大型火電機組熱控UPS裝置斷電事故現象及設計改進

秦世強

摘 要：UPS系統最為顯著的優勢在于可以實現連續性和可靠性極高的熱控計算機系統連續供電，繼而滿足發電機組的熱控計算機負載要求，降低熱控工程師站電源故障帶來的機組影響，避免火電機組的惡性停電事故。本文主要論述了大型火電機組熱控計算機UPS系統裝置設計的關鍵，并分析了UPS裝置斷電事故的產生原因，并提出了設計改進意見。

關鍵詞：UPS系統； 設計； 系統；斷電

1 UPS系統設計的關鍵

1.1 UPS系統概述

隨著現代社會人們的生活水平的快速提高，社會生產與生活用電的需求急劇增大，進一步對電網的穩定性和安全性提出了更高的要求。現代大型發電機組采用了復雜的熱工自動化 DCS 系統、計算機監控系統和安全保護系統，其交流 220V 電源要求穩定可靠、連續、純凈的供應。UPS隨之應運而生，其最為顯著的優勢在于可以實現連續性和可靠性極高的連續供電，繼而滿足發電機組熱控計算機工程師站的負載要求，降低UPS電源故障帶來的熱控拒動、誤動影響，避免因UPS裝置引發發電機組的惡性停電事故。

發電廠對于UPS的選擇有兩種，一種是靜態逆變裝置，另一種是逆變機組。其中逆變機組的選擇需要同時接入一個工作UPS和一個備用UPS，在輸出母線上還有旁路交流備用電源，系統輸出需要設置自動同期裝置，并且其輸出電壓的諧波失真度無法達到標準，相對逆變裝置優勢較小，現階段大多數電廠設計都選用靜態逆變裝置。靜態逆變裝置通常由整流器、逆變器、靜態開關及旁路開關等四部分組成。

1.2 UPS 裝置的規劃配置

UPS 裝置正常運行時需要三路輸入電源：主電源、旁路電源及動力直流電源。一般來說，UPS裝置正常運行主要是由交流主電源進行正常供給，當主電源產生故障或者掉電時，UPS裝置的電源則主要為逆變器以及靜態開關供電，此時供電電源主要以直流電源，而如果靜態開關瞬間切換到了旁路電源，則此時的電源輸入則為交流市電備用電源。因此，對于UPS電源裝置的規劃配置設計十分重要，一般來說，對于火電機組熱控系統電源的規劃設計重點在以下幾個方面：

第一，對于動力直流電源輸入方式的設計，需要考慮到直流電源母線上的負載情況，一般來說，直流電源的輸入UPS裝置方式可以分為兩種：一種是將UPS裝置自身控制電源輸入直接引至直流母線，則UPS裝置不能夠直流電源故障時自動接用；另一種則是將直流電源輸入接在閥控蓄電池組上，對UPS提供短暫性的供電，裝置可支持整個UPS裝置對機組熱控計算機系統運行30分鐘的蓄電池組，保證熱控系統可靠控制機組停運，這種接入方式的獨立性更高，也更有利于UPS裝置實現與主電源之間的相互獨立。

第二，對于旁路電源輸入方式的設計，則更多的是需要考慮是否需要對旁路電源的輸入進行隔離以及采取穩壓處理。旁路電源往往為交流市電，如果交流市電供給UPS系統過程中，電壓過高，則靜態開關會拒絕對旁路電源進行切換，繼而形成供電中斷。

1.3 UPS選型

對于UPS的選型首先需要考慮到UPS的技術性能指標有四大類：對電網的適應能力，尤以本文重點闡述的低電壓穿越能力；滿足負載電流要求的UPS常規輸出指標；UPS的輸出能力和可靠性；智能管理和通信功能。目前可供大型發電機組工程的UPS系統大多采用的進口系列產品，或者是國產引進國外技術生產的UPS產品。

2 基于UPS機組斷電事故現象及設計改進

UPS 電源對機組的安全穩定運行至關重要，UPS 停電意味著（UPS 所接的負荷有分散控制系統 DCS、熱控 220V AC 電源、就地點火控制箱、SIS 電源、汽機控制系統 DEH、爐膛燃燒保護FSSS系統、火災報警系統、電氣非電量保護電源等等）停機、停爐及重要熱控及電氣保護。例如： 2014年2月13日12：33， 某發電廠#7機組AGC方式運行，負荷263MW，A、B、C、D排粉機運行，機組各參數運行正常。12：33啟動#7爐D磨煤機，造成6kV廠用電B段短時失壓，低廠備變切換失敗（工作在6kV廠用電B段），動力直流充電機工作電源失去，機組跳閘時交流備用油泵起壓慢，聯鎖啟動直流油泵，導致UPS裝置輸入低于電壓175V中斷輸出，對熱控計算機系統停機。 13：50經全面檢查處理后，#7爐爐膛吹掃后重新點火，15：10機組并列，該機組UPS裝置故障告警信息如表1所示。

