最详细的UPS和蓄电池组基础知识讲义

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UPS 基础知识 一、 UPS 的简介 1、 什么是 UPS UPS 是英文Uninterrupted Power System 的缩写，中文即称不间断电源系 统。UPS 是一种含有储能装置（常见的是蓄电池），以逆变器为主要组 成部分的恒压、 恒频的不间断电源。 它可以解决现有电力的断电、 低电压、 高电压、突波、杂讯等现象，使计算机系统运行更加安全可靠。现在已经 被广泛应用计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业。 2、 为什么要使用 UPS 有一个常见的错误概念， 认为我们使用的市电， 除了偶尔发生的断电事故， 是连续而且恒定的，其实不然。市电系统作为公共电网，上面连接了成千 上万各种各样的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅 从电网中获得电能，还会反过来对电网本身造成影响，恶化电网或局部电 网的供电品质，造成市电电压波形畸变或频率漂移。另外意外的自然和人 为事故，如地震、雷击、输、变电系统断路或短路，都会危害电力的正常 供应，从而影响负载的正常工作。根据电力专家的测试，电网中经常发生 并且对电脑和精密仪器产生干扰或破坏的问题主要有以下几种： 电涌（ surges） 电涌（power surges） ： 指输出电压有效值高于额定值 110%，而且持续时间达一个或数个周期。 电涌主要是由于在电网上连接的大型电气设备关机时， 电网因突然卸载而 产生的高压。 高压尖脉冲（ spikes） 高压尖脉冲（high voltage spikes） ： 指峰值达 6000v， 持续时间从万分之一秒至二分之一周期 （10ms） 的电压。 这主要由于雷击、 电弧放电、 静态放电或大型电气设备的开关操作而产生。 暂态过电压（ transients） 暂态过电压（switching transients） ： 指峰值电压高达 20000V，但持续时间界于百万分之一秒至万分之一秒的 脉冲电压。其主要原因及可能造成的破坏类似于高压尖脉冲，只是在解决 方法上会有区别。 电压下陷（ sags） 电压下陷（power sags） ： 指市电电压有效值介于额定值的 80%至 85%之间的低压状态，并且持续时 间达一个到数个周期。大型设备开机，大型电动机启动，或大型电力变压 器接入都可能造成这种问题。 电线噪声（ noise） 电线噪声（electrical line noise） ： 系指射频干扰(RFI)和电磁干扰（EFI）以及其它各种高频干扰。马达的运 行、继电器的动作、马达控制器的工作、广播发射、微波辐射、以及电气 风暴等，都会引起线噪声干扰。 频率偏移（ variation） 频率偏移（frequency variation） ： 系指市电频率的变化超过 3Hz 以上。这主要由应急发电机的不稳定运行， 或由频率不稳定的电源供电所致。 持续低电压（brownout） ： 持续低电压（brownout） 指市电电压有效值低于额定值，并且持续较长时间。其产生原因包括：大 型设备启动和应用、主电力线切换、启动大型电动机、线路过载。 市电中断（ fai1） 市电中断（power fai1） ： 指市电中断并且持续至少两个周期到数小时的情况。其产生原因有：线路 上的断路器跳闸、市电供应中断、电网故障。 对于微机来说，显示器及主机工作都需要正常的电力供应。尤其是内存， 对电源的要求更高。它是一种依赖电能的存储设备，需要不断的刷新动作 来保持存储内容。一旦断电，所保存的内容立即消失。如果非正常断电， 导致内存中的信息来不及保存到硬盘等存储设备上， 就会造成信息因完全 丢失或变得不完整而失去价值，从而浪费大量的工作精力、时间、甚至造 成巨大的经济损失。而 UNIX 这样的操作系统，如果不正常关机，内存中 的系统信息没有回写到硬盘上，还可能造成系统崩溃，无法再次启动。此 外，电脑中的硬盘，虽然应用的是磁存储介质，不会因断电而损失信息， 但突然的电力故障会使正在进行读写工作的硬盘物理磁头损坏， 或者系统 文件在维护文件系统时， 造成文件分配表错误， 从而造成整个硬盘的报废。 另外，现在的操作系统大都能设置虚拟内存，由于突然的断电，使系统来 不及取消虚拟内存，从而造成硬盘中的“信息碎片”，不仅浪费了硬盘存 储空间，还会导致机器运行缓慢。电脑电源是一种整流电源，过高的电压 可能会造成整流器烧毁。 而电压尖脉冲和暂态过电压以及电源杂讯等干扰 都可能通过整流器进入主机板， 影响机器的正常工作， 甚至烧毁主机线） 防止电网电压中断造成的损失 当电网发生断电时，往往使计算机来不及将数据储存起来。造成数据的丢 失。甚至可能使某些软件不能恢复正常工作。另外还有可能使硬盘的磁头 与盘面相磨，损坏磁盘。UPS 是英文不间断电源的缩写。它的用途之一就 是不间断的供电。当断电时，UPS 将自己蓄电池内的电能释放出来，像发 电机一样继续维持对设备的供电。这样操作人员可将数据及时储存起来， 或者在此期间启动备用电源保持对设备供电的持续性。 之所以需要启动备 用电源是因为 UPS 的蓄电池容量是有限的， 发电时间不可能无限长。 一般 供电的时间为十几分钟到数小时。视蓄电池容量而定。 2） 稳压、稳频作用 电网的电压波动是经常发生的。