UPS系統故障分析和處理

潘海全

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO生產中心，江蘇儀征　211900)

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UPS系統故障分析和處理

潘海全

(中國石化儀征化纖有限責任公司BDO生產中心，江蘇儀征211900)

UPS即Uninterruptible Power System，中文名不間斷電源，是一種能夠在停電情況下不間斷地向負載供電的電源裝置。在石油化工裝置中一般作為控制系統的電源，具有廣泛的應用。本文通過對UPS運行調試過程中發生的負載燒壞故障的分析，論述了如何提高UPS供電可靠性以及如何避免再發生類似的故障。

UPS故障分析處理

石油化工裝置的控制系統電源通常使用UPS裝置，在發生低電壓穿越的情況下，UPS裝置能實現控制系統不間斷的運行。本文根據一起UPS系統故障，分析UPS系統故障原因，并提出處理此類故障的一般方法。

1　UPS原理及組成

UPS由UPS主機柜(內含整流器、逆變器、電池、靜態旁路、輸出隔離變壓器、控制模塊等部件)、電池柜、旁路柜組成。其電氣主接線如圖1所示。

圖1　UPS一次系統圖

UPS系統由兩路來自不同母線的交流電源(交流電源1和交流電源2)作為輸入電源，其中電源1作為UPS的主電源，通過整流、逆變、QF101或QF102給負載供電(下文稱UPS電)。電池接在直流母線上。電源2通過旁路變壓器作為UPS的靜態旁路電源，又通過QF201做為控制系統市電電源輸出(下文稱市電)，旁路變壓器為△/Y接法，Y側中性點接地。外置檢修旁路開關一般在斷開位置。

UPS共有四種運行模式，分別為：正常運行方式、電池放電運行方式、靜態旁路運行方式、維修旁路運行方式。

1.1正常運行方式

提供給負載的所有電力都經過整流/充電器和逆變器的雙重轉換(AC-DC-AC)，雙轉換模式因此而得名。整流器/充電器對電池進行浮充電以保持電池處于滿充狀態，如圖2所示。

圖2　正常運行方式

1.2電池放電運行方式

市電停電或超限時，UPS轉為電池放電工作方式：當交流輸入電壓超出UPS允許的容限范圍或市電中斷時，逆變器和電池無間斷地投入，繼續為負載供電。UPS將持續運行直到電池放電時間終止，或在市電恢復正常時回到正常運行方式，如圖3所示。

圖3　電池放電運行方式

1.3靜態旁路運行方式

當停止逆變器時，負載可以無間斷地切換到旁路交流輸入(根據安裝方式的不同由市電或后備電源供電),引起旁路運行的原因可能是：UPS內部故障；負載電流瞬變電流尖峰(沖擊電流或故障電流)；人為停止逆變器，如圖4所示。

圖4　靜態旁路運行方式

1.4維修旁路運行方式

UPS維修時，通過手動的方式將負載無間斷地切換到靜態旁路，然后再切換至維修旁路，將UPS的內部整流器/充電器、逆變器和靜態開關從主電源隔離出來。在不中斷負載運行的情況下對UPS進行維護和維修。電池被其保護斷路器隔離，如圖5所示。

2　故障過程

某日，擬將UPS所用電源由臨時電源轉為正式電源，考慮到控制系統不能全部停電的特殊性，首先將UPS切換為電池放電運行的方式，拆除臨時電源電纜，接入正式電源電纜，并且由原先的一路臨時電輸入改為兩路來自不同變壓器的正式電源輸入。UPS一次系統圖如圖6所示。

圖5　維修旁路運行方式

圖6　UPS一次系統圖

操作如下，斷開QF11、QF21，UPS轉為電池放電運行方式，拆除臨時電源電纜，將正式電源的兩根電纜分別接入QF11、QF21的上端，合上QF11、QF21，恢復充電運行方式，接著發現靜態旁路指示燈為紅色，顯示屏出現“電源2超限”報警字樣。

操作人員在不清楚報警原因的情況下，決定將UPS帶負載重啟。操作如下，斷開UPS輸入負荷開關Q1，此時UPS進入電池放電運行方式，斷開靜態旁路輸入負荷開關Q4S，重新合上Q1、Q4S。操作完成后報警仍然存在，同時儀表系統服務器、數個電源模塊以及PLC的CPU模塊等損壞，UPS旁路變壓器零排與接地排之間的連接導線外皮有燒糊的痕跡。

3　原因分析

3.1“電源2超限”報警原因

UPS從正常運行方式切換到靜態旁路運行時，會出現兩個電源短暫并列，兩個電源的并列必須滿足一系列的條件。根據廠家對UPS的設置，我們提取了電源超限參數表中的數據，如表1所示。

表1　電源超限參數表

由于UPS的電壓輸出設定為380 V，而靜態旁路的輸入電壓為419 V，旁路變壓器變比為1∶1，故電壓已經超過了設定值，從而UPS顯示出“電源2超限”。

3.2UPS負載損壞原因

發生故障的UPS實際接線如圖7所示，控制系統負載的零線接入了UPS輸出零排，但是輸出零排并未接地[1]，而是通過Q5n、Q4S斷路器接入變壓器零排，再與大地連接。

