大型制造企業UPS安全隱患分析與管理技術要點

孫 耀,劉 瓊,董大亨,趙榮泳,陸劍峰,張 浩

(1.中國商用飛機有限責任公司,上海 200120；2.同濟大學電子與信息學院CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

不間斷電源系統(uninterruptible power supply,UPS)是IT快速發展和大數據時代重要的應急供電保障設備，應用日益廣泛。不間斷電源設備在系統電源故障時，在規定時間內向用戶設備供電，從而可以保證用戶不因突發停電而影響工作或丟失數據[1-3]。然而，由于先進材料UPS設備維護保養的專業性要求高、使用工況差異性較大、行業標準和規范差別性大，以及安全管理措施缺失等原因，導致使用3年以上的UPS設備過沖電、短路和爆燃事故頻發[4]。該類安全事故隨機性和不確定性明顯，已日益成為大型制造企業安全管理的重點。為此，本文深入分析大型制造企業不間斷電源設備安全隱患，提出UPS設備管理技術要點，為規范UPS安全技術管理和大數據背景下大型制造企業智能制造規劃提供安全技術參考。

1 不間斷電源結構與原理

作為應急供電設備，為了保證運作系統在突然斷電時，能夠在規定時間內正常工作，不間斷電源配有一套獨立的蓄電池組。在外部電源正常供電情況下，UPS通過外部電源給蓄電池組充電。當外部電源因故障斷開時，蓄電池組從充電狀態切換至放電狀態給負載供電。根據向負載供電時逆變電路是否保持在線工作，UPS可以分為兩大類：在線式UPS和離線式UPS。

1.1 在線式UPS設備結構與原理

在線式UPS由于線路簡單、設備要求低，日常生產生活中使用較為普遍。在線式UPS的工作原理是無論電網供電是否發生故障，逆變電路始終處于工作狀態[5]。在線式UPS工作原理如圖1所示。

圖1 在線式UPS工作原理圖

UPS正常工作時，旁路開關斷開。在這種情況下，如電網電壓供電正常，電網電壓輸入首先經過噪聲濾波器濾除電網電能中的高頻干擾信號，獲得相對純凈的交流電壓；接著電能進入整流電路，將交流電整流變成直流電。之后電能分為兩路，一路電能給蓄電池組供電，保證UPS設備具有足夠的應急電能；另一路通過逆變器將直流電變成220 V、50 Hz的交流電，供給交流負載正常運行。同樣，在UPS正常工作的情況下，當電網電壓中斷時，市電輸入被切斷，整流器電路不再工作。這時蓄電池從充電狀態切換至放電狀態，蓄電池放出的直流電能，通過逆變電路轉換成交流電，供給負載正常運行。但是，當微處理器的傳感器檢測到UPS發生故障時，UPS利用繼電器原理實現旁路開關閉合，由市電應急供給負載電力，并發出故障報警[6]。

1.2 離線式UPS結構與原理

離線式UPS工作原理如圖2所示。

圖2 離線式UPS工作原理圖

當市電供電正常時，旁路開關l斷開，旁路開關2與上支路吸合。市電輸入后，通過濾波電路后，一路給用戶負載供電，另一路經過整流交流電變成平滑的直流點后給蓄電池充電。通過圖2可以看出，當市電供電正常時，逆變器輸入和輸出電路皆斷開，故稱為離線式UPS設備[7]。當市電突然停電時，旁路開關l和開關2聯動，電池電流經逆變器開始輸出供電，轉換供電所需時間主要取決于繼電器觸點開、合的時間(一般為3～9 ms)。所以嚴格地說，離線USP是間斷時間非常短的接續供電器。由于它輸人、輸出直通市電，而且繼電器開/合時有脈沖產生，故它不具穩壓效果。

2 常見安全隱患

UPS設備是一種重要的蓄能和供電裝置。由于其技術發展相對較早，應用范圍十分廣泛，作為常見設備，人們常常忽視對其維護和監管[8]，使用過程中容易存在一些常見的安全隱患，如不予以重視，會造成重大損失。由于不間斷電源系統由整流器、濾波器、逆變器、交流靜態開關和蓄電池組等組成，結構復雜，另外應用場所不一，所以USP設備在使用過程中存在的安全隱患也眾多復雜。為幫助使用者直觀清晰地獲取UPS設備的使用注意事項，本文利用魚骨圖因果分析法，將常見的UPS使用安全隱患進行圖解分析，使得隱患要素層次分明、條理清晰。其中包括十條典型要素。

