多电源系统切换时，中性线接地方式会对不间断电源（UPS）电路性能产生较大影响。民航宁夏空管分局的廉永乐、王明、李帅，在2025年第10期《电气技术》上撰文，对比分析在利用三级和四级自动转换开关（ATS）进行多电源系统切换时，不同的中性线接地方式对UPS电路产生的影响。
根据多电源系统中多路输入电源之间、输入电源和输出电源之间是否相互独立，提出独立电源系统的概念；结合独立电源系统的改善电源质量效果明显、方法经济的优点，提出在多电源系统切换的UPS电路中加装输出隔离变压器或旁路隔离变压器两种方案。通过对比不同UPS电路的性能，得出了最优的工程应用方案，即中性线“先断后合”的四级ATS，UPS带旁路隔离变压器的电源电路。
该电路具有可靠性高，不产生杂散电流，输入电源之间及输入电源与输出电源之间相互独立、电气隔离，中性线接地基准连续，能够有效抑制共模噪声和减小零地电压等优点。
目前，大型通信局（站）、数据中心等场所对供电系统的供电可靠性和供电质量均提出越来越高的要求。为提高供电可靠性和供电质量，供电系统一般由两路市电和多台变压器组成，备用电源由一台或多台柴油发电机组提供，不间断电源（uninterruptible power supply, UPS）位于交流电源和重要负载之间，上游是交流电源，下游是重要负载，UPS既是上游交流电源的负载，也是下游重要负载的电源。
为保障UPS输入电源的持续性，需要在市电与市电、市电与柴油发电机之间进行电源切换，多个电源相互切换时，中性点接地方式及切换开关级数对UPS性能和UPS输出电源质量会产生较大影响，同时也会影响交流供电系统中接地故障保护开关的动作。
本文首先讨论多电源TN系统中性点接地方式，对比直接接地和一点接地的区别，然后分析多电源系统中性线不同接地方式在三级和四级自动转换开关（automatic transfer switch, ATS）切换时对UPS供电可靠性和电源质量的影响，最后提出工程实际应用解决方案。
1 多电源系统接地形式
1.1 多电源系统直接接地
多电源系统是相对于单电源系统而言，在低压交流供电系统中，供电电源数量大于一个则称为多电源系统。过去，GB 50303—2015《建筑电气工程施工质量验收规范》规定，变压器中性点应与接地装置引出干线直接连接，接地装置的接地电阻必须符合设计要求，多电源系统中各电源采用中性点直接接地方式。多电源系统采用中性点直接接地方式如图1所示，其中箭头方向为中性线N中电流流向。
图1为2台变压器和1台柴油发电机组成的单母线分段多电源TN-S系统，正常时由市电1供电，中性线电流方向为（黑色）实线箭头方向。因各电源中性点直接接地，负载电流除沿正常路径回1号变压器外，还经2号变压器及柴油发电机的中性线N和PE线回流，形成杂散电流，如图1中（红色和蓝色）虚线所示。
1.2 多电源系统一点接地
多电源TN系统一点接地是指从变压器中性点、柴油发电机星形点引出的中性线，必须通过绝缘线汇集到等电位端子或配电柜内一点接地，这段接地中性线也称为保护接地中性导体PEN线。
按照GB/T 16895.1—2008/IEC 60364—1—2005《低压电气装置 第1部分：基本原则、一般特性评估和定义》规定，多电源TN系统变压器中性点、柴油发电机组星形点不允许直接就地接地，必须在总配电屏或低压配电柜内一点接地，且PEN线必须对地绝缘]。然而，在此之前很长一段时间内，我国变配电所接地系统中性点接地方式一直采用变压器中性点直接接地方式。
图1 多电源系统采用中性点直接接地方式
多电源系统采用中性点一点接地方式如图2所示，是由2台变压器和1台柴油发电机组组成的单母线分段接线的多电源TN-S系统，由于2台变压器和柴油发电机组中性点采用一点接地方式，PE线和N线不会形成闭合回路，正常运行情况下中性线电流沿正常路径返回，阻断了杂散电流的流通路径；发生接地故障时，故障电流沿单一路径返回，故障电流不会被分流。