随着电网负载的变化，电网电压亦发生高 低变化。电网电压的过高或过低对计算机设备将产生不良影响。所以要求 UPS 应有稳压作用。另外有的计算机设备对电源的频率变动较敏感。大部 分计算机对电源频率变化范围有一定的要求。通常是 ≤±1Hz。因此 UPS 应有稳频作用。 3） 隔离电网的干扰 在电网上所接入的负载设备类型繁多。如：产生电火花的设备，带有可控 硅的设备，以及大型电动机的频繁启停都会给电网带来干扰。这些干扰通 过电网串入计算机设备，扰乱他们的正常工作。尤其是通信设备对电网中 的干扰较敏感。而 UPS 是处于计算机设备与电网之间，电网来的干扰被 UPS 滤除隔断。有效防止了电网干扰对计算机的影响。 4、UPS 的分类 UPS 大致可分成三种：离线式（Off Line） ，在线式（On line）和在线交 互式（Line interactive） l) 离线式（Off Line） 离线式 UPS 电源平常市电通过旁路直接向负载供电。只有在停电时，才通 过逆变器将电池能量转换为交流向负载提供电力。 离线式不间断电源的特 点： ? 当市电正常时，离线式 UPS 对市电没有任何处理而直接输出至负载， 因此对市电噪音以及浪涌的抑制能力较差； ? 存在转换时间； ? 保护性能最差； ? 结构简单、体积小、重量轻、控制容易、成本低。 2) 在线式不间断电源（On-Line UPS） 在线式 UPS 平常由逆变器输出向负载供电，只有当 UPS 发生故障、过 载或过热时才会转为由旁路输出给负载。在线式 UPS 的特点： ? 输出的电力经过 ? 无转换时间； ? 结构复杂，成本较高； ? 保护性能最好，对市电噪音以及浪涌的抑制能力最强。 UPS 的处理，输出电源品质最高； 3）在线交互式不间断电源（Line interactive UPS） 在线交互式 UPS 平常由旁路经变压器输出给负载，逆变器此时做为充电 器。当断电时逆变器则将电池能量转换为交流电输出给负载。在线交互式 UPS 的特点： ? 具双向性转换器设计，UPS ? 存在转换时间； ? 控制结构复杂，成本较高； 电池回充时间较短； ? 保护性能介于在线式与离线式 UPS 之间，对市电噪音和浪涌的抑制能力 较差。 5、UPS 的输入输出方式 UPS 输入输出方式大致分为 3 种 ? 单相输入/单相输出 ? 三相输入/单相输出 ? 三相输入/三相输出 上述三种输入输出方式的选择主要由负载容量状况来决定，单入/单出 UPS 从 1KVA~15KVA；三入/单出 UPS 从 10KVA~20KVA；三入/三出 UPS 从 10KVA~500KVA。可以看出，输入输出形式主要是根据 UPS 容量的不同以 及现场应用时对现场的适应性而制定的。输入形式主要取决于对现场三 相电平衡度的影响程度，输出形式主要取决于 UPS 输出线径及功率元件 的容量，一般每个单相输出应在 5KVA 以上，以保证有效带载率，或考虑 到三相负载对输出形式的要求，采用更小单相输出容量。 1）单相输入/单相输出方式： 如果容量比较小，单入方式的 UPS 挂在任何一相入户的市电上都不会对 入户市电的三相配平衡问题造成麻烦，而负载容量较小，UPS 采用单相输 出其输出线径（电流值）都不大，可以采用单相逆变器设计，因此小容 量（一般 15KVA 以下）的 UPS 多采用单入/单出形式。 2）三相输入/单相输出形式： 在容量稍大时，例如大于 20KVA 的负载，若挂在某一单相输入电上，会对现 场的输入电配平衡造成麻烦，而采用三相输入，自动平均分配输入电流，从 而有效解决配平问题。 3）三相输入/三相输出形式： 随着负载容量的增大，在输入三相形式的基础上，输出也采用三相形式，使 每个单相输出的电流不至过大。 在某些特殊场合， 也使用容量较小的三相输 出形式 UPS，主要是小容量三相负载而设计的。 6、UPS 的主要组成部份 整流充电器 把市电或油机的交流电变为直流电，为逆变器和电池提供电能，其性能 的优劣直接影响 UPS 的输入指标。 可控硅整流器：输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大， 噪声大，适应输入电压小，适用于大功率 UPS。 二极管＋IGBT：工作频率高，具有功率因数校正功能，滤波器体积小， 噪声低，可靠性高，适用于中小功率 UPS。 逆变器 把市电变换后的直流电或电池的直流电转换为稳压稳频的交流电，其性 能的优劣直接影响 UPS 的输出性能指标。 IGBT 逆变器：工作频率高，滤波器体积小，噪声低，可靠性高，工作频 率 20KHZ。 旁路开关 提高 UPS 系统工作的可靠性， 承受负载的瞬时过载或短路。 IGBT 过载能 力有限，当过载时转到旁路，市电内阻小，可允许充分大电流，提供足 够的时间，使过载部分跳闸，使其他负载继续供电。 静态开关：可控硅――转换时无间断，损耗大； 动态开关：接触器――转换时有间断，损耗小。 电池组 电池组 为 UPS 提供一定的后备时间。 7、 UPS 原理图与基本作用原理 静态开关 电 池 组 UPS 原理图（图 1） 在这里我们以在线（ON LINE） 型 UPS 为例来讲述其原理。所谓“ON LINE” 型 UPS， 就是指无论电网是否断电， 负载设备始终由逆变器供电。 基本电路结构如图 1 所示。UPS 主要由整流器、充电器、蓄电池组、逆 变器、旁路静态开关及控制电路构成。 