核電廠UPS 裝置故障跳閘原因分析及處理

趙德恒

（中核集團三門核電有限公司，浙江三門 317112）

0 引言

某核電廠保衛控制中心、應急指揮中心和環境監測站等BOP 子項區域選用GUTOR PDW 系列UPS 裝置，為控制區、要害區出入口等重要安保設施、應急指揮操作站、環境監測工作站等提供持續不間斷電源，使電廠重要負荷在失去交流電情況下可以正常穩定的運行[1]。本文主要介紹某核電廠UPS 故障停機且無法再次啟動的原因分析及處理情況。

1 UPS 結構及原理

1.1 UPS 結構

UPS 裝置主要包括整流器、逆變器、蓄電池、靜態開關、手動旁路開關、變壓器、熔斷器等。UPS 正常運行時是將交流輸入通過變壓器送到整流器，整流器補償進線電壓波動及負載變化，保持直流電壓穩定。整流器供電給逆變器，同時對蓄電池進行浮充電，使蓄電池保持備用狀態，逆變器將直流轉換成交流并通過靜態開關給負載供電見圖1。

當整流器故障或上游交流電失去時，UPS 裝置通過所帶蓄電池為負載繼續供電；若逆變器故障，UPS 裝置將通過靜態開關自動切換至旁路并經調壓變壓器繼續為負載供電；在UPS 裝置需要檢修時，通過手動旁路開關將UPS 裝置旁路隔離，在保證負載繼續供電的前提下進行UPS 裝置檢修。

1.2 UPS 工作原理

GUTOR PDW 系列UPS 裝置整流器采用三相全控整流電路，通過六脈沖晶閘管整流橋后，得到直流波形。經過電容、電感濾波，可以得到較高品質的直流，變壓器既可以將交流380V 變為220 V，同時可以將外部高次諧波隔離并將整流產生的高次諧波隔離，以免影響外部電源。UPS 裝置逆變器使用帶有IGBT 的脈沖寬度調制（PWM）逆變器技術將直流轉換成交流的裝置，直流經過IGBT 逆變電路，使輸出電壓、電流接近正弦波，但由于使用載波對正弦信號波調制，也產生了和載波有關的諧波分量。通過電感、變壓器、電容濾除高次諧波，最終得到穩定、可靠的380 VAC 電源。

圖1 UPS 結構

2 UPS 故障跳閘原因分析及處理

2.1 故障現象描述

在對核電廠BOP 區域保衛控制中心UPS 裝置檢查發現，UPS已自動停機，其整流器未開啟為蓄電池浮充電，逆變器也未給負載供電，負載由旁路經調壓變壓器帶載。經確認，上游斷路器閉合，證明靜態開關工作正常，排除因下游負荷短路或過載導致UPS 故障停機。聯系相關人員重新啟動UPS 裝置，發現無法正常啟機，證明為非瞬時故障，此時故障依然存在，需要對UPS 裝置進行故障排查分析。

2.2 故障原因分析

根據UPS 的結構及原理接線圖，依次從供電電源、控制回路、整流/逆變功率單元、直流電壓等方面分析UPS 故障停機且無法啟機可能原因，具體包括以下方面：

（1）供電電源超出限值。供電電源主要是指UPS 的進線電源，若其出現進線相序不正確、電壓超限或頻率超限等問題，UPS 將無法整流出合適的直流電源，UPS 內部檢測后將整流器自動關斷。根據設計要求，UPS 的正常輸入電壓調節范圍為AC 380 V±15%，頻率為50 Hz±8%。

（2）控制回路電源故障。線路板電源電壓故障或超限，會使控制回路無法工作，UPS 將自我保護停機。

（3）整流器或逆變器功率單元溫度高。整流器或逆變器功率單元溫度高，為保護功率單元不會因溫度過高而損壞，此時UPS 將停機。

（4）交流電容組件CB03 電流故障。交流電容組件是與濾波電抗器一起濾除來自逆變器的PWM 輸出中的諧波電壓，以在逆變變壓器輸出端獲得低失真的正弦波，若交流電容組件故障將無法為負荷提供正常交流電，此時逆變器將自動關斷。