图2 多电源系统采用中性点一点接地方式
1.3 多电源系统需要一点接地的原因
随着信息技术的不断发展，数据机房对供电质量提出了越来越高的要求，比如电源谐波电流、零地电压、电压暂降及杂散电磁场等指标。然而，多电源系统直接接地，会产生杂散电流，使一部分电流通过大地返回电源时流过地下金属管件，腐蚀金属管件，另一部分电流因通过非正规线路导电不良而打火，引燃可燃物；杂散电流产生的杂散磁场，会干扰电子信息设备，造成电磁干扰。火灾报警器、剩余电流动作保护器等的误动或拒动与杂散电流也有关。
多电源TN系统在等电位端子或低压配电柜内一点接地，阻断了杂散电流的流通路径，有效避免了管线腐蚀、火灾及电磁干扰等危害。多电源TN系统直接接地和一点接地的区别不仅在于是否产生杂散电流，干扰和影响通信、电子信息设备工作，更重要的是在通信局站内多电源相互切换时，输入电源中性线接地方式的改变，对UPS性能和其输出电源质量会产生较大影响，同时也会影响接地故障保护开关的动作。
2 多电源系统ATS选择
多电源系统（如市电间、市电与柴油发电机间）的切换通过ATS实现。
2.1 三级ATS
1）多电源直接接地系统中不同电源的切换电路
三级ATS直接接地电路如图3所示。当负载电源从市电切换至柴油发电机组时，三级ATS仅切换三相线，而市电中性线与柴油发电机中性线保持连接。由于市电中性线和柴油发电机星形点均直接接地，导致中性线电流和可能的接地故障电流分流。这种分流现象会干扰接地故障保护装置和剩余电流检测装置的正常运行。
图3 三级ATS直接接地电路
当市电变压器与柴油发电机中性点分别接地时，接地故障电流会分流，一路经市电PE线返回，另一路经柴油发电机PE线及N线返回。这种分流会干扰接地故障保护装置检测，导致保护拒动；同时，正常N线电流的分流也可能引发接地故障保护装置和剩余电流检测装置的误动。
2）多电源一点接地系统中不同电源的切换电路
三级ATS一点接地电路如图4所示。采取一点接地方式，柴油发电机中性线N和PE线不能形成闭合回路，可以有效消除杂散电流。当发生接地故障时，接地故障电流和中性线电流不存在被分流的情况，接地故障保护装置和剩余电流检测装置不会误动作。
图4 三级ATS一点接地电路
当同一供电系统中安装有多个三级ATS时，由于市电变压器和柴油发电机的中性线分别各引接两条中性线至两台ATS中性线母排汇聚，使负载设备中性线电流在正常情况下被分流。市电供电情况下，一部分电流沿正常路径返回，另一部分电流通过柴油发电机中性线返回；同理，发生接地故障的情况下，接地故障电流也会被PE线分流，使接地故障保护装置和剩余电流检测装置不动作或误动作。
2.2 四级ATS
四级ATS分为中性线触头断开的四级ATS和中性线触头重叠的四级ATS。
1）中性线触头断开的四级ATS
先断后合的四级ATS如图5所示。采用四级ATS，两路电源实现了完全独立，消除了因中性点多点接地而产生的杂散电流，以及因多点接地引起的中性线分流和接地故障电流分流，避免了因接地故障检测错误导致接地故障保护装置误动作。
图5 先断后合的四级ATS
2）中性线触头重叠的四级ATS
先合后断的四级ATS如图6所示。中性线触头重叠的四级ATS和中性线触头断开的四级ATS都具有4个极轴，不仅能实现三相线的切换，而且还能切换中性线。
不同之处在于，中性线触头重叠的四级ATS采取 “先合后断”的方式进行中性线切换，在切换过程中中性线首先连接至备用电源，然后再断开主用电源，期间两路电源中性线重叠在一起，整个切换过程中负载电源中性线始终没有断开，因此不会产生转换瞬变电压和电弧，腐蚀中性线触头，对于具有较大感性负载的设备优势明显。