1） UPS 的作用原理 UPS 在不同的环境下有不同的工作状态。 a．电网电压正常时 电网交流电压 u 经输入滤波器，通过整流器转换成直流电 U，再经逆变 器变为 PWM 脉宽调制波 up，经输出滤波还原成正弦交流电 u。 。整个波 形变换过程如图 2。 图2 b.电网电压中断 由于整流器无输出电压，隔离二极管处于正向偏置而导通。蓄电池组的 直流电经隔离二极管 D 向逆变器供电，维持逆变器的正常输出。确保负 载得到的电压不中断。 c．电网电压恢复供电 此时整流器恢复输出。其直流电压高于蓄电池电压，使隔离二极管处于 反向偏置而关断。蓄电池终止放电，逆变器改由整流器继续供电。同时 整流器输出的直流电压经充电器稳压、限流给蓄电池充电。补充蓄电池 所放出的电能。 d.逆变器故障及超载 逆变器故障时，UPS 切换至旁路供电。静态旁路开关立即导通（见图 1） ， 由于静态旁路开关是由可控硅构成的电子开关，因此其反映速度极快。 在 UPS 输出端，产生的电压中断极短，以至对于负载来讲几乎感觉不到断电。在 严重超载情况下，UPS 也产生逆变器输出向旁路切换的动作。但此时，在输出端不 产生瞬间中断。切换动作是静态开关先接通，然后关断逆变器输出。在这两种情况 、U 下负载所获得的电压 UL 如图 3 所示。图中 U。 b 分别为逆变器输出电压和旁路输 出电压。 图3 2) 稳压原理 首先我们要明确的是， 逆变器输出电压的幅度与 PWM 脉宽调制波的面积 成正比。 调整 PWM 脉宽调制波的脉冲宽度即可调整逆变器输出电压的幅 度。控制电路不断的将输出电压与某一标准电压做比较。当输出电压比 标准值高时，控制电路就使 PWM 脉宽调制波的脉冲宽度减小。即减小 PWM 脉宽调制波的面积，使逆变器输出电压幅度下降。当输出电压比标 准值低时，控制电路就使 PWM 脉宽调制波的脉冲宽度增大，最终使逆变 器输出电压幅度上升。从而达到稳压之目的。 3) 稳频原理 严格地说在指定的频率范围内（如：±1Hz） ，UPS 是不稳频的，他是通 过锁相环来跟踪旁路电压频率，随其变化而变化的。当旁路电压频率超 出指定范围时，UPS 才进入稳频状态。其锁相环的参考电压来源有旁路 切换到晶体振荡器。其频率稳定度一般小于千分之一，即频率变化范围 0.1Hz。通常指定的频率范围是根据设备要求来确定的。例如：某计 算机设备要求电源频率变化范围≤±1Hz， 那么 UPS 频率跟踪范围就可 设定为±1Hz。之所以这样设计是因为当发生逆变器向旁路切换时，旁 路先接通逆变器后切断。 只有逆变器输出电压的频率和相位必须与旁路 电压的频率和相位严格保持一致。才能保证两者相位能准确的衔接，避 免发生旁路与逆变器间的环流。 我们知道若两者相位不一致则意味着两 者瞬间的电压不一致。如图 4 所示， （这是一个旁路电源与逆变器电源 并联在一起的等效电路）此电压差会引起一个环流，其值最大可达数千 安培。足以烧毁逆变器。 图4 也就是说在计算机设备允许的频率范围内，UPS 严格跟踪旁路电压相位， 与旁路频率保持一致，在旁路频率超出计算机设备允许的范围，UPS 即 提供一稳定的电压频率。但此时不能进行不间断切换。 4) 滤除干扰原理 如图 1 所示，由于 UPS 是先对电网电压整流，再将整流后的直流逆变成 交流。因此电网中的干扰在整流后，经电容滤波被滤除。不可能通过逆 变器进入计算机设备。 8、UPS 主要性能指标 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 输入电压范围: 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 输入频率范围: 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 输入功率因数: 吸收的无功功率越小，因而对市电电网的干扰就越小。 4）过载能力: 越大，表示逆变器能力越好。 过载能力: 5）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 切换时间: 输出，因此一般要求 UPS 切换时间小于 10ms，对于在线 UPS 其切换时间为 0。 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， 6） 输出电压稳定度: 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%。 7）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 输出电压失真度: 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。 8）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 负载峰值因数: 峰值因数越高，UPS 所能承受的负载冲击电流越大。 9）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 三相不平衡能力: 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。 10） 10）整 机 效 率: ①效率低会造成 UPS 本身功耗大、易老化。②效率低还 会造成电池供电时间变短。 