智能建筑电源技术的应用

发布于：2015-07-29 18:52:29 来自：电气工程/建筑智能化 [复制转发]

0引言

智能建筑中运用了许多计算机和微电子设备,故对其供电电源的质量提出了更高的要求。电源品质的好坏将直接影响智能建筑中设备的运行稳定性和可靠性,甚至导致重大人身、设备事故和造成巨大的经济损失。这种影响不仅来自供电电源的电压、频率及电流等基本要素是否满足用电设备的要求,而且也来自所提供的供电电源的电网质量。

由于电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、电压跌落、持续过压或者欠压甚至电压中断等电网质量问题,使计算机等这些高灵敏的电子系统在运行时受到干扰,经常出现程序运行错误、数据错误、死机、无故重新启动甚至造成用电设备的永久性损坏等严重后果,导致巨大的经济损失。因此,在智能建筑中,必须采取有效的防护措施,提高供电电源质量。

1影响电源质量的因素

电源质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参数与标准值的偏差其受到多种因素的影响,如负荷的变化、大量非线性负载的使用、高次谐波的影响、功率因数补偿电容的投入和切断、雷电和人为故障、公共设施(如电动机、电梯等)等。衡量电源质量有以下几个指标。

1.1电压波动

电压波动(闪变)是指电压幅值在一定范围内有规律地或随机地变化,其电压幅值的变化通常为额定值的90%~110%。当负荷出现较大的增加时,特别是附近有大型设备处于启动时,使得供电电源正弦波的幅值受到影响,产生低电压。当供电电源电压波动超过允许范围时,就会使计算机和精密的电子设备运算出现错误,甚至会使计算机的停电检测电路误认为停电,而发生停电处理信号,影响计算机的正常工作。计算机在电压降低至额定电压的70%时,就视为中断。

1.2频率波动

供电电源频率波动主要由于电网超负荷运行而引起发电机转速的变化所致。一般计算机频率允许波动范围为(50±1%)Hz。当供电电源频率波动超过允许范围时,会使计算机信息存储的频率发生变化而产生错误,甚至会产生信息丢失等。

1.3波形失真

产生电源电压波形失真的主要原因是由于电网中非线性负载,特别是一些大功率的可控整流装置的存在对供电电源的电压波形产生烃,使计算机的相对控制部分产生不利的影响;该波形畸变还会使计算机直流电源回路中的滤波电容上的电流明显增大,电容器发热;由于锯状波形的出现,会使计算机的停电检测电路误认为停电,而发出停电处理信号,影响计算机的正常工作。衡量波形失真的技术指标是波形失真率,即用电设备输入端交流电压所有高次谐波之和与基波有效值之比的百分数。

1.4电压跌落

电压跌落是指电压有效值跌落至额定电压的10%~90%,持续时间为0.01~1s的电能质量问题。电网电压的瞬间扰动或者负载发生故障如短路的时候,会对敏感负荷的支路电压造成跌落。敏感的电子设备对于甚至是几个周波的供电中断或电压跌落都会受到影响。

1.5过电压

由电源系统外部(主要是雷电)和内部工作造成的工作电压超过正常供电值,即称为过电压。暂态过电压存在的时间非常短,只有几十微秒的时间。

计算机及电子设备都使用集成电路模块,其耐压、过流的能力脆弱,从大量的计算机雷击事例中分析发现,由雷电感应和雷电波侵入造成的雷电电磁脉冲是计算机和电子设备损坏的主要原因。雷击主要有3种形式:直击雷、感应雷和雷电波侵入。

在电力系统中引起的内部过电压的原因大致可分为:①电力大负荷的投入和切除(电梯、大功率空调机、冷冻机等);②感性负荷的投入和切除(电动机、继电器的线圈);③功率因素补偿电容器的投入和切除;④短路故障等。

电子设备的耐暂态过电压的能力很低,弱电设备电源部分的冲击耐电压值分别是:交流220V系统为1500V,直流48V系统为330V,电信交换与用户终端设备为1000V;计算机不得低于1500V。

1.6电压中断

电压中断指在一相或多相线路中完全失去电压(低于额定值的10%)一段时间。持续时间0.5个周期至3s为瞬时中断;持续时间3~60s为暂时中断;持续时间>60s为电压中断。

如果发生电压中断,将直接影响计算机的正常运行:当电源中断<1.5ms时,可由计算机主机的大电容器放电来维持计算机的继续运行,对系统无影响;而当在电源中断>1.5ms时,由于存储器一般采用MOS电路,一旦停电时间长,计算机就会失去记忆,使大量运算过程的数据丢失,致使计算机运算错误乃至停机,一般计算机要求电源中断在10ms之内。

