消防EPS:建筑电气设计中EPS设计的注意事项

由于EPS应急电源在消防行业相对来说还是一个新产品项目，正式面向市场时间不长，建筑电气设计部门的部分设计人员对该产品还不是完全熟悉，因此，从客观上讲，在现实的EPS建筑规划设计中肯定会存在一些对EPS应急电源设计上的不足或不合理的地方。

（1）逆变照明型EPS功率在5kW以下的，应尽可能设计为单相型的，因为三相型价格较高，经济上浪费，反而存在一些不利因素，如一旦三相中的其中一相断相（也叫掉相）或者输入相序反相（一般为电力部门的线路检修工造成）就有可能增添EPS的故障甚至瘫痪，无断相（或相序）保护功能的三相EPS更是如此。照明用途的三相型EPS最大的好处是负载总功率较大时可以平均分配到三相输出上，实际应用中一般在6kW以上可综合比较考虑三相型的选用。

（2）没有考虑灯具的功率因数与EPS逆变输出功率因数的匹配：有的灯具功率因数很低，只有0.4，甚至更低，设计确定EPS的功率时，应加大常规EPS功率匹配的裕量（即EPS需降功率使用），既需满足有功功率还需满足无功功率的匹配需要。例如，2kW功率因数为0.4的灯具选用的EPS功率（逆变输出功率因数0.7），至少需要2kW×（1-0.4）÷（1-0.7）=4kW（无功功率匹配要求）以上才行。或者要求EPS厂商在EPS输出上并加合适的功因补偿电容器使其负载端的功率因数得到校正提高。因此，设计人员在设计的图样上凡涉及到EPS产品的，应该在图样上注明除功率外的灯具功率因数，以及标注需定的EPS输出功率因数（差异较大时，一般要求对负载补偿功率因数，可在现场灯具上也可在EPS输出端上实施，但实施非常麻烦困难）。

（3）EPS应急电源的输出回路必须是全封闭式，不应在EPS输出的终端设计备用的插座、插销等。即使需设计备用照明回路，也只需在EPS输出的配电排上预留。否则，就会存在一定的安全隐患，因为终端的插座、插销给人的思想空间是任何需要方便使用的电器均可方便插用，这样往往会造成一般的装修工的电焊、切割、电钻、气动工具，或值班员的一些生活用具如风机、电视机等家电在应急状态下的插接，对固定功率的照明型EPS可能造成逆变中断、故障甚至毁坏。

（4）动力型EPS应急电源输出回路中不应再设置减压起动柜等之类缓起动器设备；动力型EPS输出回路中不应设置中继性质的断路器等开关，因为动力型EPS本身具有变频起动的软缓起动功能，如果输出后端再接有二次起动开关，则电机的二次起动冲击电流会造成运行中的EPS死机，甚至直接故障损坏。

（5）EPS输入/输出端的供电设计不应加装任何形式的漏电开关或节电器，否则存在较大的安全隐患（人逃生的重要性远远大于轻微的漏电保护）。

（6）EPS的逆变切换时间不是越小越好，要看具体的负载或场合的实际需要所需！一般是：A）安全应急照明逆变切换时间应<0.5S(如医院的手术室);B) 疏散应急照明逆变切换时间应<5S(如消防通道的疏散应急照明);C) 备用应急照明逆变切换时间应<15S(如地下商场的日常备用应急照明)。

附：EPS逆变切换时间与切换可靠性的关系

EPS逆变切换时间是由EPS的逆变切换设计方式决定的。逆变器有冷备份和热备份两种工作状态，冷备份时逆变器仅控制部分处于工作状态，其功率部分处于加电待机状态，但不起动；热备份时整个逆变器处于正常运转状态，但不承担负载。当逆变器处于热备份时，最短切换时间基本决定于所用切换装置的动作时间，而当逆变器处于冷备份时，最短切换时间还要受逆变器起动时间的制约。功率较大的EPS如果起动过快，逆变输出变压器和低通滤波器会产生很大的暂态冲击，甚至会损坏半导体功率器件，因此，大功率逆变器均具备软起动特性，且功率越大，起动越慢。毫秒级（ms）的切换时间只能采用晶闸管固态切换开关，且逆变器要处于热备份状态并保持与市电锁相。对切换时间无苛刻要求的应用场合一般采用机械切换开关进行切换，功率较小的EPS一般采用功率继电器，功率较大的EPS一般采用互锁的交流接触器或自动互投开关。与交流接触器相比，自动互投开关动作较慢，但由于互投开关具有机械自保持特性，对于不频繁切换而言，在长期运行的可靠性方面更具优势。设计方式一般有五种。

