論述1+1并機系統單機故障而造成系統宕機

張彪

摘要：針對某空管局發生的UPS并機系統出現的宕機故障進行剖析，論述1+1并機系統是否由于其中一臺故障而造成這個系統中斷供電。

關鍵詞：UPS;并機系統;單機故障;系統中斷供電

Abstract： Analyze the downtime of the UPS parallel system that occurs in an air traffic control bureau， and discuss whether the 1+1 parallel system is interrupted due to one of the faults.

Key words： UPS; parallel system; single machine failure; system interrupted power supply

1、引 言

UPS電源采用并列運行是為了保障通信導航監視設備平穩持續運行，在極端情況下有足夠的時間處理緊急情況，并且UPS并列運行可以令并行組中有故障的一臺UPS退出工作而不影響另一臺UPS的正常工作。下面以實例論述為什么并列運行UPS當一臺UPS發生故障造成系統全部宕機。

2、故障現狀及設備運行模式

從某局反饋信息了解：某日當班人員聽到UPS告警聲，立即前往UPS間查看，發現兩臺UPS均已停機并告警。檢查機房設備均已斷電關機，柴油發電機沒有啟動聲音;檢查低壓柜時，發現L1、 L3、L5和UPS2進線相應空氣斷路器均已跳閘，檢查低壓柜均無打火燒焦短路的痕跡、無異味;在UPS2上可以聞到有輕微的焦味，當班人員初步確定故障原因為UPS2發生故障，在退出#2故障機時發現UPS2主路輸入開關Q1、旁路Q2無法斷開。

該系統采用是XX生的UL33系列容量60kva不間斷電源，采用1+1并機運行模式;UPS輸入電源由兩路市電經雙電源切換開關（ATS）切換一路，在與應急電源（柴油發電機組）經雙電源切換開關（ATS）切換一路供給1+1并機系統。

該套UPS持續運行9年，一直未對該套UPS進行任何深度的檢測維護。

3、UL33系列UPS產品性能、原理

UL33系列UPS采用高頻雙變換結構和先進的全數字控制技術，帶輸出隔離變壓器;輸入電壓范圍超寬（-45%～+15%）。主要包括由整流模塊（REC）和逆變模塊（INV）組成的AC-DC-AC變換主回路、由反向并聯的可控硅組成的旁路靜態開關、維修旁路空開Q3BP、輸出隔離變壓器和逆變靜態開關、蓄電池組以及輸入Q1、旁路Q2、輸出空開Q5等;其中，空氣斷路器Q1控制主路交流電源輸入，整流模塊將交流電源變成直流電源，逆變模塊進行DC/AC變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成交流電源，經過隔離變壓器輸出。蓄電池組在交流停電時通過逆變向負載供電。輸入電源也可以通過旁路靜態開關從旁路回路向負載供電。

主路輸入電源從Q1輸入，通過熔斷器，經自耦變壓器降壓，通過輸入電感進入高頻六管整流單元，高頻整流將三相交流電變換為穩定的直流電源，實現功率因數校正，整流器同時具有充電器的功能。蓄電池通過接觸器接入，只有在直流母線電壓達到一定閥值時接觸器才能將蓄電池組與直流母線并聯接通，蓄電池通過直流濾波電路向逆變器提供直流電源。逆變器采用DSP實時處理的全數字矢量控制技術，通過SVPWM調制六只IGBT功率開關器件，把直流母線電源變換成三相交流。輸出經過△/Z0變壓器、靜態開關、快速熔斷器、空氣斷路器等功能單元，實現負載端與輸入側的隔離。旁路輸入電源從空氣斷路器Q2輸入，通過旁路靜態開關的控制后輸出。通過控制旁路靜態開關和逆變器輸出靜態開關的通斷狀態可實現多種工作模式的切換。

4、1+1冗余并機系統工作模式

為了正確判別引起設備故障原因，首先必須準確知道1+1冗余并機系統工作方式。

并機系統運行條件：系統最大穩態負載功率應等于或者小于一臺單機額定輸出功率。

正常運行狀態：兩臺UPS的輸入端接在同一路市電上，因有兩路市電輸入，可以通過ATS開關切換為一路，這樣可避免UPS在工作頻率跟蹤和鎖相問題上的麻煩，在每臺UPS的控制板上配置好“并機邏輯控制板”，并且做好兩臺UPS間的并機通信連接;兩臺UPS同頻、同相、同輸出電壓幅值運行，將輸出直接并接在一起，兩臺UPS各承擔50%的負載均流運行向負載供電。

市電斷電或市電電壓超過范圍：兩臺UPS同時轉電池逆變運行，并保持均分給負載供電。此時若其中一臺發生故障，在并機控制程序命令下自動將該UPS退出運行，另一臺UPS繼續正常運行，并承擔100%負載功率。系統給出不具備冗余功能告警提示

其中一臺UPS發生輸入環節故障（圖中IRP＼IRE環節故障），另一路UPS將繼續在市電提供的交流電源的支持下承擔100%負載功率，系統給出不具備冗余功能告警提示，與此同時，輸入環節故障的UPS由于失去可跟蹤市電信號，它會在并機程序控制命令下，轉電池逆變運行工作狀態，直到電池放電到極限保護值后退出運行。