①安裝位置不合理。UPS的安裝位置非常重要，未能合理選擇安裝位置會導致潛在風險，常見的安裝位置錯誤有：UPS電源側放；放置位置通風效果差，臨近水、可燃性氣體或腐蝕劑；使用環境溫度低于0 ℃或者高于40 ℃，在低溫環境下拆裝，由于會有水滴凝結現象，易引起觸電，在高溫環境下電池壽命易縮短；未選用有過流保護裝置的供電插座，插座未接保護地端，易造成人員觸電。

②UPS長期閑置。蓄電池組作為UPS設備中重要的儲能設備，當設備長期閑置不用時，蓄電池的內阻會增大，造成電池的可充和放電性性能變差。加之維護保養不當，蓄電池容易起火。

③錯誤操作UPS開機和關機順序。開機時應該先打開UPS設備，再接負載。但是如果使用人員錯誤操作開機順序，開機瞬間電流的沖擊會給UPS造成很大損害；關機時順序正好相反，不然會造成負載損傷。

④UPS負載不匹配。使用人員為了縮減成本或者一時應急，過載使用UPS。然而過載所造成的設備超負荷運行會嚴重縮短UPS設備使用壽命；另外，長期供給過小的負載也會造成UPS設備過電流等不正常狀態。合理的負載應該控制在50%～80%。

⑤人員操作不當。UPS設備正常是220 V的市壓供電，一旦操作人員忽視UPS的輸出電壓和電流較大，易發生嚴重的觸電事故。常見的不安全操作有：對電池進行維修保養時，操作人員使用的螺絲刀等工具不帶有絕緣手柄；將工具或其他金屬物品放在電池上；接線時，出現短接或是蓄電池組的正負極反接現象；將不同規格、不同品牌的電池隨意組合。

⑥首次充電不當。由于UPS設備采用老式的鉛酸電池居多，新購置的設備需要進行不低于12 h的首次充電。如首次充電時長不夠或電網電壓不滿足220 V等不正確的充電行為，會導致設備充電不足，從而導致蓄電池的容量大大低于標定容量。

⑦無實時監控。目前市場上UPS電源多采用閥控式鉛酸電池，因此廠家便聲稱其為免維護電池，造成用戶誤解所買的UPS設備既耐用又不用維護。這導致許多用戶在使用UPS設備時都疏于對設備的實時監控及定期維護。

⑧錯誤使用交流穩壓器。使用UPS電源后無需在使用交流穩壓設備，如用戶錯誤再用穩壓器會影響蓄電池壽命。加之維護保養不當，會引起蓄電池起火。若必須使用交流穩壓器，應加在UPS 的前級，USP后級接負載。

⑨蓄電池未均衡充電。UPS設備在使用過程中，如發生以下情況，會造成蓄電池組不均衡充電：使用過程中過量放電，會導致端電壓低于蓄電池規定的標定電壓；蓄電池放電使用后，未能及時對蓄電池組進行充電；電池組長期閑置不用；市電中斷，連續浮充的電池；放出近一半容量的電池。

⑩錯誤使用柴油發電機。因柴油發電機供電頻率不太穩定，所以錯誤使用柴油發電機為UPS供電，會影響UPS的正常運行，容易導致發生意外事故。

安全隱患魚骨圖如圖3所示。

圖3 安全隱患魚骨圖

3 相關行業標準

UPS系統作為所有設備運作的供電基礎，被廣泛應用于各個行業鄰域。1996年，我國國家標準GB/T 14715-93 《信息技術設備用不間斷電源通用技術條件》出臺。此標準是UPS產品的通用技術條件(簡稱“通用技術條件”)[9]。由于當時我國UPS技術開發和制造業信息管理處于起步階段，無論是技術水平或單機容量與國外產品相比尚存在較大差距。所以在一些標準制定上存在缺陷。隨著我國UPS設備的應用普及，不同行業分開始制定UPS設備行業標準。以下就一些典型標準進行分析。