圖7　故障時UPS實際接線圖

負載通過交流電源1、Q1開關供電時，Q4S斷路器斷開以后，零線接地也斷開，當負載三相不平衡，造成中性點電壓位移過大時，造成某相220 V負載燒毀。

在三相四(五)線制電氣系統中，如圖8所示。

圖8　電氣系統圖

其中線性阻抗Zn≠0。由節點電壓法可知，電源中性點N和負荷中性點N′之間中性點的偏移電壓為：

對式(1)進行分析可知：

當Za=Zb=Zc(即三相負荷平衡)，無論Zn為何值時，均有U=0,。

所以當三相負載平衡時，零線通過的電流為0，并且三相電壓Ua=Ub=Uc始終是平衡的。

對式(2)分析可知，此時Ua、Ub、Uc的大小取決于各相負載的阻抗。

在零線斷線時，如果三相負載平衡，即Za=Zb=Zc時，三相負載電壓還是維持平衡，如果三相負載不平衡，即會造成某相電壓升高，某相電壓降低，而電壓升高的那相可能會超過設備額定使用電壓而造成燒毀，而電壓過低的某相也會造成設備不能正常工作。

通過以上分析可知在零線斷線的情況下，由于負載三相不可能完全平衡，因此，負載大的那相電壓會降低，負載小的那相電壓會升高。并且負載電壓的升高取決于三相負載的不平衡度，不平衡度越高，負載低的那相電壓會變得越高，從而超過設備能承受的電壓，造成燒毀事故。

如果負載通過交流電源2供電，當零線在Q4S處發生斷線，則同樣也會燒毀負載。原理分析如圖9。

圖9是根據UPS原理圖畫出的等效TN-S系統圖，將DCS控制系統負載等效為負載1和負載2，當斷開Q4S開關以后，h m之間的公共零線斷開，而負載1和負載2原先為220 V單獨供電回路，在零線斷開后，負載1和負載2轉變為串聯接在B相和C相380 V電源下，如圖中s k之間，根據分壓原理，阻抗大的負載分壓大，當分壓超過負載承受能力時，負載燒壞。

圖9　零線斷線損壞負載分析原理圖

4　處理辦法

4.1更改輸出零線的接線

DCS負載的零線應直接和大地連接，不經過斷路器或保險。此次零線接法錯誤是故障發生的根本原因，因此，應將輸出零線分別接在零排上并和大地相連，如圖10所示。

圖10　改進后的UPS系統圖

4.2編制與現場實際相符的UPS系統圖

由于UPS實際接線與圖紙出現偏差，導致操作人員的判斷錯誤也是導致故障發生的原因之一，因此故障發生后，技術員根據現場的實際情況變更了最新版的UPS系統圖，如圖10所示，杜絕因圖紙不吻合造成的錯誤判斷。其中圖1是設計院出具的竣工圖紙，也有錯誤，故最終的UPS系統圖以圖10為準。

4.3加強操作人員的培訓，編制UPS倒閘標準作業票

此次故障中，由于操作人員對UPS的不熟悉，在無法判斷“電源2超限”含義的情況下，私自操作則是本次故障的直接原因。因此應聯系UPS廠家對其進行深入培訓，對UPS的原理和邏輯進行深入剖析，讓操作人員能夠懂原理，知其所以然。在加強培訓的同時，應編制相應的UPS倒閘標準作業票，使得UPS的操作制度化、規范化。

4.4加強日常的巡檢和維護

對UPS系統上的各個接頭定期開展紅外測溫作業，防止接頭接觸不良燒毀導致斷線，產生類似故障。同時注意接頭的連接質量，防止其表面因氧化腐蝕而不導電。

零線斷線燒毀設備的故障有其隱蔽性，因為“斷零”后，在三相負載近似平衡的情況下，沒有明顯的外部現象可以判斷此時零線斷線，只有等到負載不平衡設備燒毀造成生產波動時才會查明原因，發現是由于零線斷線所致。

因此，在安裝以及調試的前期必須要搞清楚系統的組成、原理、結構，日后維護時才能降低故障的發生概率。

5　結束語

UPS系統作為化工裝置控制系統的電源，不僅具有廣泛的應用，同時對化工裝置的安全生產穩定具有重要的作用。在TN系統中，220 V負載的零線及其接地至關重要，如果在運行過程中因任何原因發生零線斷裂或失地故障，負載可能因承受過電壓，從而造成故障的發生。本次故障發生后，通過仔細的分析甄別，確定了原因。由于Q4S的斷開，負載公共零線接地斷開，使負載燒毀。加強了對操作人員的培訓，編制了UPS刀閘標準作業票，加強UPS零線接線柱和接地的巡檢和定期開展紅外測溫，保證了UPS的穩定運行。

[1]倪娟，張建霞．三相四線制低壓系統中零線完好性的作用[J]．煤，2011，20(10)：63-65．

Analysis and processing the malfunction of the UPS system

Pan Haiquan

(BDOProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China)

UPS is a uninterruptible power system,which can uninterruptedly supply power to the load in case of the power system failure. Generally speaking, UPS is widely used in the power of the control system in the petrochemical installations. We analyzed the burning malfunction that happened during the UPS debugging. And also we discussed how to improve the reliability of the UPS power and how to avoid the same malfunctions.

uninterruptible power system; failure; analysis; manage

2016-08-17

潘海全(1988-)，江蘇儀征人，助理工程師，主要從事化工廠電氣安裝和維護工作。

TH17

B

1006-334X(2016)03-0038-05