11）电池管理水平: 11）电池管理水平: 由于电池在 UPS 整机成本所占比重较大，特别长延时 UPS 中更占 1/3 以上，而且电池故障在 UPS 故障率中也占 70%以上。所以电 池管理水平的高低直接关系到 UPS 的使用。 12）监控软件: 12）监控软件: 软件性能指标主要分保护、监测和管理(控制)3 个层次。 13）冷启动功能: 13）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。 14）旁路功能: 14）旁路功能: 指 UPS 超载或逆变器发生故障时，通过控制开关转换至市 电供电，也就是旁路供电。 15）接发电机功能: 15）接发电机功能: 发电机的输出波形一般失真度较高，且频率波动范围 很大。因此，UPS 必须具有良好的跟踪发电机频率的性能，保持与发电机 同步工作，并且保持质量较高的输出波形和稳定的输出电压。 9、不间断电源的通讯接口介绍 目前市场上销售的不间断电源（UPS）采用的通讯接口有以下几种： 继电器连接； ? RS-232 接口； ? AS400 接口； ? SNMP 接口； ? USB 接口。 ? 其中 AS400 接口主要是针对 IMB 电脑设计的。 SNMP 则能够使 UPS 无须通 而 过电脑设备就可以连上网络，同时通过网络对 UPS 进行监控。继电器连接 与 RS-232 接口是最常见的，现将其功能简单介绍如下：继电器连接方式， 能够使 UPS 能过监控软件监控市电是否正常，电池电压是否过低，同时提 供自动储存文档和系统关闭等功能。RS-232 通讯间接口除了具有继电器方 式连接的全部功能以外， 还可以通过监控软件实时监控不间断电源的电压、 电流、频认、负载容量等，并且可以设置 UPS 开关机时间与广播功能。USB （万用串行接口）是今后通讯接口的发展趋势，目前使用 USB 接口的使用 将越来越普遍。 10、常用报警信息中英文翻译 MAINS INPUT VOLTAGE MAX（输入电源电压过高） MAIN INPUT VOLTAGE WINTH LIMITS（输入电压正常） RECTIFIER OPERATING（整流器正在运行） INPUT FREQUENCY OUT OF TOLERANCE（输入频率在偏差超限） INPUT MAINS PHASE ROTATION FAULT（输入电源相序错误） BYPASS ON AUXILIARY MAINS（旁路供电） DC VOLTAGE MAX（直流电压过高） FAULT IN RECTIFIER CHECK SYSTEM（整流器检测系统差错） OUTPUT FROM EM MAINS（输出电源为旁路电源） INVERTER MASTER（逆变器主导） INVERTER SLAVE（逆变器从导） INVERTER OFF（逆变器关闭） AUX MAINS SYNCHRONIZED WITH INV（旁路电源与逆变器同步） BYPASS ON INVERTER（旁路转换到逆变器） COMM.N WITH GPA INTERRUPTED（通讯中断） INV NOT SYNCHRONIZED WITH MAINS（逆变器与市电不同步） BATTERY CHARGING（电池充电） BATTERY DISCHARGING（电池放电） BATTERY CHARGED（电池充电完毕） 二、UPS 蓄电池组的介绍 1、不间断电源（UPS）使用何种电池 目前的不间断电源（UPS），绝大多数采用密封式免维护铅酸电池。 2、蓄电池常用术语及常识 蓄电池 能将所获的电能以化学能的形式贮存并将化学能转变为电能的一种电化学 装置。 单体蓄电池 由电极和电解质组成，构成蓄电池组的基本单元。 蓄电池组 用电气方式连接起来的用作能源的两个或多个单体蓄电池。 铅酸蓄电池 电极主要由铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 充电 蓄电池从外电路接受电能，并转化为化学能的工作过程。 放电 蓄电池将化学能转换为电能，并向外电路输出电流的工作过程。 反极 由于电池本身故障导致蓄电池正常极性的改变。 开路电压 开路时，蓄电池正负极间的电位差。 连接条； 连接条；连接线 用于传导单体蓄电池间电流的导电体。 循环 在规定的条件下，放电（充电）继之以充电（放电）的过程。 自放电 当蓄电池不与外电路连接时， 由于蓄电池内自发反应而引起的化学能损失。 热失控 在恒压充电期间发生的一种临界状态。此时，蓄电池的电流及温度发生一 种累积的互相增强的作用并逐渐增加导致蓄电池的损坏。 过充电 完全充电后仍延续的充电。 完全充电状态 当蓄电池内所有可利用的活性物质都已转变成完全充电的状态。 均衡充电 为确保蓄电池组中的所有单体蓄电池完全充电的一种延续充电。 浮充充电 蓄电池与整流器及负载并联运行，平常是直流电，由整流器供电给负载使 用，恒定电压，另一方面有一小部分电流给蓄电池充电，充电电流很小， 在负载大小变化的情况下，浮充电流也稍有变化，但基本稳定在一个很小 的范围内。 电池的容量 电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，用符号 C 表示。 常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）。通常在 C 的右下角处标明放电 时率，如 C10 表明 10 小时率的放电容量；C3 表明 3 小时率的放电容量。 