3.1 信息行業國際標準

信息機房安全管理規范(ISO 45001-2017)中，多處對UPS設備工作環境與維護作了詳細的規定[10]。

3.1.1 運行環境

機房維護保養人員應該定期檢查機房的溫度、濕度和空調運作狀況，并制定《信息中心機房記錄表》，維護或者使用情況按時記錄。機房溫濕度保持在合適范圍，機房的適宜溫度為18～28 ℃，適宜濕度為40%～70%，并保證機房不發生結露現象；機房內嚴禁存放易燃、易爆、腐蝕品、放射性及強磁場物品；機房中應配備防塵、防火、防水、防鼠等設施,以及消防報警系統[11]。

3.1.2 使用與維護要求

機房內精密運行設備必須由UPS不間斷電源進行供電，保證設備電源供電質量；UPS設備作為市電運行設備，必須防止突發觸電情況，設備必須配有接地設施，接地電阻符合規范標準；機房管理員應每周一次對UPS運行設備、運行環境進行檢查，并嚴格記錄運行情況。

3.2 郵電行業標準

2001年，我國通信行業針對UPS設備使用規范問題，制定了YD/T 1095-2000《通信不間斷電源-UPS》 行業標準，為通信行業UPS電源生產、使用和監督等工作提供了技術依據，規范了通信領域中的UPS市場[12]。通過YD/T 1095-2000行業標，我們可以獲取到郵電行業UPS設備的一些使用規范。其中包括正常使用條件環境溫度為5～40 ℃：相對濕度≤93%{(40±2)℃,無凝露}；海拔高度應不超過1 000 m；貯存運輸環境及機楲條件溫度:-25～+55 ℃(不含電池)；UPS設備在正常使用環境條件下,平均無故障間隔時間(mean time between failures,MTBF)應不大于100 000 h(不含蓄電池)，超過使用期限應及時更換設備。

3.3 鐵路行業標準

為規定鐵路通信用不間斷電源設備環境、技術要求和檢驗方法，我國出臺了TB/T 2993.3-2016《鐵路通信電源第3部分：通信用不間斷電源設備》標準[13]。以下重點解讀鐵路通信用不間斷電源設備的環境要求和技術要求，從中可以獲取鐵路行業使用UPS設備規范。

3.3.1 環境要求

在鐵路行業，為適應不同的運行環境，UPS設備類型分為室內型和室外型。要求運行環境防低溫、高溫，防濕防潮等，由于鐵路行業運行環境相對惡劣，尤其對于室外型UPS設備，所以在制造過程中已經很大程度上提高了環境耐受度。對于室外型UPS設備的制造有多種分類。按運行環境溫度分為I型(-40～+45 ℃)和II 型(-10～+45 ℃)；工作相對濕度為不大于95% (不結露) 。

支出標準體系建設初見成效。在山東省各級財政評審機構的共同努力下，項目支出預算編制規范和項目支出標準漸成體系，在全面規范財政預算管理、提高財政資金分配效益等方面發揮了重要作用。如，省財政出臺了辦公業務用房維修改造支出標準，制定了政務信息化軟件開發項目支出評審標準，著手開展政務信息化項目運行維護費用支出預算標準制定。

3.3.2 技術要求

為了保證UPS設備蓄電池組正常運行，依據UPS設備規格型號的不同，設備的輸入電壓范圍可選擇±10%、±15%、±20%、±25%等[13]。在鐵路通信中，一般室內型UPS設備應用在鐵路沿線車站和區間機房的外供電情況下，其輸入電阻一般可變范圍在±20%；室外型 UPS設備應用在區間室外或隧道內，由于外供交流電形式多樣，參考TB/T 2169-2002的規定，室外型UPS設備的可變范圍規定在±30%。為了保證設備運行安全，使用時應嚴格按照要求。

并機冗余是提高系統安全運行的有利方法，在GSM-R核心網機房的交流不間斷電源供電系統中，常采用并機冗余方式運行。并機冗余是將同型號、同容量并具有并機功能的2臺或者多臺UPS設備的輸出端并聯，進一步提高負載電壓的穩定性。