如果一臺UPS在逆變部分出現故障，在并機控制程序命令下自動將該UPS退出運行，其負載由另一臺UPS承擔100負載功率，系統給出不具備冗余功能告警提示，這就是并機系統所謂的"選擇性自動脫機"，故并機系統有能力識別出究竟是哪臺 UPS單機出現故障，并將該出現故障的UPS從并機系統完全脫開，以免影響并機系統的正常工作。在一臺UPS因故障而脫機的情況下，運行中UPS再發生過負載或發生逆變部分故障時，則此臺UPS自動轉靜態旁路運行，此時，只要市電端沒有斷電，系統實現不間斷供電;

在市電和兩臺UPS證常運行時，負載發生過載或短路現象。當過載量大于一臺UPS單機輸出功率，但小于兩臺UPS的輸出功率的總功率時，并機系統繼續向負載供電，但此時的并機系統將從具有容錯功能的冗余工作狀態進入沒有任何容錯功能的非冗余工作狀態。并且系統給出不具備冗余功能告警提示。當過載量超過兩臺UPS的總輸出功率或者負載端發生短路，短路電流未及時使負載通路中相應的保險絲熔斷（斷路器開關跳閘），系統檢測到危及并機系統的安全運行時，在并機控制程序命令下，同時將兩臺UPS自動轉靜態旁路運行。

5、廠家故障檢查報告

根據廠家故障檢查報告，本次雷達站UPS故障的直接誘因是由于交流輸入電壓超限，造成UPS EMI板短路拉弧，進而引發臺站設備掉電事件;

6、剖析故障發生原因

此次故障從廠家故障檢查報告表象來看，是由于交流輸入電壓超限，造成UPS2#機EMI板短路拉弧，進而引發臺站設備掉電事件。但是從UPS技術理論上講，UPS不應該因自身局部故障導致系統供電停止，尤其是并機冗余系統，是目前可靠系數達到99.85%的供電方案。那么，是什么原因導致系統輸出斷電呢？

6.1設備維護檢測不到位

根據廠家故障檢查報告，本次故障的直接誘因是由于交流輸入電壓超限，造成UPS2#機 EMI板短路拉弧，進而引發臺站設備掉電事件;按照并機系統工作運行方式，如果是交流輸入電壓超限，應該二臺機都應該轉電池逆變運行，從反饋信息里沒有，由此估判是由于故障機EMI板電子元器件老化，無法承受正常電壓，造成擊穿、短路拉弧，同時燒損旁路輔助電源板，短路并產生的大電流反串到直流母線抬高母線電位造成旁路輔助電源板短路，同時UPS2#機旁路Q1、主輸入Q2、L1、L3、L5開關相繼跳閘，使UPS輸出電壓降突降，檢測電路識別是過載且無法承受，立即關閉逆變轉到旁路，而此時市電端因開關跳閘已經中斷供電至此，并機系統宕機斷電

6.2主輸入與旁路共用一路開關

根據UPS的工作原理，當并機系統檢測到短路產生嚴重超載，UPS1#機后備蓄電池組和逆變電路不可以投入工作，系統將無條件向旁路切換，但由于＼L1＼L3＼L5開關相繼跳閘開關已跳開，旁路掉電，系統無法轉到旁路，導致系統宕機斷電。廠家在設計時是將UPS輸入分為主路輸入和旁路輸入，就是為了防止當設備內部短路，產生嚴重過載，導致主輸入開關跳閘，保證旁路有電源，避免造成負載斷電事故發生。然而在UPS安裝中，由于施工人員未能充分理解UPS的工作原理與市電輸入方式的關系，沒有對UPS主輸入和自動旁路輸入作隔離要求，因而兩個輸入都是由同一個開關引入，機器內部作連接處理，此接法存在嚴重的“單點故障”隱患，所以當設備內部短路，產生嚴重過載，導致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動旁路將同時失效，造成負載斷電事故發生。

6.3上、下級開關層級和上、下級開關級聯保護配置失誤

從電力專業角度，力求系統簡單;上、下級開關級聯少;線路斷點少，盡量避免由于斷點而產生的斷電事故發生。從反饋系統圖看，從市電到UPS輸入開關盡然設置了五級開關（除去ATS切換開關），可以肯定這樣的配置上、下級開關級聯保護是無法設定;從事故反饋信息看也驗證判斷，此次短路使五級開關（除去ATS切換開關）全部跳閘。

7、整改建議

7.1針對運行5年以上的UPS設備進行易損件的預防性更換，防止類似故障再次出現，易損件包括：交流濾波電容、直流母線濾波電容、風扇、輔助電源板等，以提高設備運行的可靠性和延長UPS使用壽命。

7.2針對運行5年以上的UPS設備進行定期巡檢及深度維護，關注內部元器件性能，定期對UPS風扇、電容、板件接插情況進行檢查，維護周期：UPS運行1-5年：每3年深度檢測一次;運行6-10年：每2年深度檢測一次;運行10年以上：每年檢測一次。

7.3單位內部沒有專業技術人員時，建議對UPS電源產品進行原廠維保，以保證UPS設備維護的深度，同時可以提前預防和排除類似的設備隱患，提高故障響應度，加快故障現場處理時限。

7.4重新調整市電側開關層級，最多少不超過三級（不包含ATS），重新調節開關保護整定值，實現前后級的級間匹配。

7.5主輸入與旁路分開，避免同時斷電

7.6盡快修訂空管系統內的相關專業維護維修規范。