la pământ prin conexiunea carcasei UPS la sistemul de împământare-electrod și că detectorul poate detecta cu precizie o stare de defect la sol.
În plus față de cerințele pentru sistemele de curent alternativ neîmpământate, NEC conține cerințe suplimentare pentru sistemele de curent continuu neîmpământate. Acest lucru se aplică sistemului de curent continuu cu 2 fire mai comun, deoarece Secțiunea 250.162 (B) impune ca toate sistemele de curent continuu cu 3 fire să fie împământate. Desigur, un UPS va conține un sistem de curent continuu, și anume conexiunea dintre sistemul de stocare a energiei și invertorul de ieșire. Articolul 250.169 al NEC enumeră cerințele pentru un sistem derivat separat de cc neîmpământat. Aceste cerințe sunt similare cu cele ale sistemului de curent alternativ, și anume ca carcasa sursei să fie împământată prin sistemul de împământare-electrod al clădirii prin intermediul unui conductor de electrod de împământare.
Rețineți, însă, că dimensionarea conductorului electrodului de împământare pentru un sistem de curent continuu este guvernată de o secțiune diferită de cea a unui sistem de curent alternativ, și anume Secțiunea 250.166, care impune ca conductorul electrodului de împământare să nu fie mai mic decât cel mai mare conductor furnizat de sistem de curent continuu. Cu toate acestea, aceleași dimensiuni ale conductoarelor de împământare necesare minim și maxim pentru diverse instalații se aplică atât sistemelor de curent continuu, cât și celor de curent alternativ. La majoritatea instalațiilor UPS, nu sunt necesare considerații speciale pentru sistemul de curent continuu, deoarece, de obicei, sistemul de curent continuu este împământat la carcasa bateriei, deși este important să verificați acest lucru într-o anumită instalație.
În cazul în care trebuie făcute considerații speciale de proiectare, pentru a lua în considerare ceea ce poate constitui cea mai bună practică pentru proiectarea sistemului de împământare a porțiunii de curent continuu a unui UPS în condiții de sistem nefondate, poate fi util să se ia în considerare o situație oarecum analogă: sistem solar fotovoltaic (PV) nefondat.
Sistemele fotovoltaice nefondate nu sunt neobișnuite din multe din aceleași motive pentru care sistemele UPS fără transformator au devenit populare. Similar cu porțiunea de curent continuu a unui sistem UPS în timpul transferului de energie, un sistem fotovoltaic fără legare la pământ este un sistem de curent continuu nefondat care furnizează un sistem de curent alternativ printr-un invertor. De fapt, majoritatea sistemelor fotovoltaice au sisteme de stocare a energiei ca parte a sistemului de curent continuu, la fel ca într-un UPS. Deci, deși nu sunt cerințe, regulile și comentariile NEC privind sistemele fotovoltaice conținute la articolul 690, în special partea III și partea V, pot fi instructive în gândirea la împământarea sistemului UPS de stocare a energiei.
O notă specială este secțiunea 690.15 (D), care descrie cerințele mijloacelor de deconectare a echipamentelor pentru sistemele fotovoltaice. Această secțiune atrage atenția asupra unei cerințe mai generale găsite în secțiunea 210.4 (B), care prevede că mijloacele de deconectare trebuie să deconecteze simultan toți conductorii neterminați ai circuitului la care este conectat. Spre deosebire de un sistem cu împământare, în care deconectarea firului neutru nu trebuie să fie simultană cu deconectarea firelor de fază, într-un sistem fără legătură, toate firele trebuie să fie deconectate simultan, deoarece niciunul nu este împământat. Acest lucru nu este adesea o preocupare, dar este ceva de reținut atunci când specificați întrerupătorul de curent continuu care protejează sistemul de stocare a energiei UPS-ului.
Ben Stevens este inginer electric asociat la Page. A lucrat timp de 3 ani pentru Page și este specializat în proiecte de știință și tehnologie.
- Consultanță - specificarea inginerului Înțelegerea funcționării comutatorului de transfer
- Alegerea sursei de alimentare potrivite pentru sistemul dvs. LED Nou Flex LED
- Tot ce trebuie să știți despre proiectarea sursei de alimentare PCB Advanced PCB Design Blog Blog Cadence
- Setarea corectă a tensiunii la sursa de alimentare - PCTechBytes
- Trebuie să folosesc o sursă de alimentare separată cu un dispozitiv GP sau seria Xpress Byte Paradigm -