消防EPS電源:建筑電氣設計中EPS應急電源設計的注意事項

由于EPS應急電源在消防行業相對來說還是一個新產品項目，正式面向市場時間不長，建筑電氣設計部門的部分設計人員對該產品還不是完全熟悉，因此，從客觀上講，在現實的EPS建筑規劃設計中肯定會存在一些對EPS應急電源設計上的不足或不合理的地方。

（1）逆變照明型EPS功率在5kW以下的，應盡可能設計為單相型的，因為三相型價格較高，經濟上浪費，反而存在一些不利因素，如一旦三相中的其中一相斷相（也叫掉相）或者輸入相序反相（一般為電力部門的線路檢修工造成）就有可能增添EPS的故障甚至癱瘓，無斷相（或相序）保護功能的三相EPS更是如此。照明用途的三相型EPS最大的好處是負載總功率較大時可以平均分配到三相輸出上，實際應用中一般在6kW以上可綜合比較考慮三相型的選用。

（2）沒有考慮燈具的功率因數與EPS逆變輸出功率因數的匹配：有的燈具功率因數很低，只有0.4，甚至更低，設計確定EPS的功率時，應加大常規EPS功率匹配的裕量（即EPS需降功率使用），既需滿足有功功率還需滿足無功功率的匹配需要。例如，2kW功率因數為0.4的燈具選用的EPS功率（逆變輸出功率因數0.7），至少需要2kW×（1-0.4）÷（1-0.7）=4kW（無功功率匹配要求）以上才行。或者要求EPS廠商在EPS輸出上并加合適的功因補償電容器使其負載端的功率因數得到校正提高。因此，設計人員在設計的圖樣上凡涉及到EPS產品的，應該在圖樣上注明除功率外的燈具功率因數，以及標注需定的EPS輸出功率因數（差異較大時，一般要求對負載補償功率因數，可在現場燈具上也可在EPS輸出端上實施，但實施非常麻煩困難）。

（3）EPS應急電源的輸出回路必須是全封閉式，不應在EPS輸出的終端設計備用的插座、插銷等。即使需設計備用照明回路，也只需在EPS輸出的配電排上預留。否則，就會存在一定的安全隱患，因為終端的插座、插銷給人的思想空間是任何需要方便使用的電器均可方便插用，這樣往往會造成一般的裝修工的電焊、切割、電鉆、氣動工具，或值班員的一些生活用具如風機、電視機等家電在應急狀態下的插接，對固定功率的照明型EPS可能造成逆變中斷、故障甚至毀壞。

（4）動力型EPS應急電源輸出回路中不應再設置減壓起動柜等之類緩起動器設備；動力型EPS輸出回路中不應設置中繼性質的斷路器等開關，因為動力型EPS本身具有變頻起動的軟緩起動功能，如果輸出后端再接有二次起動開關，則電機的二次起動沖擊電流會造成運行中的EPS死機，甚至直接故障損壞。

（5）EPS輸入/輸出端的供電設計不應加裝任何形式的漏電開關或節電器，否則存在較大的安全隱患（人逃生的重要性遠遠大于輕微的漏電保護）。

（6）EPS的逆變切換時間不是越小越好，要看具體的負載或場合的實際需要所需！一般是：A）安全應急照明逆變切換時間應<0.5S(如醫院的手術室);B) 疏散應急照明逆變切換時間應<5S(如消防通道的疏散應急照明);C) 備用應急照明逆變切換時間應<15S(如地下商場的日常備用應急照明)。

附：EPS逆變切換時間與切換可靠性的關系

EPS逆變切換時間是由EPS的逆變切換設計方式決定的。逆變器有冷備份和熱備份兩種工作狀態，冷備份時逆變器僅控制部分處于工作狀態，其功率部分處于加電待機狀態，但不起動；熱備份時整個逆變器處于正常運轉狀態，但不承擔負載。當逆變器處于熱備份時，最短切換時間基本決定于所用切換裝置的動作時間，而當逆變器處于冷備份時，最短切換時間還要受逆變器起動時間的制約。功率較大的EPS如果起動過快，逆變輸出變壓器和低通濾波器會產生很大的暫態沖擊，甚至會損壞半導體功率器件，因此，大功率逆變器均具備軟起動特性，且功率越大，起動越慢。毫秒級（ms）的切換時間只能采用晶閘管固態切換開關，且逆變器要處于熱備份狀態并保持與市電鎖相。對切換時間無苛刻要求的應用場合一般采用機械切換開關進行切換，功率較小的EPS一般采用功率繼電器，功率較大的EPS一般采用互鎖的交流接觸器或自動互投開關。與交流接觸器相比，自動互投開關動作較慢，但由于互投開關具有機械自保持特性，對于不頻繁切換而言，在長期運行的可靠性方面更具優勢。設計方式一般有五種。