1.7电磁干扰

一般讲,电磁干扰的途径有3种:①辐射。辐射的强度与骚扰电流强度、辐射阻抗、发射频率有关。如果骚扰源的屏蔽外壳带有缝隙或孔洞,则辐射的泄漏量与孔洞尺寸和波长的比例有关。9~150kHz的干扰主要是由磁场造成的,150kHz以上的干扰有电场、磁场或电磁场。②传导。骚扰源通过与其相连的导线向外发射电磁能量,或通过公共阻抗耦合。具体可通过电源回路、接地回路、信号线、通信线等。③感应。这是骚扰源通过周围电磁场的形式传导到与其相邻的其他导线上去的骚扰效应。它可以是导体间的电容耦合、电感耦合或电容电感混合的形式。

同样,其危害后果也有3种表现:①电源的污染。电磁干扰对强电的影响主要通过电源这一途径。电源污染的形式有:电压跌落、失电、频率偏移、电气噪声、浪涌、谐波失真、瞬变等;②信息通信受到干扰。弱电系统受到的电磁干扰比较集中地表现在电子设备(尤其是计算机设备)及其通信线路上。电子设备的干扰包括来自于电源、空间电磁场以及内部线路间的串扰。来自电源方面的多种骚扰中,有两种骚扰对电子设备非常敏感:尖峰干扰和长时间的电压跌落。尖峰干扰引起逻辑电路的伪触发;电压跌落引起存储器或其他重要数据的丢失。尖峰干扰主要是由闪电雷击引起的;③对人身安全的威胁。当电磁辐射超过一定的限值以后,除了电磁兼容的问题之外,还会危及人身安全。

2改善电源质量的防护措施

影响电源质量的因素是复杂的,电源质量的好坏将直接影响智能建筑中计算机或其他弱电系统的运行。因此,当城市电网的电源质量不能满足要求时,根据需要,采用合理的供电系统以及必要的技术措施,有针对性地消除污染电源对计算机和电子设备的影响。下面从电源供电、防雷接地、屏蔽措施、管理措施等角度来阐述改善电源质量的方法。

2.1电源供电

2.1.1采用放射式供配电方案

在智能建筑中,机房或监控中心电源(AC380V,50Hz)从总配电箱或低压配电屏直接分配,系统前端设备最好由监控中心集中供电。

2.1.2电源隔离

由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击、浪涌、高频干扰等噪声,所以对由交流电源供电的电子通信设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施,其主要措施是采用电源隔离变压器,而普通变压器是不能完全起到抗干扰的作用,必须采用有屏蔽层的电源变压器。

2.1.3不间断供电电源

不间断供电电源(UPS)是电力变流器、储能装置(蓄电池)和开关组合成的一种电源设备。UPS具有稳压、稳频、抗干扰、防止浪涌等功能。当有市电供给UPS的时候,UPS对市电进行稳压(220±5%)V后为计算机供电。此时的UPS就是一台交流市电稳压器,同时还向机内电池充电。因UPS设计的不同,其适应的范围也不同,UPS输出电压在±(10%~15%)的变化一般属正常的计算机使用电压。当市电异常或者中断时,UPS立即将机内电池的电能通过逆变转换供给计算机系统,以维持计算机系统的正常工作并保护计算机的软硬件不受损失。

2.2防雷接地

城市供电系统、计算机网络、程控电话网和有线电视网等弱电系统,都是靠集成电路芯片运行的。芯片正常运作时电压在5~12V,如果没有完善的防雷系统,1km之外打雷,这些弱电系统就会感应到浪涌电流,遭到感应雷击。

智能建筑中电子信息系统应采用外部防雷和内部防雷等措施进行综合防护(见图1)。这里着重介绍内部防雷措施。

2.2.1等电位连接

为彻底消除雷电引起的毁坏性的电位差,就需要实行等电位联结。电气和电子设备的金属外壳、机柜、机架、金属管、槽、屏蔽线缆外层、信号设备防静电接地、安全保护接地、浪涌保护器接地端应以最短的距离与等电位连接网络的接地端子连接,过长地连接导线会增大雷电电磁脉冲的干扰度。在进建筑物这个不同防雷防护区交界处设置总等电位接地端子,每层楼设置楼层等电位接地端子,设备机房或设备间设置局部等电位接地端子。共用接地装置与总等电位接地端子连接,通过接地干线引至楼层等电位接地端子,由此引至设备机房的局部等电位接地端子,局部等电位接地端子与预留的楼层接地端子连接。防雷接地与交流工作接地、直流工作接地、安全保护接地共用一组接地装置称为共用接地体,其接地电阻值按接入设备中要求的最小值确定。智能化系统采用共用接地装置,当采用建筑物金属体作为接地装置时,接地电阻不应>1Ω。