放电率(1／H)=放电电流（A）／电池容量（AH） 放电率通常用时率（C10）和倍率(0.1C10)表示。 终止电压 终止电压指电池放电时电压下降到不宜再放电时的最低要作电压。由于铅 酸蓄电池本身的特性，即使放电的终止电压继续降低，电池也不会放出太 多的容量，但终止电压过低对电池的损伤极大，尤其当放电达到 0 伏而又 不能及时充电时，将大大缩短电池的寿命。 温度与容量的关系 温度影响电池的容量。图为电池放出容量（10 小时率）与温度的关系曲线。 VRLA 电池虽然在-15℃下也能工作，但标准数据（如容量、数据、浮充电 压等）是 25℃时的测量结果。 温度过低，电池容量将减少，例如温度降低 20℃，容量将下降 16%左右； 同时温度过低，容易造成电池长期充电不足，也会造成电池放不出电及负 极硫酸盐化等问题。 随着环境温度的升高，电池的容量也会增大，例如温度升高 10℃，容量将 上升 6%左右。然而环境温度的升高，将加速电池板栅的腐蚀和电池水分的 损失，从而大大缩短电池的寿命。 由此可见，严格控制电池的环境温度非常重要。室内温度过高则必须用适 当的通风条件或空气调节机改善环境温度，同时通过改变电池的浮充电压 来保证电池的性能。 寿命与浮充电压关系 选择特定的浮充电压主要目的是为了达到电池的设计使用寿命和额定容 量。如果浮充电压过高，电池的浮充电流随之增大，引起板栅腐蚀的速度 加快，电池使用寿命缩短；浮充电压过低，则易造成电池不能维持在完全 充电状态，引起极板硫酸盐化，容量减少，同样降低电池的使用寿命。 温度对浮充电池 温度对浮充电池寿命的影响 环境温度升高，室内又没有必须的强制通风条件或空调制冷，浮充电电压 又没有降低，就会造成蓄电池的浮充电电流增大，短时间内虽然可以提高 蓄电池的放电容量，但这种情况下将加速蓄电池板栅的腐蚀和内部水分的 损失，从而大大缩短蓄电池的使用寿命也容易引发蓄电池的热失控，造成 蓄电池的损坏，环境温度升高 10 度蓄电池寿命将减少一倍。 二、 电气基本知识 1、 什么叫正弦交流电？ 大小和方向随时间作有规律变化的电压和电流称为交流电，正弦交流电是 随时间按照正弦函数规律变化的电压和电流。如下图： i.u 0 wt T/2 T 2、什么是正弦交流电的最大值、平均值和有效值？它们之间的关系 如何？ 最大值： 最大值：也叫振幅值，是指交流电在一个周期内出现的最大瞬时值，分别用符号 IM、 U 、E 来表示电流、电压、电动势等正旋量的最大值。 M M 平均值： 平均值：因为正弦交流电在一个周期内的平均值等于零，所以正弦交流电的平均值是 按半个周期计算的，通常用符号 IP、UP、EP 表示交流电流、电压、电动势的平均值。 以电流为例，平均值与最大值的关系是：IP=0。637IM 或 IM=1。57IP 有效值： 有效值：用来衡量交流电的大小，并能确切地反映交流电在一段较长的时间内，以功 率、电能等方面来衡量周期性电流、电压的平均效果，通常用 I、U、E 来表示交流 电流、电压、电动势的有效值。 以电流为例，如果用热效应来定有效值，则有效值为 I 的交变电流，通过某电阻 R 在一段较长时间内产生的热量，应当与数值也是 I 的直流电，在同一时间内通过同一 电阻所产生的热量相同。 根据实验结果和数学推算， 得出交流电的有效值： =0.707IM I 3、什么是交流电的周期、频率？ 交流电的周期：交流电完成一个循环所需要的时间（即从零开始增加到正的最大值， 交流电的周期 又减小到零，接着达到负的最大值又回到零）通常用字母 T 表示，单位是秒，如上图 所示。 频率： 频率：是单位时间（即 1 秒钟）内交流电重复变化的周期数，用字母 f 表示，单位是 周/秒（或赫芝、HZ） 。周期和频率的关系为：T=1/f 或 f=1/T 4、什么是相位的超前、滞后、同相和反相？ 在同一个周期内，一个正弦量比另一个正弦量早些或晚些到达零值（或最 大值） ，前者被认为是超前；后者被认为是滞后。习惯规定：超前与滞后的 角度不应超过 180 度。下图表示 i1 超前于 i2 或 i2 滞后于 i1 的情况。 i. i1 i2 0 wt 如果两个同频率正弦量同时达到最大值，则这两个正弦量称为同相 同相。 同相 如果两个同频率正弦量同时达到零值，但当一个到达正的最大值时，另一 个到达负的最大值，则这两个正弦量的相位互差 180 度，称为反相 反相。 反相 5、什么叫三相交流电？ 三个具有相同频率、相同振幅，但在相位上彼此相差 1200 的正弦交流电势、 电压、电流，称为三相交流电，如下图所示： i A相 相 B相 相 C相 相 wt 0 90度 180度 270度 360度 6、什么叫相序？相位和相位是怎样确定的？ 所谓相序 相序，是指相位的顺序。另解为：是三相交流量在某一确定的时间 T 内达到最大 相序 值（或零值）的先后顺序。 例如：对称的三相电压，频率相同，而且在相位上彼此相差 120 度，即 A 相超前 B 相 120 度，B 相超前 C 相 120 度，C 相超前 A 相 120 度，这种三相电压由 A 到 B 再到 C 这个顺序称为三相电压的相序。 相位：一般是根据系统电站或发电厂的相位来命名的，但对于两个供电系统的电站， 相位 单纯按照变电站或发电厂的相位确定还不够，还必须通过核相的方法来确定。 7、什么叫相电压、线电压？什么叫相电流、线电流？ 在三相四（五）线制供电系统中，可以得到两种电压，即相电压和线电压。 三相电源每个线圈两端的电压称为相电压。