某采油平臺UPS停機切換故障問題的分析

陳永強

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300457)

0 引 言

UPS(Uninterruptible Power System)即不間斷電源，是將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉換成市電的系統設備。主要用于給單臺計算機、計算機網絡系統或其他電力電子設備如電磁閥、壓力變送器等提供穩定、不間斷的電力供應。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩壓后供應給負載使用，此時的UPS就是一臺交流式電穩壓器，同時它還向機內電池充電；當市電中斷(事故停電)時，UPS 立即將電池的直流電能，通過逆變器轉換的方法向負載繼續供應交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

某平臺有兩臺UPS，互為備用運行，且有旁路在其故障或檢修時為設備提供電源。通常采油平臺采用兩臺UPS各帶50%負載并列運行(單臺能夠滿足全部負載用電需求)，其可靠性非常高。但在某平臺進行UPS年檢時，UPS2負載向UPS1切換操作過程中，由于UPS故障造成全平臺失電，本文就此案例對故障原因進行分析。

1 故障處理

1.1 故障現象

某平臺使用兩臺帶旁路電源的梅蘭日蘭GALAXY 1000PW型UPS。由UPS廠家工程師進行UPS年檢，廠家確定年檢內容都是常規工作，沒有失電的風險。施工工作開始前，檢查UPS的指示燈及運行狀態正常，機器無異常報警，各項顯示參數正常。2臺UPS帶載均衡各為9%，逆變器輸出值220V，電池充電正常。廠家工程師將為了停運UPS1，將負載切換到UPS2供電(負載量從9%變化到18%)，觀察10min無異常后斷開UPS1電池開關、交流主輸入、靜態旁路開關；當UPS1完全下電后，進行UPS1風扇更換工作；更換完畢后，進行UPS1性能測試，結果正常。將UPS1恢復，投入供電系統，UPS2負載量從18%變化為9%(圖1)。

在準備進行UPS2年檢工作前，廠家工程師檢查了整個系統確定UPS系統工作正常后，開始進行UPS2的停機操作。當UPS2負載向UPS1切換，UPS2停運過程中，UPS1因整流器故障過載而停機，UPS旁路電源開關QF11也發生跳閘(200A)，造成平臺失電。

圖1 UPS系統圖Fig.1 UPS system diagram

1.2 故障處理過程

根據故障現象，初步認為是UPS2的旁路與UPS1之間在切機過程中出現了很大的環流，電流過大造成UPS1過載和旁路電源開關跳閘。為進一步查明原因，平臺專業人員要求廠家按正常操作程序再次進行UPS2負載向UPS1切換操作，為檢測旁路電流并將鉗形電流表放置于UPS1逆變器的輸出側進行檢測。在確定UPS運行狀態正常的前提下，廠家工程師再次進行將UPS2負載切換至UPS1的操作，切換過程中，鉗形電流表上顯示電流逐漸增大至336.9A，證明UPS2負載切換至UPS1時，在機組旁路與UPS1內部存在大電流的環流。

平臺專業人員和廠家檢查UPS的平臺電源、旁路輸入配電盤及輸出負載，未發現故障。檢查UPS1的輸出部分(輸出濾波板、變壓器、交流電容)亦未發現故障，交流電容為600μF，顯示正常。

2 故障分析

2.1 直接原因分析

①根據兩臺UPS均可獨立開啟帶載，可以判斷UPS的功率器件工作正常。

②兩臺UPS在并機情況下，分別顯示負載量均為9%，一致性很好，代表環流檢查板正常。UPS1負載切換至UPS2供電時正常，代表UPS1的并機板正常。

③通過故障現象廠家判斷UPS2并機板存在故障。根據故障檢查中用鉗形電流表檢測出的旁路電流分析，負載切換后并沒有斷開UPS2的旁路，UPS1的逆變器與UPS2的旁路產生了巨大環流，說明UPS2的并機板存在故障。正常情況UPS2的并機板應該發送關閉UPS2旁路靜態開關的命令，避免旁路與逆變器產生環流。

經廠家工程師與其公司技術部門溝通確認了現場的判斷：UPS2并機板MISI存在故障。更換后機組切換正常。

2.2 機組存在缺陷探討

結合機組技術資料，對上述故障進一步分析后，認為此型號UPS從保護功能和系統配電上存在一些問題是導致故障擴大化的深層次原因。

①并機板發生故障的可能性很低，用廠家的話形容就是百萬分之一的概率。兩臺UPS在線負載切換，機組逆變器與旁路產生環流，但機組缺少相應的檢測功能和及時切斷環流的保護功能。

②梅蘭日蘭GALAXY 1000PW型UPS在設計上缺少對并機板檢測的功能，使并機板的故障只有在負載切換過程中才會暴露。在正常情況下，機組缺少對此器件的檢測，不會產生相關報警，使操作人員和檢修人員無法判斷機組是否可以負載切換。

③經與廠家人員溝通，此型UPS原設計為80kVA的機組，由于平臺負載不需要如此大容量的UPS，廠家把此機組改為40kVA，并重新進行了系統參數設置和配電開關的選型配置，但選型和系統參數匹配上存在問題。具體來看，旁路電源開關QF11選型為200A，長延時過載設置為1In，單純從配電角度分析是完全滿足旁路要求，但UPS1逆變器過載保護和旁路電源開關QF11長延時過負荷跳閘之間配合不好，參數設置沒有級差，二者幾乎同時進行過載保護動作，導致平臺失電。QF11與下一級UPS及旁路負載開關QF21之間上下級也存在不匹配的問題(QF21選型為250A，長延時過載設置為1In)。

④廠家把此機組改為40kVA時，并未更換相應的保險，而是仍采用原設計630A的保險。UPS內部出現短路故障時，由于保險容量過大，不能及時熔斷，起不到短路保護的作用。

3 總 結

通過上述故障分析及解決辦法，對于UPS切換過程中存在的問題，注意思考以下方面：

①UPS并機板設計中應該加入故障檢測功能，確保設備倒機過程中判斷并機板或旁路靜態開關的工作狀態，及時進行保護，避免造成失電情況發生。

②在機組設計改變時，應重新進行系統參數的設置和配電開關的選型，注意機組保護各項參數匹配的問題；同時應對保險的容量進行相應的調整，以保證供電的穩定性。

此次UPS故障分析排查為今后解決類似問題提供了值得借鑒的經驗。