电子设备相对较少的系统中,如消防系统、建筑设备监控系统、扩声系统等,可采用S型结构的等电位连接网(单点接地),在该结构中所有金属组件可就近接至机房或楼层的等电位接地端子,不必设专用接地线引至总等电位接地端子,除等电位点外,应与共用接地系统的其他部件有足够的绝缘。

对于较大的电子信息系统采用M型网状结构的等电位连接网,如计算机房、网络系统等,在该结构中所有金属组件不与共用接地系统的各组件绝缘,M型等电位连接网通过多点组合到共用接地系统中。

2.2.2浪涌保护器(SPD)

暂态过电压是配电系统中最常见的干扰形式,雷电是其中最主要的一种,还有主开关操作、无功补偿电容器及电梯等重负荷设备的投入和切除,都会产生暂态过电压和闪变现象,引起设备绝缘破坏,损坏电子设备。因此,必须采用SPD来保障电子设备免受暂态过电压的干扰和侵害。SPD是用于限制瞬态过电压和泻放浪涌电流的装置,至少应包含一个非线性元件。它是利用快速响应模块,通过其优良的非线性伏安特,来实现抑制暂态过电压的。在正常工作时,模块呈高阻抗特性,泄漏电流很低,不影响正常工作。当出现暂态过电压时,模块呈低阻抗特性,使暂态过电流迅速泄放,从而抑制暂态过电压,维持电压稳定。

为了整个建筑物防雷系统的经济性,并不是每个电气、电子设备都要电涌保护。只有那些涉及人身安全的电气、电子设备和重要设备需要用SPD。在智能建筑中通常要考虑下列设备的电源侧和信号侧保护:信息系统中心(计算机网络中心、通信机房)电源电气设备和UPS;监控中心;重要而且配备智能控制、电力电子装置的大型电气设备(消防用电动机、电梯动力设备、变频泵);关系人身安全的场所的供电和照明;应急和备用电源机组。

在雷电浪涌(过电压)危害事件中,约50%来自其电子设备的电源侧,约50%来自其电子设备的信号侧,所以电气电子设备应从其电源侧和信号侧两方面进行保护。

(1)电源侧电涌保护。建筑物中电源SPD通常做分散、分级配置,线路从户外到建筑物内再到设备,有3个防雷分区,2个界面。在入口级即在建筑物总配电柜处布置限压型SPD1,在设备级即在设备附近布置限压型SPD2。一般建筑采用二级配置,SPD1、SPD2参数选择时要保证SPD的级间配合。对于引至屋顶的电源线路,应在最接近屋顶的配电箱装设通流容量略次于入口级的SPD。

(2)信号侧电涌保护。信号线路SPD的选择应根据线路的工作频率、传输介质、传输速率、传输带宽、工作电压、接口形式、特性阻抗等参数,选用电压驻波比和插入损耗小的适配SPD。信号控制线路进出建筑物界面处装设适当的SPD,在安防系统中置于户外的摄像机信号控制线输出、输入端口应设置信号线路SPD。

同时SPD的接地端与线路的金属屏蔽层、设备金属外壳等应做好等电位连接。

2.3屏蔽

屏蔽能有效地抑制通过空间传播的电磁干扰,采用屏蔽的目的有:一是限制内部的辐射电磁越出某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域。电磁干扰除了来自电场和磁场的辐射以外,线路内部的公共阻抗、导线中的瞬时冲击、高频时的辐射作用都会对其他电路有影响。

电磁场的屏蔽是利用屏蔽体阻止电磁场在空中传播的一种措施,对电气电子设备来说设备的机箱机壳就是电磁屏蔽体。机箱在设计时应注意以下几点才能更加有效地起到电磁屏蔽的作用。

(1)结构材料选用良导体,最好选用铁磁材料。

(2)机箱的底板和外壳的缝隙应增加缝隙深度,减少缝隙长度,以控制泄露辐射。同时每一条缝隙尽可能做好搭接,接缝处尽可能采用焊接,减少结构的电气不连续性。

(3)电缆穿过机壳处使整体屏蔽效能降低,并产生共模电压,所以最有效的措施是在电缆进入机箱的端口处使用滤波连接器,并在滤波连接器与机箱面板间安装电磁密封衬垫。

除了机箱机壳需要做好屏蔽措施外,在线路敷设时还需要注意电力系统与弱电信号传输线路应分开敷设,并保持一定的距离。信号传输线路尽量采用屏蔽线缆或穿金属保护管或在金属封闭线槽内敷设,电缆的金属屏蔽层,金属线槽(管)应做好等电位连接。

2.4管理措施

电气、电子设备应选用谐波电流限值、抗干扰能力等符合国家标准的设备。

建筑中各智能子系统安装调试完成后,根据规范规定主要进行电源系统、防雷接地、设备电磁兼容性的检测。