A、B、C 三相的相电压一般用 UA、UB、UC 表示。 三相电源中任意两根端线间的电压称为线电压。线电压一般用 UAB、UBC、UCA 表示。 三相电源中流过每一相线圈的电流称为相电流，相电流一般用 IA、IB、IC 表示。 A、B、C 三根端线中的电流称为线电流。线电流一般用 IAB、IBC、ICA 表示。 A Z A 三角形连接 C Y B X B C A Y O B B C A ZX C O 星型连接 8、三相负载星型联接和角型联接时，相电压和线电压、相电流和线 电流之间的关系？ 将三个绕组末端 X、Y、Z 连接在一起，由 A、B、C 三个端引连接线，这种连接方式称 为三相星型连接，又称（丫接） 。在星型连接中 U 线 U 相电压、I 线电流=I 相电流。 星型连接时，三个末端连接在一起的那一点，叫做中性点或零点，用“O”表示，从 中性点引出的连接线叫做中性线。从始端引出的三根连接线叫做端线（相线） 。 电源的另外一种连接方式是三角形连接，又称（△接） 。就是把一个绕组的末端和另 一个绕组的始端顺次序连接，例如 X 接 B，Y 接 C，Z 接 A，连接成一个闭合回路，再 从三个连接点引出三根导线向外送电。在角型连接中 U 线电压= U 相电压、 I 线、三相四线制介绍 在星形连接的电路中，除从电源三个线圈的端头引出的三根火线（相线） 外，还要从星形连接的中心点（三个线圈连接在一起的点称为三相电路的 中性点）引出一根导线为零线，这种引出四根导线的供电方式称为三相四 线制，在三相四线中除 A、B、C 三相外，还有零线，一般用 N 来表示。如 下图所示： 高压端 低压端 A B C N 10、三相五线制介绍 三相五线制是有三根相线（A、B、C） ，一根零线（N）(即交流工作地)，一 根地线（G）(即保护地)，该地线(G)要单独接地桩。这种线制供电电压为 线V。若机房市电馈入方式为三相四线制，需在配电 柜上增加一根保护地线，接在机房周围设置的专用接地桩上。也就是说三 相四线制与三相五线制区别仅在于后者比前者多了一根保护地线。如下图 所示： 高压端 低压端 A B C N G 11、避雷器介绍 简单来说，这种装置设置在线路或电气设备上，当工作电压正常时，装置 与地是绝缘的，当雷电侵入或电压增高，装置与地由绝缘变成导能并击穿 放电，将雷电流或过电压引入大地，限制电压或电流，起保护作用。雷电 流或过电压过后，迅速恢复原来对地绝缘的状态，准备再次起保护作用。 12、电源系统防雷 根据 IEC 防雷规范中有关防雷分区的要求，将电源系统分为三级保护，可 防范从直击雷到工业浪涌的各级过电压的侵袭。 第一级电源防雷器安装于 进线端；对直击雷、传导雷、感应雷实施进线端初级保护。第二级防雷器 安装于分配电柜（箱）端且要求距离第一级防雷器的线 米； 对初级保护的残余雷击能量和雷电波反射、感应雷击进行保护。第三级防 雷器安装于被保护设备端，距离第二级防雷器的线M，主要 对前级残余雷击、感应雷击和各种操作过电压进行保护。 直击雷：雷电直接击在建筑物上，产生电效应、热效应和机械力。 直击雷 雷电感应： 雷电感应：雷电放电时，在附近导体上产生的静电感应和电磁感应，它可 能使金属部件之间产生火花。 雷电波侵入： 雷电波侵入：由于雷电对架空线路或金属管道的作用，雷电波可能沿着这 些管线侵入屋内，危及人身安全或损坏设备。 雷击电磁脉冲： 雷击电磁脉冲：作为干扰源的直接雷击和附近雷击所引起的效应。绝大多 数是通过连接导体的干扰，如雷电流或部分雷电流、被雷电击中的装置的 电位升高以及磁辐射干扰。 13、电力系统介绍 电能的含义 电能是现代生产、生活的主要能源和动力。它既易于由其它形式的能量转 换而来，又易于转换为其它形式的能量一共应用；它的输送和分配既简单、 又便于控制、调节和测量，有利于实现生产过程的技术发展。因此，电能 在现代工业及整个社会生活中应用极为广泛。 发电厂 发电厂是利用发电设备将自然界蕴藏的各种一次能源转换为电能（二次能 源）的工厂。 1) 发电所需一次能源的种类 发电所需一次能源的种类可分为：水力发电、火力发电、原子能发电、风 力发电、地热发电、太阳能发电等。 2) 电力系统的组成 电力系统是指利用各种电压等级的电力线路将一些发电厂、变电所和电力 用户联系起来的一个发电、输电、变电、配电和用电的整体。 3.15～ 15.75KV 35～ 500KV 10KV 380/220V 发电机 升压变压器 降压变压器 降压变压器 低压用户 发电厂 高压 输电线 区域 变电所 高压 配电线 用户 注：电力系统额定电压等级包括：750KV、500KV、330KV、220KV、110KV、63KV、 35KV、10KV、6KV、3KV、660/380V、380V/220V、220/127V。 发电机额定电压等级：18.2KV、15.75KV、13.8KV、10.5KV、6.3KV、3.15KV、 690V、400V、230V。 （上述有下横线表示的等级现已不用或少用。 ） 3) 供电的基本要求 I. 安全。 在电能的产生、传输、分配和使用中，不应发生人身事故和设备事故。 II. 可靠。 应满足电能用户对供电可靠性的要求。 III. 优质。 应满足电能用户对电压、频率等方面质量的要求。 IV. 经济。 供电系统的投资要少，运行费用要低，并尽可能地节约电能和减少运行 所需设备、材料的数量。 14、接地系统的介绍 一般的电气设备中都应有安全保护地，在计算机机房建设中各种用电设备 都不能缺少这种保护地。 