 （1）ATS雙電源機電轉換設計：轉換時間一般在1~3s，市電正常時逆變器不工作，處于待起動的冷起（也叫冷備份）狀態。

（2）接觸器式的常規轉換設計：轉換時間一般在1~3s，市電正常時逆變器不工作，處于待起動的冷起狀態。

（3）繼電式的快速轉換設計：轉換時間一般在100~250ms，市電正常時逆變器工作但不帶載，處于熱備份的待切換狀態。

（4）晶閘管式的靜態高速轉換設計：轉換時間一般在ms級以內，市電正常時逆變器工作不帶載，處于熱備份的待切換狀態。

（5）零切換：相當于在線式UPS電源（或常規變頻器）的雙變換式電路設計。

上述第一、二種設計一般采用高可靠機械互鎖交流接觸器或互投開關，切換時間決定于逆變器的起動時間（小功率一般零點幾秒，大功率一般為1~3秒），具有如下優點和缺點。

優點：①降低損耗，市電正常時逆變器的功率器件不工作，有利于延長逆變器的使用壽命（逆變器如果長期運行，三五年需更換一些易損的器件，如不長期使用，則可能延長到15年以上）。②此種低速轉換裝置的逆變一般均設有軟起動功能，減小暫態沖擊，可以在配帶強感性負載、風機/水泵類負載、大功率負載中避免因為相位/電壓誤差而造成環流增大，引起逆變保護或故障跳閘保護。③不具有晶閘管切換電路，故障點減少，有利于可靠性的增加。

缺點：切換時間較長，不適合安全等級的應急場合使用。

第三種設計具有如下優點和缺點。

優點：①不具有晶閘管切換電路，故障點減少，有利于可靠性的增加。②可以避免因為相位/電壓誤差而造成環流增大，引起逆變保護或故障跳閘保護。③切換時間短，較適合安全等級的應急照明使用。

缺點：①逆變器始終在工作，不利于延長逆變器的使用壽命（三五年需更換一些易損的器件）。②切換時間短，無法設計使用逆變器軟起動功能，配帶強感性負載時的硬起動會引起大電流沖擊；但對于電機轉動類負載，轉動的慣性運動可減低起動時引起大電流的沖擊，有時可兩者相抵，但有時也難以判斷完全相抵。

第四種設計具有如下優點和缺點。

優點：切換時間極短，可用于HID型高強度氣體放電燈的使用場合，以及適合安全等級的應急照明場合使用。在電網及供電質量較高的地區，配帶非要害負載，它可以取代在線式UPS的使用。

缺點：①具有晶閘管和鎖相環切換電路，增加了設備的復雜性和造價，同時故障點增多，可靠性降低。②逆變器始終在工作，不利于延長逆變器的使用壽命（三五年需更換一些易損的器件）。③切換時間極短，配帶強感性負載或大功率設備的硬起動會引起很大電流沖擊，容易引起快速切換電路的故障，因為電子器件的過載能力和可靠性相對比接觸器、ATS開關小得多。④對于強電感性負載，由于反電動勢的存在，又由于采樣電路的誤差和反應時間，不可能做到與市電完全同步，電壓也做不到完全一致。只要在逆變輸出與市電間存在一點誤差，理論上只要存在70相位差或15%的電壓差，就會在切換中不可避免存在環流，引起切換電路的損壞。為何UPS電源一般均采用晶閘管式靜態高速轉換設計而少出問題呢？那是因為UPS配帶的一般是計算機類弱容性負載，采用高速切換運行模式一般是沒有問題的。 ⑤雷電等浪涌電流容易造成快速切換電路的損壞。

第五種的零切換設計具有如下優點和缺點：

優點是可實現嚴格的不間斷供電，供電質量不受市電質量的影響。缺點是逆變器始終承擔負載，工作應力大，老化速度較其他幾種工作方式快，并需要消耗8~15%的電能，效率較低。

用晶閘管固態切換開關實現市電與逆變器輸出之間的快速切換技術已在UPS電源領域應用較久，其在EPS設計應用中同樣可行。關鍵是要實現逆變器的鎖相運行和對市電異常的快速檢測。切換需要在無預知市電突然發生中斷或故障的時進行，檢測市電故障需要時間，此時的切換時間不可能小于檢測/確認市電故障的時間。為防止各種電源干擾導致誤動作，檢測時間不能太短，實踐證明：當檢測時間小于2ms時，其檢測可靠性會明顯下降，因此，小于2ms的切換時間對整機來說是不可靠的。

綜合以上結論是：

①低速轉換方式是最可靠的EPS應急轉換方式，主要是由EPS的復雜的負載特性決定的。

②快速轉換方式是以犧牲逆變部分和蓄電池的壽命來換取的。

③高速轉換方式是以逆變器產生環流、浪涌、短路、起動沖擊等導致的高故障率來換取的。

④轉換時間每提高一個級別，EPS應急電源壽命和可靠度就下降一個層次。⑤在某些毫秒級或零切換的特殊要求場合，建議使用在線式UPS不間斷電源。