UPS系統與市電不同步引發的DCS系統元件燒損原因分析

（酒鋼（集團）能源中心，甘肅嘉峪關 735100）

1 某電廠DCS電源配置概述

某電廠120MW 燃氣機組設計為發-變單元機組，燃機機組采用MARK-VI 控制系統，隨燃機配套。除燃機機組外輔助系統采用DCS 控制，輔助系統主要含空壓機、CEMS 系統、電氣、控制、計量系統等。

輔助系統(DCS)電源配置，兩路220VAC 供電電源，一路取自UPS，另一路取自廠用電，并設置電源自動切換裝置，DCS 電源配置接線框圖見圖1。交換機和電源模塊采用交直流輸入。

電源切換模塊原理圖見圖2。設計采用二極管橋式整流回路，將交流電轉換為直流電供負載使用。一路電源由D1 至D4 組成，J5 為一路電源監視繼電器；二路電源由D5至D8組成，J6為二路電源監視繼電器，兩個全橋整流電路直流輸出端并聯，兩路電源輸出直流電壓較高的一路電源為供電主回路負荷，輸出電壓較低的另一路為備用，當主電源出現故障或電壓小于備用電源輸出時，處于備用的另一路電源自動切換。

圖1 DCS電源配置原理框圖

前期裝置上電調試，電源切換裝置輸出正常，DCS工作正常。

調試將要結束視頻系統接入時，發生電源自動切換模塊輸出電壓過高，造成燒損兩個電源模塊，兩個電源轉換模塊，一塊主控制器，一臺交換機的事件。

圖2 電源切換模塊原理圖

2 存在的問題及原因分析

2.1 存在問題

（1）UPS 旁路電源停電，UPS 輸出失去相位基準。

（2）電源切換模塊存在寄生回路。

（3）視頻系統雙電源切換裝置內部直接將兩路電源的N短接在一起。

2.2 原因分析

2.2.1 電源切換模塊輸出電壓工作原理

（3）同時送兩路電源，UPS 旁路電源正常運行，輸出電壓相位按旁路電源（即市電輸入Uac）相位輸出，見圖4UPS 電源接線原理圖。電源切換模塊輸出的電壓按市電與UPS 整流值較高的輸出，電源模塊運行正常，用電負荷運行正常。

（4）同時送兩路電源，UPS 旁路電源停電，UPS輸出額定電壓額定頻率，但輸出電壓的相位無基準參考，即相對市電相位不同步，0°至360°之間隨意位置波動。電源切換模塊輸出的電壓按市電與UPS整流值較高的輸出，電源模塊運行正常，用電負荷運行正常。

（5）同時送兩路電源，UPS 旁路電源停電，間接使用了公用接地（視頻系統電源切換裝置配置切換原理是UPS 電源輸出電源中性線線與廠用電電源的中性線直接短接在一起，市電La 與UPS 電源L1通過雙向可控硅快速切換輸出）。

電源切換模塊寄生回路被觸發，當市電與UPS輸出相位在60°至300°之間時電源切換模塊的輸出直流電壓在300 V以上波動，最高可超過600 V。

2.2.2 寄生回路分析

寄生回路，(或稱假回路)是在線路動作過程中意外接通的電路。分析見圖2 電源切換模塊原理圖，一路電源相線對應的橋臂D1、D2 與二路電源相線對應的橋臂D5、D6 組成一個整流橋，輸出電壓為兩路電源相線L1、La 之間交流電壓的全波整流值。因為UL1≈ULa，兩火線之間的電壓UL1La=2ULasin(α/2)。見圖3兩路電源輸入輸出向量圖。

兩路電源相線L1、La之間相位差在-60°（300°）至60°之間時，D1、D2 與D5、D6 組成的寄生回路整流橋輸出電壓小于一、二路電源對應的整流橋輸出電壓，寄生回路沒有顯現出來。

圖3 兩路電源輸入輸出向量圖

兩路電源相線L1、La 之間相位差在60°至300°（-60°）之間時，D1、D2與D5、D6組成的寄生回路整流橋輸出電壓大于一、二路電源對應的整流橋輸出電壓，寄生回路顯現出來。

兩路電源幅值相等，由于存在相對相位，使得相線之間存在電壓，幅值大小周期性變化，最大輸入電壓為440 V，最小為0 V。

UL1La交流電壓的電壓隨L1、La之間的相位變化而變化。當UPS 輸出電源與廠用電同步相位相同時，L1、La之間電壓為最小接近0 V，當UPS 輸出電源與廠用電不同步相位相差180°時，L1、La之間電壓為最大接近440 V，電源切換模塊的輸出直流電壓最高可超過600 V。

UPS的輸出電壓，在有旁路電源情況下，輸出相位、頻率以旁路為基準，即UPS 輸出電源與旁路電源(廠用電)同步；在沒有旁路電源時，不間斷電源UPS按照設置參數控制輸出電壓相位、頻率，失去基準，這種情況下即UPS 輸出電源與旁路電源(廠用電)不同步。見圖4 UPS電源接線原理圖。

圖4 UPS電源接線原理圖

2.3 激發寄生電路輸出高電壓造成設備損壞的同時需要滿足的三個條件

（1）存在寄生電路回路。

（2）當UPS 無旁路電源時，UPS 輸出(相位失去基準)與廠用電不同步，UPS 輸出與廠用電相位差大于60°，滿足了電源切換模塊輸出高電壓條件之一。

（3）UPS 電源輸出中性線N1 與廠用電中性線N2 短接在一起，UPS 失去隔離作用，滿足了電源切換模塊輸出高電壓另一個條件。

3 解決方法

（1）UPS電源輸出始終與廠用電保持同步，分析認為不可靠，因為UPS 旁路電源有意外停電的可能性。

（2）使用隔離變壓器，使兩路電源無電的聯系，使得寄生回路不觸發，也不可靠。UPS 電源本身已經設計了隔離變壓器，但被外回路輕易通過N 線公用就失去了隔離作用。

（3）更換不含寄生電路的電源切換模塊（即電源不能并聯切換繼電器）。切換時間慢，存在切換時間的短暫中斷。

以上三種解決方法各有不足，最終綜合選擇方法是，取消220 V 環節電源切換功能模塊，增加220 V/24 V 電源模塊，兩路電源分別直接接入220 V/24 V 電源模塊，220 V/24 V 電源模塊24 V 輸出經過逆止二極管后并聯為DCS供電。

4 結束語

（1）使用二極管隔離，必須建立在不同電源獨立沒有電聯系的基礎上，否則必須使用可靠隔離。

（2）同時使用接地系統（市電）和不接地系統（UPS 系統）供電的雙電源切換裝置，應防止任何形式的N線被短接在一起。

（3）消除一切寄生回路。

（4）發電廠DCS 是機組控制中樞，基于供電系統的高可靠性要求，是這種供電方式選擇和設計思路，對于火力發電廠、設備成套供應單位的設計和調試工作具有良好的參考借鑒意義。