中性线的转换对UPS电源性能的影响和对策

图1 采用3极ATS市电和发电机转换电路(发电机中性线通过市电进线柜接地)

图2 具有多个3极转换开关的转换电路(市电供电时中线电流的分流的情况)

(2)发电机组中性线在发电机处接地的转换电路

图3示出采用3 极ATS，而发电机中性线在发电机处单独接地的转换电路。由发电机中性点引出的中性线与市电的中性点连接，发电机组的机座与中性点连接并在发电机处接地。在这种转换电路中，由于市电电源系统中性线在市电进线柜和发电机两处接地，会引起中性线电流和接地故障电流的分流，影响接地故障保护装置的正常工作。

图3 采用3极ATS 的市电和发电机转换电路(发电机中性线在发电机处独立接地)

图4示出在市电供电的情况下，当发生接地故障时，故障电流IGF分流的情况。IGF有一部分通过自故障点至发电机中性点的PE线、发电机组中性点和公共的中性线N返回市电中性点，因而没有被GFP检测到。这可能造成有接地故障时接地故障保护装置拒动。

图5 示出这种转换电路的另一个问题：中性线电流IN被分流。如图所示，IN有一部分经公共中性线、发电机的中性点和发电机组的接地线返回市电电源。这将可能出现GFP检测器的对故障电流的误检测，造成在无接地故障时接地保护装置误动。

图4 采用3极ATS(发电机中性线独立接地)接地故障电流分流的情况

图5 采用3极ATS(发电机中性线独立接地)中性线电流分流的情况

3.2 采用4极ATS的转换电路

如前所述，传统的市电/发电机转换电路采用3极ATS，是不转换中性线的转换电路，无论发电机的中性线在何处接地，市电和发电机的中性线都是固定连接的。因而出现了接地故障电流和中线电流的分流现象，导致接地故障电流的检测错误。显而易见，为了避免上述种种问题，应该进行中性线的转换，使市电和发电机组完全隔离。转换中性线的市电和发电机转换电路采用4极ATS。JGJ/T16-2008《民用建筑电气设计规范》规定：正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应采用4极开关;带接地故障保护的双电源转换开关应采用4极开关。

4极ATS有中性线断开的转换开关和中性线触头重叠转换的转换开关两种。

(1) 采用中性线断开的4极ATS的转换电路

在图6的电路中采用4极ATS，除了转换三个相线外，还利用第四个极转换中性线。实现了市电和发电机的完全隔离。发电机的中性线和机座在发电机处独立接地，与市电中性线没有连接。因此，发电机是“独立系统”。这个电路消除了由于中性线多点接地而引起的接地故障检测错误和断路器的异常跳闸(图4，图5)。此外，在发电机输出也可以进行接地故障检测和告警。

中性线断开的4极ATS采用“先断后合”的方式进行转换，在转换过程中，两个电源接地的中线没有连接到一起，不会引起接地故障检测的错误。中性线转换极与相线转换极同时动作，以防止在感性负载的存在的情况下，如果中性线极先于相线极断开，在中性线上产生瞬变高压和电弧、触头腐蚀的现象。

有的4 极ATS设计为中性线相对于相线，最后断开，最先闭合;即所谓中性线较相线“先合后分”，以减少转换中性线时产生电压瞬变的可能性。这种转换开关的中性线极的结构与相线极的结构相同，即中性线触头与相线触头具有相同的电流容量。然而这种转换电路在转换过程仍有中性线瞬时断开现象。

图6 采用4极ATS的转换电路(中性线先断后合)

(2) 采用中性线触头重叠的4极ATS的转换电路

隔离市电和发电机电源的另一个办法，是采用带重叠中性线触头的4极ATS。这种转换开关在转换过程中，市电和发电机的中性线是重叠接在电路中的，即以“先合后断”的方式进行中性线转换。或称为“中性线重叠转换”。如图7示，当从市电向发电机转换时，首先接上发电机的中性线，然后转换3个相线，再断开市电的中性线，最后，ATS的4极开关与发电机电源连接。反之亦然，即转换过程中负载的中性线同时与市电和发电机的中性线连接，转换后只与市电或发电机一个电源的中性线连接，实现了市电和发电机的中性线完全隔离。这个电路，由于在转换过程中中性线始终没有断开，故不会产生异常的转换瞬变电压和电弧，因而中性线的触头不会因电弧而腐蚀。这个好处在有较大感性负载时特别明显。这种ATS的中性线触头开距较小，触头压力不高，不配备灭弧室，中性线触头材料与相线触头的材料也不尽相同。重叠中性线触头容量一般可以比相线转换极小些，故比较经济。因此，这种转换开关有时也称为具有重叠中性线触头的3极ATS。

图7转换电路的缺点，是在转换过程中两个电源的中性线有一段时间连接在一起，在此期间整个转换电路相当于采用3极ATS的转换电路(图3)，中性线电流的分流现象有可能造成接地故障电流检测错误和断路器异常跳闸(图4，图5)。为此，可适当调节接地故障保护装置的响应时间，躲过转换过程两个电源的中性线重叠时间间隔。