不足之处是，市电变压器和柴油发电机两路电源切换期间，中性线重叠在一起，使中性线电流分流，可能产生接地故障误检测和断路器误跳闸的异常现象。为此，可通过适当调节接地故障保护装置的响应时间，来躲过转换过程中两路电源中性线重叠的时间。
图6 先合后断的四级ATS
2.3 三级、四级ATS性能对比
综上所述，三级与四级ATS的主要区别是中性线是否参与两路电源转换。在多电源系统中，两路电源是否属于独立电源系统（见3.1节定义），主要与中性点接地方式和中性线的独立性有关。三级、四级ATS性能对比见表1。
表1 三级、四级ATS性能对比
通过表1可以看出不同ATS的特点与差异。图3所示电路采用三级ATS，尽管市电变压器中性点和柴油发电机星形点分别进行独立接地处理，但在ATS处，两路电源的中性线并接在一起，导致这两路电源实际上构成一个非独立电源系统。在此配置下，可能会出现接地故障电流和中性线电流分流的现象。
相比之下，图4中三级ATS采用两路电源一点接地的方式，这种设计有效避免了中性线和PE线在柴油发电机侧形成闭环，从而减少了接地故障电流和中性线电流的分流。然而，当电路中存在多个三级ATS时，由于中性线之间及PE线之间可能形成电流环路，仍然可能出现接地故障电流和中性线电流的分流。因此，无论是采取一点接地还是直接接地方式，三级ATS所连接的两路电源均被视为非独立电源系统。
图5和图6展示了四级ATS电路的特点。由于采用四级切换轴，两路电源实现了电气完全隔离，因此构成一个独立电源系统。根据中性线转换方式的不同，四级ATS可以分为中性线触头断开和中性线触头重叠两种类型。在中性线触头断开的四级ATS切换过程中，会出现短暂的中性线中断现象，这对下游负载电路，特别是UPS设备，可能会产生严重影响。而中性线触头重叠的四级ATS在切换瞬间，中性线存在分流现象，这可能对接地故障保护装置造成干扰。
3 不同接地方式下中性线切换对UPS性能的影响分析
3.1 独立电源系统定义
独立电源系统是一种不与外部电源系统直接电气连接的配电系统，能消除共模噪声、降低干扰、减小零地电压，适用于数据中心等敏感设备的供电。
3.2 UPS输入电源中性线的功能
在数据中心及通信局（站）等关键设施中，在线式UPS作为主流电源保障设备，主要分为配备隔离变压器（工频机型）与不配备隔离变压器（高频机型）两大类。这两类UPS的输出电源中性线接地均依托UPS输入电源的中性线，其接地源头追溯至市电变压器的中性线接地。此接地基准在确保UPS系统的稳定运行中扮演着不可或缺的角色。
1）确保三相电压平衡性。若该接地基准长时间处于断开状态，将直接导致三相电压失衡，零地电压异常升高，进而威胁负载电压的稳定性与可靠性。
2）保障逻辑电路的准确性。接地基准断开会使UPS逻辑电路的参考点丧失，从而引发检测误差，产生瞬态电压波动，误导UPS进行错误操作，如不必要的转换至旁路或异常关机。
3）维持接地系统的稳定性。接地基准断开会改变UPS供电系统的接地配置，由原本的TN-S系统转变为IT系统，可能带来接地安全及系统稳定性方面的风险。
4）保证防雷保护效能。接地基准缺失会导致防雷及浪涌保护电路的功能失效，降低对雷电及电力线浪涌的防护能力。
因此，为确保UPS输入电源中性线接地基准的连续性，UPS输入电源供电系统在设计时应优先选用3级断路器而非4级断路器，以防止在断路器操作过程中意外切断中性线接地基准，从而全面保障UPS系统的稳定运行及供电安全。
3.3 多电源直接接地中性线切换对UPS性能的影响
1）非独立电源系统
在UPS电源电路中非独立电源系统是指UPS不带隔离变压器的接地系统，UPS输出电源接地系统与市电电源接地系统没有任何电气隔离。
（1）采用三级ATS
