提高低壓保障性電源可靠性探討

申國君

（安陽鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南 安陽 455004）

1 現(xiàn)狀

安陽鋼鐵股份公司動(dòng)力廠有燃?xì)忮仩t及汽輪鼓風(fēng)機(jī)等大型機(jī)組，控制系統(tǒng)的電源都是使用低壓保障電源提供，動(dòng)力廠共有低壓保障電源56臺(tái)套，具體供電方式分四種。

1臺(tái)UPS主機(jī)，主機(jī)進(jìn)線只有一路市電，旁路開關(guān)也是使用的這路市電，主機(jī)出線直接帶負(fù)載。見圖1。

1臺(tái)UPS主機(jī)，主機(jī)進(jìn)線處采用雙切換開關(guān)，把兩路不在同一變壓器下的市電進(jìn)行聯(lián)鎖互投，時(shí)刻能夠保持任一路有電電源的暢通，任何一路市電掉電都不會(huì)影響UPS主機(jī)電源的供應(yīng)。出線處直接帶負(fù)載。見圖2。

圖1

圖2

雙UPS冗余供電方案，基本構(gòu)成是由兩臺(tái)具備冗余功能的UPS組成，兩臺(tái)UPS的進(jìn)線采用同一市電電源，兩臺(tái)UPS的出線采用母線并聯(lián)，UPS主機(jī)之間使用并機(jī)線進(jìn)行狀態(tài)、數(shù)據(jù)交換，以達(dá)到兩臺(tái)UPS主機(jī)均分負(fù)荷，不產(chǎn)生環(huán)流的目的。見圖3。

圖3

圖4

利用一臺(tái)UPS主機(jī)供電，但是在UPS主機(jī)的出線處，使用輸出選擇電路，一種是電磁接觸器、繼電器組成的控制選擇電路，一種是靜態(tài)切換開關(guān)STS作為控制選擇電路。其中UPS作為主電源使用，只有在UPS發(fā)生故障，旁路開關(guān)也不起作用，輸出徹底斷掉后，輸出選擇電路會(huì)自動(dòng)切換至另一路市電供電。見圖4。

2 原理及優(yōu)缺點(diǎn)分析

分析電源或設(shè)備是否可靠時(shí)，要看工作流程中是否存在單點(diǎn)瓶頸現(xiàn)象，結(jié)合以上狀況判斷當(dāng)?shù)蛪罕Ｕ想娫吹倪M(jìn)線、UPS和出線只有一條路途的時(shí)候，路途中的任何一個(gè)設(shè)備都可能成為單點(diǎn)瓶頸，只有依靠多條途徑進(jìn)行供電，使之形成進(jìn)線有冗余，中間設(shè)備有冗余，輸出也能夠形成冗余，才能夠提高低壓保障電源的可靠性。

由圖1可以看出整臺(tái)低壓保障電源只采用了一臺(tái)UPS作為電源的后備手段，當(dāng)UPS正常運(yùn)行時(shí)，市電通過整流器變換成為直流電，一方面為電池組充電，一方面輸入到逆變器，逆變器再把直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娸敵?。?dāng)市電停電時(shí)，電池組無接縫的把直流電輸送給逆變器，變換成交流電后輸出，這中間沒有時(shí)間停頓，對(duì)負(fù)載沒有任何影響。但是當(dāng)UPS整流器或逆變器發(fā)生故障跳旁路時(shí)，會(huì)有一個(gè)毫秒級(jí)別的切換時(shí)間存在。雖說不會(huì)對(duì)PLC等下級(jí)負(fù)載產(chǎn)生影響。問題是當(dāng)UPS本身的控制電路或電池組發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷電事故。如市電斷電，電池組有故障，就會(huì)導(dǎo)致UPS的輸出掉電。這種故障幾率能占30%，因?yàn)殡姵亟M一般在電池箱中放置，平時(shí)處于封閉狀態(tài)，屬于設(shè)備隱蔽部位，當(dāng)電池組長期無法放電、電池漏液爬酸、電解液干涸、極板翹曲等一系列不正常狀態(tài)沒有被發(fā)現(xiàn)時(shí)，都會(huì)使電池組突然失效，而單市電輸入使靜態(tài)旁路開關(guān)也失去選擇作用，造成UPS的無輸出。這種單市電輸入的模式只存在于早期電源設(shè)計(jì)不充足的站所中，這種設(shè)計(jì)現(xiàn)在使用很少。

為了彌補(bǔ)第一種電源的不足，第二種電源形式就考慮到引用不同低壓段電源做冗余，圖2中的考慮因素為電源切換開關(guān)第一路失電→電源切換開關(guān)第二路失電→電池組供電→電池組電能耗盡→轉(zhuǎn)入旁路開關(guān)→使用旁路電源供電。理想狀態(tài)下，這種配置可靠性是很高的。據(jù)有些統(tǒng)計(jì)資料，可靠性為0.95，但是當(dāng)UPS的控制電路發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)發(fā)生逆變器不工作而又切不到靜態(tài)旁路開關(guān)的狀況。在這種情況下UPS就會(huì)沒有輸出，致使負(fù)載失電。從圖中可以看出，UPS本身控制電路正常是保證整個(gè)電源正常的瓶頸，作為電子線路，如果UPS受到電網(wǎng)沖擊，控制電路很容易檢測錯(cuò)誤產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)。降低了可靠性。圖2中的低壓保障電源供電方式占全部30%。