4 UPS性能指標速算模型

為了便于安全管理，本文梳理行業內通用UPS性能指標速算模型。在UPS蓄電池組放電過程中，衡量UPS電池組性能的指標有：滿載時蓄電池放電時間、帶載不足時蓄電池放電時間、負載容量、UPS運行中內部溫度[12-15]。本文假設溫度對電池組性能影響最小，且UPS運行溫度基本維持在合理范圍，即溫度影響不予討論。

4.1 滿載放電時間

設UPS設備標準功率為P(VA)，用直流電池組時轉換電壓為UZ，轉換電流為IE，蓄電池容量為N。則電池組放電時間F計算公式如下。

(1)

式中:0.8為電池組放電時將化學能轉換為電能的功率因素。

滿載時放電時長為：

(2)

式(2)表明：當一組電池放電時間為0.88 h時，如想延長放電時間，則需多并聯幾組電池；每多并聯一組，放電時間對應延長1倍。

4.2 電池組性能優劣計算與分析

設滿載放電時間為tm，放電過程平均負載R% ，放電時長為tr，則該UPS電池組性能因子Per運算公式為：

(3)

tm÷R表示該UPS電池組無損耗時帶R負載的放電時長，tr為帶R負載時實際放電時長，兩者相減則為該UPS電池組減少的放電時長，應放時長除以實放時長則為性能因子Per。Per越大，電池組性能越差；反之，Per越小性能越好。Per可以作為維護人員維護電池組時重要的數據依據。

5 無人值守機房UPS安全管理技術要點

根據人防為本、技防為主和技術驅動的管理原則，結合各類行業標準，本文提出制造企業機房不間斷電源安全管理的技術要點。

①環境條件。通風散熱條件良好，室內性UPS環境溫度40 ℃，相對濕度≤93% (40±2)℃，無凝露；室外型UPS 極寒條件下，采用I型(-40～+45 ℃)，普通條件下，采用II型(-10～+45 ℃)；工作相對濕度為≤95% ，并保證不結露，無強磁場干擾。

②運行條件。輸入電壓可變范圍確定為±20%，交流電頻率波動范圍為50×(1±1%)Hz。

③操作與保養要點。對于長期閑置的UPS設備，在再次使用前，需將設備充電12 h后再接負荷。若UPS電源長期不用，應每隔2～3個月開機24 h，讓其充電充分以保證電池的正常壽命。對于離線式UPS設備，逆變電路上時間不運轉會設備老舊，因此每隔一個月讓逆變器工作2～3 min，以激活長期閑置的蓄電池。

④淘汰更新機制。一般正常使用的UPS，其電池壽命不超過3年。使用UPS性能指標速算模型評估電池性能，及時保養或更換舊電池。

⑤多模式監控。配備UPS自監控型設備，自動監控充電電流、放電電流、充電電壓、放電電壓、電池容量等主性能。對于異常情況，及時進行屏幕提示和短信提醒；建設機房UPS柜外監控系統，包括視頻監控、溫度場監控、煙霧監控、敏感泄漏氣體監控等功能，實現及時屏幕和警笛聲光報警、短信和手機APP報警消息推送。

⑥應急處置要點。收到或者現場發現UPS故障報警后，第一時間確認警情，斷開UPS供電電路；救援現場工作人員及時報警(廠內或者廠外)；如遇電池突發起火情況，應選用干粉滅火器滅火。

6 結束語

制造企業各類生產站點UPS設備為保障生產核心邏輯和存儲單元連續運行提供了可靠電源供給，UPS這類特屬于電源設備的重要性日益突出。隨著新型電池材料的發展，UPS設備性能也會不斷提高。這就要求根據不間斷電源系統的技術要求，動態監控UPS系統運行；合理評估電池性能，及時保養和維護UPS電池等各主要模塊。在安全管理方面，也要求技術防范措施緊密復合UPS設備自身的操作和維保要求。對操作人員進行專業培訓，杜絕各類誤操作事故。另外，隨著物聯網和智能感知技術的發展，新型UPS的性能將實現動態、可預見的評測。這就要求打破傳統的定時或者定期維護保養的管理模式，發展成按照UPS供電性能和帶載性能動態維保的管理模式，科學保障應急電力供應，同時也將有效節約電池等材料資源，實現不間斷供電系統的智能高效運行。