直接接地三级ATS如图7所示，UPS两路输入电源采用直接接地方式，该电路由于UPS输出隔离变压器产生的中性线与输入电源中性线直接相连，所以输入电源与输出电源为非独立电源系统。
图7 直接接地三级ATS
UPS两路交流输入电源采用三级ATS，两路电源之间只切换三个相线，中性线并接在同一零线排，保证中性线接地基准的连续性。但因两路电源中性点直接接地，并且在三级ATS处零线并接在同一零线排，使中性线电流和接地故障电流分流，导致带有接地故障保护装置和剩余电流检测装置的电路不能正常工作。
（2）采用四级ATS
同理，采用四级ATS，UPS不带隔离变压器的接地系统，其电源系统仍然是非独立电源系统，不具备对电源系统共模噪声的抑制功能。四级ATS电路可以有效消除因中性点多点接地而产生的杂散电流，以及因中性线电流和接地故障电流分流引起的剩余电流检测装置和接地故障保护装置异常。
四级ATS，由于两路电源中性线独立，在切换瞬间会出现中性线断开的现象，所以根据中性线“先断后合”和“先合后断”分为中性线触头断开的四级ATS和中性线触头重叠的四级ATS。
中性线触头断开的四级ATS如图8所示，在ATS切换瞬间，中性线基准会断开，造成UPS逻辑电路参考点丢失及UPS供电系统接地方式发生改变。中性线触头重叠的四级ATS如图9所示，可以避免ATS切换瞬间中性线基准断开，但会因切换期间中性线触头重叠出现中性线分流的现象。
图8-图9
2）独立电源系统
（1）UPS输出配电带隔离变压器的接地系统
UPS输出配电带隔离变压器的接地系统是指在UPS输出端增加一个交流输出配电屏，交流输出配电屏内安装有隔离变压器，变压器二次侧采用Y型联结、独立接地与一次侧无任何电气连接。输出配电屏内的隔离变压器可以实现与UPS的输入电源、输出电源完全电气隔离，属于独立电源系统，能够有效抑制电路中的共模噪声，降低零地电压。
①三级ATS
三级ATS带输出配电隔离变压器的接地系统如图10所示，两路电源中性点直接接地，采用三级ATS切换，会出现中性线电流和接地故障电流分流的现象，造成带有接地故障保护和剩余电流检测装置的电路工作异常。
②中性线“先断后合”的四级ATS
同理，先断后合四级ATS带输出隔离变压器的接地系统如图11所示，可以实现输入电源与输出电源的完全隔离，能够有效抑制UPS输出电路中的共模噪声，降低重要负载零地电压。但是，中性线先断后合的四级ATS切换瞬间，中性线基准会断开，造成UPS逻辑电路参考点丢失、系统接地方式改变等现象。
图10-图11
③中性线“先合后断”的四级ATS
先合后断四级ATS带输出隔离变压器的接地系统如图12所示，可以避免ATS切换瞬间中性线基准断开，但会因切换期间中性线触头重叠而出现中性线分流的现象，导致剩余电流检测装置和接地故障保护装置出现异常。针对这个问题，可以适当调节剩余电流检测装置和接地故障保护装置的响应时间，以躲过两个电源切换期间中性线重叠的时间。
（2）UPS旁路电源带隔离变压器的接地系统
UPS旁路电源带隔离变压器的接地系统是指在UPS的旁路增加一个隔离变压器，旁路隔离变压器输入电源由主路输入电源另一分路引入，旁路隔离变压器的二次侧采取星型联结、中性点直接接地。
UPS输出端中性线与旁路隔离变压器中性线连接，并通过旁路隔离变压器中性点直接接地，UPS输出电源中性线与UPS输入电源中性线完全隔离，属于独立电源系统，能够有效避免UPS输出电源中性线与输入电源中性线共用接地基准。
①三级ATS
三级ATS带旁路隔离变压器的接地系统如图13所示，输入电源采用三级ATS切换，多电源系统中性点直接接地，会出现中性线电流和接地故障电流分流的现象。
图12-图13
②中性线“先断后合”的四级ATS