安全保护接地 安全保护地是为了防止因绝缘损坏而遭受触电危险。把与电气设备带电部 分相绝缘的金属外壳或机架，同大地做良好的接地连接，称为安全保护接 地。 安全保护地的作用： 在绝缘被击穿时保护人身和设备的安全 当绝缘被击穿时，由于机壳与地之间的杂散阻抗的数值很大，使得机壳上的 电压基本上等于交流电源的相电压(220V)，当人体触及机壳，且人体对地的 绝缘不好时，将有相当大的电流通过人体进入大地，这是十分危险的.如下 图所示(由于人体的阻值不是很小，该电流还是熔丝所能允许的电流).如将 机壳接地情况就完全不同了.当绝缘被击穿时，接地短路电流将沿着接地线 和人体两条通路同时流入大地.由于接地电阻仅为几个欧姆，远远小于人体 电阻，因此这个数值很大的短路电流将主要是通过接地电阻流入大地.这个 短路电流足以使熔断器被熔断，因而可以防止机壳带电的危险，使设备和人 身的安全得到保障. 不接安全保护地 IR 接安全保护地 IR 流经每一条通路的电流与其阻值成反比，即 IR/Id=Rd/RR 式中:Id-沿接地线流过的电流 IR-流经人体的电流 Rd-接地电阻 RR-人体的电阻 IR=Rd/RR×Id 从上式可以看出，接地电阻越小，流经人体的电流就愈小.通常人体电阻比 接地电阻大数百倍，所以接地电阻小，人体触电的危险就小. 工作接地 在计算机设备中，除直接使用直流电的计算机设备外，大量的是使用交流 电的电气设备。如计算机的主机、外部设备、UPS 电源、空调机组以及机 柜上的风机，电烙铁和示波器等都用交流电，这些设备按规定在工作时要 进行工作接地。工作接地就是把计算机机房中使用交流电的设备做二次接 地或经特殊设备与大地做金属连接。工作接地实质上是中性点接地。 工作地的作用： 中性点不接地 中性点接地 确保人身安全 当中性点不接地时，若一相碰地而人又触及另一相时，人体所受到的接触 电压将超过相电压。而当中性点接地时，情况就不同了。因为中性点的接 地电阻很小，此时如再发生一相碰地而人体又触及另一相时，人体所受的 接触电压将接近或等于相电压。因此对人体的危险性将明显降低。如上图 所式： 保障设备的安全 若中性点不接地，当一相碰地时，由于中性点对地的杂散阻抗很大，因此接 地电流很小，相应的保护装置不能迅速动作去切断电源，因而接地故障将长 时间的持续下去，这对人体和设备都是极不安全的. 若中性点接地，当一相碰地时，由于此时中性点对地的电阻仅为几个欧姆， 故接地电流就成为数值很大的单相短路电流，使得相应的保护设备能迅速 而准确地动作去切断电源，从而保护了人身和设备的安全. 在计算机系统中，交流设备很多，但交流设备的二次接地问题常常不为人们 所重视，为此常常会给人身和设备造成一些不必要的伤害，这是一个十分严 重的问题，应引起人们足够的重视. 安全保护系统的几种接线方式 建筑工程供电使用的基本供电系统有三相三线制三相四线制等，但这些名 词术语内涵不是十分严格。国际电工委员会（ IEC ）对此作了统一规定， 称为 TT 系统、 TN 系统、 IT 系统。 其中 TN 系统又分为 TN-C 、 TN-S 、 TN-C-S 系统。下面内容就是对与我们有关的供电系统做一个扼要的介绍。 （ 1 ） TT 方式供电系统 TT 方式是指将电气设备的金属外壳直接接地的保护系统， 称为保护接地系 统，也称 TT 系统。第一个符号 T 表示电力系统中性点直接接地；第二个 符号 T 表示负载设备外露不与带电体相接的金属导电部分与大地直接联 接，而与系统如何接地无关。在 TT 系统中负载的所有接地均称为保护接 地，如下图所示： 保护接地系统--TT 保护接地系统 L1 L2 L3 N FU FU 用电 设备 这种供电系统的特点如下。 1 ）当电气设备的金属外壳带电（相线碰壳或设备绝缘损坏而漏电）时， 由于有接地保护，可以大大减少触电的危险性。但是，低压断路器（自动 开关）不一定能跳闸，造成漏电设备的外壳对地电压高于安全电压，属于 危险电压。 2 ）当漏电电流比较小时，即使有熔断器也不一定能熔断，所以还需要漏 电保护器作保护，困此 TT 系统难以推广。 3 ）TT 系统接地装置耗用钢材多，而且难以回收、费工时、费料。 现在有的建筑单位是采用 TT 系统，施工单位借用其电源作临时用电时， 应用一条专用保护线，以减少需接地装置钢材用量，如下图所示。 保护接地系统--TT 保护接地系统 L1 L2 L3 N PE FU FU 用电 设备 把新增加的专用保护线 PE 线和工作零线 N 分开，其特点是： 1） 2） 共用接地线与工作零线没有电的联系； 正常运行时，工作零线可以有电流，而专用保护线） TT 系统适用于接地保护占很分散的地方。 （ 2 ） TN 方式供电系统 这种供电系统是将电气设备的金属外壳与工作零线相接的保护系统，称作 接零保护系统，用 TN 表示。它的特点如下。 1 ）一旦设备出现外壳带电，接零保护系统能将漏电电流上升为短路电流， 这个电流很大，是 TT 系统的 5.3 倍，实际上就是单相对地短路故障，熔 断器的熔丝会熔断，低压断路器的脱扣器会立即动作而跳闸，使故障设备 断电，比较安全。 2 ）TN 系统节省材料、工时，在我国和其他许多国家广泛得到应用，可见 比 TT 系统优点多。 TN 方式供电系统中，根据其保护零线是否与工作零 线分开而划分为 TN-C 和 TN-S 等两种。 