該問題充分暴露出如何提高火電機組UPS 裝置的供電可靠性，是發電廠熱控及電氣工程技術人員必須認真思考的一個問題。以下將簡要介紹幾種UPS裝置斷電事故產生的原因，并提出了幾種改進設計思路。

2.1 基于UPS裝置斷電事故產的改進設計

隨著UPS裝置的進一步發展，我們發現了UPS裝置與發電機組熱控及電氣保護裝置之間的兼容問題十分明顯，主要體現在保護卡件PE接線形式、高、低電位對地絕緣、懸浮電壓等問題，繼而有可能在UPS主電源斷電的情況下，產生一些過電壓、過電流等災難性的裝置停機斷電事故。

UPS裝置空載時的工作參數，特別是輸入功率因數對于UPS 與熱控、電氣各保護裝置單元卡件設計相當重要，大多數工程設計往往考慮到UPS裝置滿載時候的工作特性，而忽略了對空載工作特性的考慮，這種忽視有可能造成一系列的斷電事故。實踐證明，當UPS的負載為25%時 UPS 系統的輸入濾波器會導致明顯的功率因數降低。而低功率因數雖然不會影響到UPS系統的輸出以及主線路上的關鍵負載，但對于熱控、電氣保護裝置卡件單元的影響是十分嚴重的，一般來說，在接入的功率因數負載較低時，系統處于失調狀態，繼而導致發電機的停機。發電機的停機如果發生在UPS電池放電過程中，或者是在UPS接入旁路電源時的過壓狀態，就極有可能造成整個熱控計算機系統的UPS電源裝置損壞。

表1 UPS裝置故障告警信息

基于此，對于發電機與UPS裝置的兼容設計改進可以從以下兩個方面進行，一方面是在UPS裝置的調試過程中，對空載參數進行測試，相關調試人員應該與熱控、電氣各保護裝置單元廠家的現場服務共同進行系統測試，弄清楚UPS裝置運行過程中，UPS裝置內部接線與與熱控、電氣負載的工作接地關系。另一方面則是對UPS裝置內部負載電流的校正，可以采用最大負載電流整定保護方式，讓UPS裝置當廠用電切換、動力直流電壓故障時，不再以自身低電壓時（小于175V門檻電壓）保護動作關機，從而避免導致事故異常擴大化，保證機組熱控計算機可靠執行安全停機程序。

2.2 UPS 機組常見故障處理方式

即便UPS機組的整體系統設計、電源配置、輸入功率因數都已經校對和調試到最優的水平，在其運行的過程中，仍舊會產生幾種常見的故障，例如逆變器故障、交流廠用電故障以及旁路失效等，如果處理不好，也會產生斷電事故。

當交流輸入停電或者是出現大范圍的波動過程，也就是交流廠用電產生故障的過程，UPS裝置會出現報警，面板狀態指示燈會顯示交流輸入燈熄滅，動力直流電池進入放電輸出狀態，這時機組需要若再啟動直流事故油泵等重要安全停機動力，短時間內可能將事故擴大，造成輸入 UPS 裝置電壓瞬間過低（小于175V），輸出中斷，造成熱控計算機工程師站系統斷電。在不確定這種故障是否由交流輸入故障引起的時候，應該首先檢查UPS裝置輸入開關是否跳閘以及保險的熔斷情況。當UPS出現逆變器故障報警的時候，首先要認在面板上是否同時出現逆變器超載報警，如有，查看液晶顯示屏上的輸出電流，如超過額定電流，則關閉不重要的負荷，直到輸出電流小于額定輸出電流，然后按復位鍵消除報警后，重新啟動逆變器并輸出。

3 結語

UPS 裝置對大型發電機組的安全穩定運行起著至關重要的作用，我們不僅要進一步的優化UPS裝置供電的設計與配置情況，還要在運行中進一步加強對UPS裝置的過載停機、低壓停機保護的調試、定期的維護和維修，檢查其母線對地電壓、絕緣情況、各熱控、電氣保護裝置卡件依次投入時對UPS裝置絕緣的影響，做到防患于未然，使UPS 裝置運行穩定、可靠，確保發電機組生產的安全、穩定、長周期地運行。

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