先断后合四级ATS带旁路隔离变压器的接地系统如图14所示，输入电源采用四级ATS，UPS旁路电源带隔离变压器的接地系统电路，不仅可以实现输入电源与输出电源的完全隔离，还可以实现四级ATS切换瞬间，UPS输出电源中性线接地基准连续，避免因输入电源中性线接地基准断开而造成UPS逻辑电路参考点丢失及接地系统方式改变。UPS输出电源中性线通过旁路隔离变压器与UPS输入电源中性线隔离，输出中性线接地基准由旁路隔离变压器中线点直接接地提供，可以有效降低UPS输出电源零地电压，抑制共模噪声。
3.4 多电源一点接地中性线切换对UPS性能的影响
1）非独立电源系统
多电源系统中性点一点接地可以有效避免两路电源中性线之间形成闭合回路，产生杂散电流，影响接地故障保护装置和剩余电流检测装置正常工作。但对于安装有两个或以上三级ATS的供电系统，仍会出现中性线电流和接地故障电流分流的情况。
一点接地三级ATS的非独立电源系统如图15所示。在非独立电源系统中，当中性点采用一点接地方式时，三级ATS电源电路的性能特点，与同样采用三级ATS但UPS设备不带隔离变压器的接地系统的性能特点相同。
图14-图16
2）独立电源系统
多电源系统一点接地可以有效避免杂散电流的产生，而独立电源系统可以改善供电质量，减小零地电压，消除共模噪声。带输出配电隔离变压器或旁路电源隔离变压器的三级ATS两路电源一点接地系统如图16所示，具有不产生杂散电流、中性线接地基准连续、输出电源共模噪声小、输出电源独立等优点，但仅限于供电系统中只安装一个三级ATS的电路。
4 多电源系统中性线不同接地方式对UPS性能的影响
在多电源系统中，中性线的接地方式对UPS的性能有重要影响。中性线不同接地方式在多电源系统切换时UPS电路性能对比见表2。
分析发现，中性线不同接地方式在多电源系统切换时对UPS性能的影响主要体现在以下3个方面：
一是电路是否产生杂散电流，这主要与多路输入电源中性点是一点接地还是直接接地，以及双电源切换是采用三级ATS还是四级ATS有关；
二是电源电路是否电气隔离，即电路是否属于独立电源系统，电气隔离在UPS电路中有两部分，分别是多路输入电源之间的电气隔离和UPS输入电源与UPS输出电源之间的电气隔离；
三是UPS电路中性线接地基准是否连续，UPS中性线接地基准既可以引接自UPS输入电源电路，又可以引接自输出电源电路，一般情况下引接自UPS输入电源电路比较经济。
表2 中性线不同接地方式在多电源系统切换时UPS电路性能对比
UPS电路的最优状态是，无杂散电流、电气隔离完整、中性线接地基准连续。通过表2可知，在多电源直接接地系统中，采用“先断后合”的四级ATS且UPS带旁路隔离变压器的电路，以及在多电源一点接地系统中，使用三级ATS且带输出或旁路隔离变压器的电路，性能表现最佳。需要注意的是，一点接地系统中若存在多个三级ATS，会导致环流问题。
综上所述，最优电路采用“先断后合”四级ATS且UPS带旁路隔离变压器的电源电路。
5 结论
本文首先探讨了多电源TN系统的接地方式，明确了直接接地与一点接地在多电源系统中的差异；其次对比分析了不同级数ATS在多电源系统中性点不同接地方式下的切换对UPS性能的影响；接着基于独立电源系统能有效改善电源质量且经济实用的特点，提出了在UPS电路中增加输出隔离变压器和旁路隔离变压器两种方案；最后针对不同电路对UPS供电电源质量和性能的影响，得出了一种最优的工程实际应用方案，即采用中性线“先断后合”的四级ATS，并配置UPS带旁路隔离变压器的电源电路。
该方案可靠性高，不产生杂散电流，能够实现输入电源间及输入电源与输出电源间的相互独立与电气隔离，确保中性线接地基准连续，有效抑制共模噪声并减小零地电压。
本工作成果发表在2025年第10期《电气技术》，论文标题为“ 中性线不同接地方式在多电源系统切换时对不间断电源性能的影响分析 ”，本课题得到民航宁夏空管分局科技项目的支持。