TN（ 3 ） TN-C 方式供电系统 它是用工作零线兼作接零保护线，可以称作保护中性线，可用 NPE 表示， 如下图所示。 保护系统—TN-C 保护系统 L1 L2 L3 NPE FU FU FU 用电 设备 这种供电系统的特点如下。 1 ）由于三相负载不平衡，工作零线上有不平衡电流，对地有电压，所以 与保护线所联接的电气设备金属外壳有一定的电压。 2 ）如果工作零线断线，则保护接零的漏电设备外壳带电。 3 ）如果电源的相线碰地，则设备的外壳电位升高，使中性线上的危险电 位蔓延。 4 ）TN-C 系统干线上使用漏电保护器时，工作零线后面的所有重复接地必 须拆除，否则漏电开关合不上；而且，工作零线在任何情况下都不得断线。 所以，实用中工作零线只能让漏电保护器的上侧有重复接地。 5 ） TN-C 方式供电系统只适用于三相负载基本平衡情况。 TN（ 4 ） TN-S 方式供电系统 它是把工作零线 N 和专用保护线 PE 严格分开的供电系统， 称作 TN-S 供 电系统，如下图所示。 保护系统—TN-S 保护系统 L1 L2 L3 N PE FU FU FU 单相 用电 设备 三相 用电 设备 TN-S 供电系统的特点如下。 1 ）系统正常运行时，专用保护线上没有电流，只是工作零线上有不平衡 电流。 PE 线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用 的保护线 PE 上，安全可靠。 2 ）工作零线只用作单相负载回路。 3 ）专用保护线 PE 不许断线，也不许进入漏电开关。 4 ）干线上使用漏电保护器，工作零线不得有重复接地，而 PE 线有重复 接地，但是不经过漏电保护器，所以 TN-S 系统供电干线上也可以安装漏 电保护器。 5 ） TN-S 方式供电系统安全可靠， 适用于工业与民用建筑等低压供电系统。 在建筑工程竣工前的“三通一平”（电通、水通、路通和地平）——必须 采用 TN-S 方式供电系统。 在计算机机房里其他设备如 UPS 电源、空调机组、稳压电源、加湿机、除 湿机、新风机等的中性点应独立的按电气规范要求接地。 交流工作地接地的标准：一般接地电阻应不大于 4Ω。 机房接地系统的验收工作应按验收标准进行。达到验收标准，建设单位可 以接收。接收后，可以投入使用。没有达到验收标准则不能接受，也不能 投入使用。 接地系统的验收标准一般分为两种，即国家标准和设计标准。在国家标准 的情况下，应以国家标准为基准；如果没有国家标准，或者标准不明确的 情况下，应以设计标准为基准。 由于接地系统种类较多，先将计算机场地一些接地系统的中华人民共和国 国家标准提供如下。 根据国标 GB2887-89《计算站场地技术条件》中规定： ?计算机系统直流地电阻的大小、接地以及诸地之间的关系，应依不同的计 算机系统的要求而定。 ?交流工作地的接地电阻不宜大于 4Ω。 ?安全保护地的接地电阻不应大于 4Ω。 ?防雷保护地的接地电阻不应大于 10Ω。 接地是以接地电流易于流动为目标。因此，接地电阻越低接地电流越容易 流动。计算机系统的接地，还希望尽量减少引起噪音原因的电位变动，所 以接地电阻越小越好。 在有的资料中还这样写：任何接地装置的接地电阻，若在 0.5Ω 以下，均 可认为是合乎标准的。可见接地电阻越小越好。 在国家标准中，有些接地电阻是有严格标准要求的。比如，交流工作地的 接地电阻则规定“不宜大于”，而安全保护地的接地电阻、防雷保护地的 接地电阻都是规定“不应大于”。即在这个标准中规定的接地电阻，如果 等于或者小于这个标准都是合格的，如果高于这个标准就是不合格的。 在这个标准中，对于计算机的直流地接地电阻的标准没有统一的提法。这 是由于各个不同的计算机厂家对各自生产的计算机的直流接地有不同的设 计和要求。应遵守厂家的标准，保证计算机正常的使用，这个标准属于设 计标准。 另外，有些机房由于条件所限只能采用综合接地的方法。在综合接地的设 计中，对接地电阻要求小于 1Ω。 一般计算机或通讯设备建立良好的接地系统也是不容忽视的问题。如果没 有良好的接地系统，有时将会产生干扰，影响计算机正常准确的工作。有 时还可能使计算机外壳带电，影响操作人员的安全。据测量，有的计算机 在没有良好接地系统的情况下，机壳的对地电压可达几十伏之高，还会有 其他的影响。所以，计算机或通讯设备建立一个良好的接地系统也是一个 不容忽视的问题。 在做计算机机接地系统时，有时往往认识不足，在思想上轻视这个问题。 有的计算机工作人员在使用计算机时，发现外壳带电，便自己随便拉一根 地线接在机房内的暖气管道上或者水管上。还有的和建筑物的防雷地接在 一起，这些做法是不允许的。因为，轻者可能产生接触不良，严重的还可 能造成其他不良后果。 在正常情况下，计算机机房应单做一根计算机地线，地线用有绝缘皮铜线 穿钢管后引出室外与计算机专用接地极连接。计算机接地极应建在室外， 远离避雷接地桩的地方（条件允许时最好离开避雷接地体 20M 远） 。如果计 算机没有什么特殊要求，一般接地电阻应不大于 4Ω。 中性线（零线）的作用是什么？为什么零线不允许断路？ 中性线（零线）的作用是什么？为什么零线不允许断路？ 中性线的作用：当不对称的负荷接成星形连接时，使其每相的电压保持对 称。 在有中性线的电路中，发生一相断线，也只影响本相的负载，而其它两相 的电压依然不变。但如中性线因事故断开，则当各相负载不对称时，势必 引起各相电压的畸变，破坏各相负载的正常运行，在实际中，负载大多数 是不对称的，所以中性线不允许断路。