医疗电气中工频UPS和隔离变压器的关系分析

随着医疗水平的不断提高,大量精密医疗设备在医疗、预防、康养、教学和科研工作中得以广泛应用。如何使这些设备平稳运行、充分发挥性能,已成为设备管理和使用人员面临的主要问题。电源作为医疗设备稳定运行的基础条件,其安全性、可靠性、持续性受到越来越多的关注,交流不间断电源(UPS)作为重要的电能质量设备以其自身的优势,被大规模应用在医疗电气设计中。相关的标准和规范为UPS的正确使用提供了依据,避免了大量问题的产生,但随着UPS的成熟应用发现标准和规范中的有些条款存在容易引起歧义或值得商榷之处。

一  医疗场所对UPS的需求

依据IEC标准和JGJ312-2013《医疗建筑电气设计规范》、GB16895.24《建筑物电气装置第7-710部分:特殊装置或场所的要求医疗场所》在医疗电气设计中,划分场所的方式有两种:一是按医疗电气设备与人体接触的状况和断电的后果,将医疗场所分为0类场所、1类场所及2类场所;另一是按医疗场所电源转换时允许间断供电的时间,分为t≤0.5s、0.5s15s三个等级。在图集19D706-2《医疗建筑电气设计与安装》第9页给出了“医疗场所及设施的类别划分与要求自动恢复供电的时间”要求,在第10页给出了各级电源对应供电恢复时间和对应配备的电源设备,如下表1:

在TN-S供电系统中,为满足负荷对于UPS输出接地形式的要求,有时需配置隔离变压器以实现UPS输入端与输出端的中性导体系统隔离的目的。在JGJ312-2013《医疗建筑电气设计规范》第4.4.6条规定了“TN-S系统中的不间断电源装置(UPS)输出为三相时,应加装三相隔离变压器并作重复接地”。
　　
　　行业内对本条规范的理解出现了很大分歧,一部分人员认为条文中含有“隔离变压器”即可把“工频UPS”中的输出变压器当作隔离变压器看待,将其中点直接接地即可实现重复接地;另一部分人员认为无论是“工频UPS”还是“高频UPS”均应考虑变压器是否真正的实现了对包括中性线在内的所有导体的电气隔离,而后才能进行重复接地。下面针对这一分歧从UPS构成原理、医疗电气系统的要求、相关标准的规定等方面展开论述。

二  UPS类型介绍

行业内将在线双变换式UPS分为工频机和高频机,在15D202-3《UPS与EPS电源装置的设计与安装》“UPS电源装置编制说明”第3条“UPS按整流方式的不同”给出了“工频UPS”和“高频UPS”的定义:
　　
　　“3.1由可控硅SCR(晶闸管)整流器,IGBT(绝缘栅双极晶体管)逆变器、旁路和工频升压器组成的UPS,其因整流器的变压器工作频率均为工频50Hz,简称为工频UPS此类UPS整流方式为降压整流,有6脉冲与12脉冲两种形式。”
　　
　　“3.2由IGBT高频整流器、电池变换器以及IGBT逆变器和旁路所组成的UPS,IGBT可以通过控制加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与与关断,IGBT整流器开关频率通常在20kHz以下,相对于50Hz工频,简称高频UPS,此类UPS整流方式通常为升压整流。”
　　
　　根据以上定义工频UPS和高频UPS典型的拓扑结构(不含维修旁路)示意图1、图2。

工频UPS和高频UPS各组成部分功能:
　　
　　1.整流器(Rectifier):将由主路输入的交流整流为直流,为逆变器和蓄电池提供直流电能,工频机使用晶闸管整流,高频机使用IGBT整流。
　　
　　2.蓄电池充电器(BatteryCharger):完成蓄电池充放电管理功能。因工频机使用晶闸管整流直流母电压较低,蓄电池可直挂母线进行充放电管理,高频机由于母线电压较高,电池直挂母线的方式不再合理,采用了独立的电池充电管理器。
　　
　　3.逆变器(Inverter):将直流母线的直流电逆变为交流电输出。
　　
　　4.输出变压器(Output Transformer):完成升压和输出滤波两个功能。工频机由于直流母电压较低,经逆变器逆变后输出的交流不能达到380V,故采用输出变压器完成升压,同时利用变压器电感完成滤波。
　　
　　5.输出滤波电感(Output Filter Inductor):完成输出滤波功能。高频机由于直流母线电压较高经逆变器输出后交流电压可以达到380V甚至更高,不再需要使用升压变压器,将其替换为更加实用的输出滤波电感。