（1）ATS双电源机电转换设计：转换时间一般在1~3s，市电正常时逆变器不工作，处于待起动的冷起（也叫冷备份）状态。

（2）接触器式的常规转换设计：转换时间一般在1~3s，市电正常时逆变器不工作，处于待起动的冷起状态。

（3）继电式的快速转换设计：转换时间一般在100~250ms，市电正常时逆变器工作但不带载，处于热备份的待切换状态。

（4）晶闸管式的静态高速转换设计：转换时间一般在ms级以内，市电正常时逆变器工作不带载，处于热备份的待切换状态。

（5）零切换：相当于在线式UPS电源（或常规变频器）的双变换式电路设计。

上述第一、二种设计一般采用高可靠机械互锁交流接触器或互投开关，切换时间决定于逆变器的起动时间（小功率一般零点几秒，大功率一般为1~3秒），具有如下优点和缺点。

优点：①降低损耗，市电正常时逆变器的功率器件不工作，有利于延长逆变器的使用寿命（逆变器如果长期运行，三五年需更换一些易损的器件，如不长期使用，则可能延长到15年以上）。②此种低速转换装置的逆变一般均设有软起动功能，减小暂态冲击，可以在配带强感性负载、风机/水泵类负载、大功率负载中避免因为相位/电压误差而造成环流增大，引起逆变保护或故障跳闸保护。③不具有晶闸管切换电路，故障点减少，有利于可靠性的增加。

缺点：切换时间较长，不适合安全等级的应急场合使用。

第三种设计具有如下优点和缺点。

优点：①不具有晶闸管切换电路，故障点减少，有利于可靠性的增加。②可以避免因为相位/电压误差而造成环流增大，引起逆变保护或故障跳闸保护。③切换时间短，较适合安全等级的应急照明使用。

缺点：①逆变器始终在工作，不利于延长逆变器的使用寿命（三五年需更换一些易损的器件）。②切换时间短，无法设计使用逆变器软起动功能，配带强感性负载时的硬起动会引起大电流冲击；但对于电机转动类负载，转动的惯性运动可减低起动时引起大电流的冲击，有时可两者相抵，但有时也难以判断完全相抵。

第四种设计具有如下优点和缺点。

优点：切换时间极短，可用于HID型高强度气体放电灯的使用场合，以及适合安全等级的应急照明场合使用。在电网及供电质量较高的地区，配带非要害负载，它可以取代在线式UPS的使用。

缺点：①具有晶闸管和锁相环切换电路，增加了设备的复杂性和造价，同时故障点增多，可靠性降低。②逆变器始终在工作，不利于延长逆变器的使用寿命（三五年需更换一些易损的器件）。③切换时间极短，配带强感性负载或大功率设备的硬起动会引起很大电流冲击，容易引起快速切换电路的故障，因为电子器件的过载能力和可靠性相对比接触器、ATS开关小得多。④对于强电感性负载，由于反电动势的存在，又由于采样电路的误差和反应时间，不可能做到与市电完全同步，电压也做不到完全一致。只要在逆变输出与市电间存在一点误差，理论上只要存在70相位差或15%的电压差，就会在切换中不可避免存在环流，引起切换电路的损坏。为何UPS电源一般均采用晶闸管式静态高速转换设计而少出问题呢？那是因为UPS配带的一般是计算机类弱容性负载，采用高速切换运行模式一般是没有问题的。 ⑤雷电等浪涌电流容易造成快速切换电路的损坏。

第五种的零切换设计具有如下优点和缺点：

优点是可实现严格的不间断供电，供电质量不受市电质量的影响。缺点是逆变器始终承担负载，工作应力大，老化速度较其他几种工作方式快，并需要消耗8~15%的电能，效率较低。

用晶闸管固态切换开关实现市电与逆变器输出之间的快速切换技术已在UPS电源领域应用较久，其在EPS设计应用中同样可行。关键是要实现逆变器的锁相运行和对市电异常的快速检测。切换需要在无预知市电突然发生中断或故障的时进行，检测市电故障需要时间，此时的切换时间不可能小于检测/确认市电故障的时间。为防止各种电源干扰导致误动作，检测时间不能太短，实践证明：当检测时间小于2ms时，其检测可靠性会明显下降，因此，小于2ms的切换时间对整机来说是不可靠的。

综合以上结论是：

①低速转换方式是最可靠的EPS应急转换方式，主要是由EPS的复杂的负载特性决定的。

②快速转换方式是以牺牲逆变部分和蓄电池的寿命来换取的。

③高速转换方式是以逆变器产生环流、浪涌、短路、起动冲击等导致的高故障率来换取的。

④转换时间每提高一个级别，EPS应急电源寿命和可靠度就下降一个层次。⑤在某些毫秒级或零切换的特殊要求场合，建议使用在线式UPS不间断电源。