（5）連接到整流橋或逆變回路插頭松動，將使整流或逆變回路無法實現其整流或逆變功能。

（6）逆變器輸入直流電壓故障。若逆變器輸入直流電壓超限或直流熔斷器熔斷，將導致UPS 自動停機。UPS 低電壓停機定值為DC 173 V，高電壓停機定值為DC 302 V。

此外，對于其他如冗余電源故障、風扇轉速緩慢、直流接地故障等將使UPS 告警，不會導致UPS 停機或無法開機的問題。

2.3 故障處理

根據以上幾方面可能的故障原因分析，依次對故障UPS 裝置進行檢查。

（1）供電電源測量。通過對進線電壓測試，UPS 上游供電電壓AB段為394 V、AC 和BC 段為394 V，頻率為50.0 Hz，均滿足相關要求。檢查該設備歷史工作記錄，并無停電拆解本體進線及上游開關出線工作，經測量UPS 進線電壓為正相序，由此排除供電電源故障。

（2）主回路及控制回路接線核對。根據GUTOR UPS 廠家原理圖，對主回路及控制回路的每一路接線進行核對，重點檢查連接到整流橋、逆變回路插頭松動，對整流器、逆變器功率單元檢查有無發黑變色情況，結果為接線正確、導通正常、無斷線及發黑變色情況發生，由此排除主路及控制回路故障。

（3）對交流電容組件CB03 進行檢查。電容外觀良好，無漏酸、漏液情況發生，接觸良好，CB03 交流電容組共包括27 個電容，電容標稱值為55 μF（表1）。經計算，電容總容量下降約5.5%，屬正常范圍。

表1 CB03 電容組測試數據 μF

（4）在停機狀態下檢查并無問題，故嘗試重新啟機，閉合UPS 進線斷路器，按照啟機步驟嘗試開機，經多次嘗試無法開機；將主控板復位嘗試開機，此時面板顯示進線電壓為AC 367 V、AC 333 V、AC 424 V，面板指示燈有異常告警為市電檢測電壓超限。此時，測量A071 接口板監測電壓為AC 393 V、AC 394 V、AC 393 V 與上游電源相同，故判斷A071 接口板故障導致內部監測偏差。

（5）對接口板上與PSU 電源板接口變壓器、內部電容進行測試，變壓器一次線圈為5.2 kΩ，二次線圈為14.4 Ω，阻值正常；對接口板3 個電容容量進行測量，分別為41 nF、163 nF、136 nF，而電容標稱值為220 nF，故判斷為接口板上電容故障。

（6）重新更換新電容，新電容容量分別為209 nF、213 nF、207 nF。UPS 重新上電，并對其重新校準，將進線電壓、旁路電壓、逆變器輸出電壓調整至380 V。

圖2 UPS 進線電壓顯示值

（7）啟動UPS 主機柜，檢查充電器、逆變器啟動正常，測量主路電源電壓實際值，并與監測值比較，數據較為一致，并滿足85%～115%的要求（表2）。

3 結語

圖3 UPS 面板狀態

表2 UPS 故障處理后顯示值和測量值

本次UPS 故障停機且無法啟動原因為UPS 接口板中3 個電容老化導致容量降低進而觸發進線電源電壓超限，使整流器關斷，待蓄電池放電至低關機值后，系統轉至旁路運行，因進線電壓超限一直存在，使UPS 無法重新啟動。建議后續加強核電廠BOP 子項區域UPS 設備的巡檢力度，在故障初期提早發現并容易定位故障點。此外，在處理過程中，因缺少備件對整個處理過程產生一定的影響，建議對UPS 設備中的電容類易老化件提高定額儲備，同時針對UPS 裝置內小的元器件增加定期檢查及更換的預防性維修策略，使UPS 設備得以安全可靠穩定運行。