三  工频UPS输出变压器不是隔离变压器

从图1和图2可以看出工频UPS和高频UPS对中性线处理方式是一致的,即UPS的主路和静态旁路共用中性线N,中性线N从UPS的输入端输入为静态旁路和主路的整流器、电池充电器、逆变器提供基准电位后经UPS的输出端输出。主要差别之一是在UPS的逆变器输出端的不同,工频UPS逆变器后连接的是输出变压器,高频UPS逆变器后连接的是输出滤波电感;另一个差别是工频UPS中性线N连接至输出变压器二次侧绕组重新建立的中性点后输出,高频UPS中性线N未与输出滤波电感连接而直接输出。工频UPS中性线N需要连接输出变压器二次侧中性点的原因是:
　　
　　1、工频UPS整流器采用晶闸管整流,直流母线电压经逆变器逆变输出后的交流达不到380V要求,为满足负载额定电压,需经输出变压器进行升压,同时利用变压器的电感完成滤波。UPS在工作时会根据负载或自身的情况调整工作状态即在主路工作模式和旁路工作模式之间相互切换,旁路所接市电与逆变器的输出测(输出变压器的一次侧)存在压差,不允许接入。因此旁路和中性线N接在了变压器的二次侧。
　　
　　2、主路工作模式时UPS输出的交流电是由市电经过整流器整流为直流后经逆变器逆变产生的,与市电输入的交流电在电气上可认为是隔离的。在电池工作模式时UPS输出的交流为蓄电池中的直流电能经逆变转换产生的,与市电输入的交流电在电气上也可认为是隔离的,其中性线不依赖于市电提供的中性线,整个系统可以认为是不依存于输入市电的接地方式的“另起系统”。为实现UPS的主路和旁路的同步切换,在设计时在UPS内部将主路和旁路中性线N短接在一起,二者获得了相同的基准电位,该设计使不同的中性线系统在同一供电范围内共存成为可能。避免了不同中性导体系统中性线N之间电位差不同以及电磁兼容(EMC)带来的问题。相关描述可参见GB/T16895.10-2010/IEC60364-4-44:2007《低压电气装置第4-44部分:安全防护电压骚扰和电磁骚扰防护》第444.4.6.1条、GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》第7.1.2条。
　　
　　从以上描述可知工频UPS的中性线N从UPS输入侧直接连接到输出变压器二次侧的中性点,而GB19212.1-2016《电力变压器、电源、电抗器和类似产品的安全第1部分:通用要求和试验》第19.1条及GB19212.16-2017《变压器、电抗器、电源装置及其组合的安全第16部分:医疗场所供电用隔离变压器的特殊要求和试验》第19.1条规定:“输入和输出电路在电气上彼此隔离,其结构应使这些电路之间不可能存在任何直接的或间接通过其他导电零部件的连接。”可见工频UPS输出变压器对中性线N处理问题上违反了上述规定,所以工频UPS的输出变压器并非是输出隔离变压器。

四  工频UPS输出变压器不能直接接地

根据上文描述,工频UPS输出变压器并不是隔离变压器,且中性线N从UPS的输入端输入为静态旁路和主路的整流器、电池充电器、逆变器提供基准电位后经UPS的输出端输出,如在工频UPS的输出端将中性线N进行接地,将改变接地系统的性质,其分析过程如图3所示:

图3中左侧图形为工频UPS输出变压器二次侧的中性点未做重复接地的TN-S系统,右侧图形为工频UPS输出变压器二次侧的中性点与地线PE连接于点P后的系统。
　　
　　从图中可以看出当输出变压器二次侧的中性点于P点接地后,在P点至电源接地之间的中性线和地线PE具有了相同的电位,在电气上PE线和中性线N此时等价为一条PEN线。从P点到电源接地点之间的部分变成了TN-C系统,整个系统变成了TN-C-S系统。
　　
　　在医疗电气相关标准、规范中明确规定医疗配电系统严禁采用TN-C系统,如表2所示:

五  几种推荐的UPS配置隔离变压器方式

从以上分析可知工频UPS输出变压器不是隔离变压器也不能做重复接地。下面推荐几种UPS配置隔离变压器的方法。

1. UPS旁路配置隔离变压器

依据GB51348-2019《民用建筑电气设计标准》第6.3.7条,UPS输出端的隔离变压器为TN-S、TT接地形式时,中性点应接地。其条文说明:在TN-S供电系统中,为满足负荷对于UPS输出接地形式的要求,必要时应该配置隔离变压器。这是因为UPS的旁路系统输入中性导体与输出中性导体连接在一起,UPS的输入端与输出端的中性导体必须是同一个系统。但是,在一些应用中UPS的负荷对于中性导体系统有特别的要求,这时有可能在UPS的旁路输入侧配置隔离变压器,通过隔离变压器使得UPS输入端与输出端的中性导体系统是两个不同的中性导体系统。因此规定中性点应接地且应与由接地装置直接引来的接地干线可靠连接。根据以上说明高频UPS和工频UPS在旁路配置隔离变压器的方式分别如图4和图5所示:

2. UPS输出配置隔离变压器

当UPS处于主路双变换模式或电池模式时,其中性线不依赖于市电提供的中性线,输出的三相交流电可认为是同市电输入隔离的“另起系统”,此时仅需对旁路输入市电进行隔离处理,可将图4和图5中旁路的变压器沿导线“平移”至输出端,如图6和图7所示:

图6和图7在UPS输出端配置隔离变压器的方式相对图4和图5在UPS在UPS旁路配置隔离变压器的方法操作更加方便、灵活,在工程现场更容易实现。此外,变压器的位置可以不受UPS位置的限制,可脱离UPS放置于靠近负荷位置,缩短中性线距离,减小中性线阻抗,降低零地电压。尤其是当UPS含有维修旁路时在输出端加装隔离变压器的方式优势更突出。
　　
　　此外,医疗电气IT系统中也会涉及到UPS和隔离变压器,但因为限制故障半径等原因,医疗IT系统所用UPS及变压器通常使用10KVA以下的单相UPS和单相变压器。

结束语

综上所述,三相工频UPS输出变压器N线直接连在变压器的二次侧,无法达到UPS输入端与输出端的中性导体系统隔离的目的,因此不能当中隔离变压器使用;工频UPS输出变压器不能直接接地,直接接地后系统中将出现TN-C系统违反医疗配电系统严禁采用TN-C系统的规定;当UPS需配置隔离变压器时,最理想的方式是在UPS的输出端配置。

参考文献

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　　[3]GB19212.16-2017《变压器、电抗器、电源装置及其组合的安全第16部分:医疗场所供电用隔离变压器的特殊要求和试验》;　　
　　[4]19D706-2《医疗建筑电气设计与安装》;　　
　　[5]JGJ312-2013《医疗建筑电气设计规范》;　　
　　[6]GB51039-2014《综合医院设计规范》;　　
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　　[12]GB50065-2011《交流电气装置的接地设计规范》;　　
　　[13]《建筑物电气装置600问》王厚余;　　
　　[14]《工业与民用供配电设计手册》第四版中国航空规划设计研究总院有限公司。

作者简介
　　
　　张阳

      长期从事数据机房基础架构设计和应用产品推广支持工作,熟悉机房电源产品和空调产品的技术特点及应用需求,现在伊顿公司从事机房动力解决方案支持工作。

　　曾显达

      伊顿电源(上海)有限公司,高级应用架构师/高级工程师。伊顿电源(上海)有限公司高级应用架构师,从事UPS技术工作和数据中心架构设计多年,对UPS产品及供配电系统有较深入的研究。

　　王军

      于2020年加入伊顿,现就职于伊顿电源(上海)有限公司,任资深解决方案架构师职务。1983年生,在UPS行业有近20年从业经验,先后从事过UPS维修、维护、系统架构的设计、方案的制订,参与多个大型数据中心的设计建设,对UPS系统的特殊应用,具有丰富的应用实践经验。

——本文转载自《数据中心建设+》杂志