圖3是目前新興的冗余UPS供電方式，它是利用至少兩臺(tái)UPS做為互備電源，其中又分為串聯(lián)互備和并聯(lián)互備，動(dòng)力廠目前全部采用的并聯(lián)互備方式，冗余供電方式是從一些極重要的部門或企業(yè)發(fā)展開來的，如一些數(shù)據(jù)中心、通信機(jī)房和核電站等，它們都是不允許供電中斷的部門，所以有很高的電源保障要求。但是安鋼做為冶金企業(yè)有其自身特點(diǎn)，首先是資金問題，提高電源保障級(jí)別后所需的資金巨大。其次是電源質(zhì)量問題，冶金企業(yè)的特點(diǎn)是大功率設(shè)備多，調(diào)速變頻設(shè)備多，造成電源質(zhì)量低，像電源電壓波動(dòng)大，諧波、尖刺脈沖等干擾多，電壓閃變等。最后是容量問題，一個(gè)站所或機(jī)組能夠使用低壓保障電源供電的設(shè)備少，一般不超過30KVA，絕大多數(shù)在（6～15）KVA，由于設(shè)備制造商對(duì)于小容量UPS的冗余設(shè)計(jì)支持力度小，所以對(duì)于并機(jī)環(huán)流控制和負(fù)載的均衡控制做的不是太好，從使用經(jīng)驗(yàn)來看，動(dòng)力廠10余套雙機(jī)并聯(lián)冗余系統(tǒng)，在投用兩年內(nèi)，陸續(xù)出現(xiàn)了各種問題，故障率比單機(jī)運(yùn)行高，從側(cè)面證明小容量冗余系統(tǒng)的不成熟。

鑒于冗余系統(tǒng)的不成熟，圖4供電模式逐漸在生產(chǎn)現(xiàn)場得到應(yīng)用，因?yàn)橐?，它解決了輸入電源的冗余，使得只要有任一路電源有電，都能保證有一路電源輸出。二，依靠SPD浪涌保護(hù)電路來提升輸入電源的質(zhì)量，減少UPS因電源質(zhì)量不高而造成的故障率。三，當(dāng)主電源失電，UPS轉(zhuǎn)入電池供電模式，電池耗盡電能后UPS轉(zhuǎn)入靜態(tài)旁路，由旁路電源提供后備電源，當(dāng)旁路電源失電后，可由輸出選擇電路自動(dòng)切換至第三路市電，形成電源的梯次進(jìn)補(bǔ)機(jī)制，提高了可靠性。輸出選擇電路有兩種形式，一是由接觸器和繼電器等組成互鎖互投電路，可設(shè)計(jì)加入主電源選擇電路（即當(dāng)主電源失電又再次得電時(shí)，輸出選擇電路可以自動(dòng)切回UPS供電模式），電源切換報(bào)警等功能。優(yōu)點(diǎn)是成本低，發(fā)生故障時(shí)設(shè)備便于觀察，方便判斷。更換備件時(shí)方便，可不停電更換部分備件。缺點(diǎn)是接觸器是行程元器件，在電源切換的過程中不可避免的要產(chǎn)生切換間隙，時(shí)間的長短取決于接觸器的性能，一般都在幾百毫秒，一些對(duì)斷電時(shí)間要求嚴(yán)格的AC220VDI、AC220VDO模塊可能受到影響。第二種是由靜態(tài)切換開關(guān)STS來實(shí)現(xiàn)，其實(shí)靜態(tài)切換開關(guān)STS和UPS本身的靜態(tài)旁路開關(guān)的工作原理是一樣的，只是保護(hù)功能做的更全面一些，它包含高低壓保護(hù)、智能切換、超載保護(hù)等功能，它的最大的優(yōu)點(diǎn)是采用高速可控硅，沒有機(jī)械動(dòng)作原件，切換時(shí)間短，可以達(dá)到6毫秒級(jí)別，基本可以滿足PLC等控制系統(tǒng)的供電要求。缺點(diǎn)也很明顯，由于主、備電源全靠STS來切換，重新產(chǎn)生了瓶頸問題。該模式占全部應(yīng)用60%。

3 綜述

4種方案集中了低電壓保障性電源在我廠的起始和發(fā)展，從發(fā)展的趨勢來看，現(xiàn)場設(shè)備和PLC采用直流低壓供電是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，因?yàn)橹绷麟娫匆部梢圆捎萌哂嗖⒙?lián)的方式來提升電源的可靠性，并且控制起來也更加容易一些，不像交流電，需要考慮電源頻率、相位、幅值和功率控制，監(jiān)測和控制都復(fù)雜得多。但是目前現(xiàn)場設(shè)備和PLC的電氣輸入輸出設(shè)備，加上重要的聯(lián)鎖設(shè)備和安全控制設(shè)備，約60%是需要交流電來工作的，這也是低電壓保障性電源淘汰不掉的重要原因。

4 結(jié)語

由以上分析可以看出，圖4的控制方案綜合了資金因素、技術(shù)因素、現(xiàn)場實(shí)際因素等，是目前比較可靠、可行的低壓保障電源控制方案。