UPS電池連接錯誤導致通信故障的案例分析

張永紅，史彬哲

（中國聯通甘肅省分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 案例描述

2019年*月*日，某通信運營商地市級樞紐樓因主供線路停電，備用電源自動投入裝置（BZT）動作不成功導致備供電源未及時投入，后備的柴油發電機組尚未啟動，因UPS配套的電池組無法正常放電，導致下掛的部分重要大客戶設備停電。經當地維護人員現場手動處理，19 min后恢復供電，大客戶通信業務隨后逐步恢復。

2 電源系統基本配置

本次故障涉及的設備具體配置見圖1。

（1）UPS：2×200 kVA，按照2N方式布置；

（2）蓄電池：150 Ah/12 V，每組電池為40節，每臺UPS連接2組并聯的電池組，合計4組160節；

（3）備用電源自動投入裝置（BZT）：安裝在3 Ah號高壓柜（分段開關），功能正常；

（4）油機：380 kVA，304 kW，能正常啟動，未配置ATS。

3 故障現象及過程

2019年*月*日15:03分，**公司接到上級監控中心的電話通知，告知當地核心機房15:01分停電。因該機房有兩路市電，監控通知停電意味著BZT動作不成功或者備供線路同時停電。該機房后備油機不具備自動啟動、自動切換的功能，按照應急預案維護人員緊急趕赴機房準備手動發電。15:19分維護人員趕到現場發現10 kV備供正常，立即手動切換至備供線路，核心機房恢復供電，停電歷時19 min。

圖1 電源系統配置示意圖

經核對，這次故障導致通信業務受到嚴重影響。在15:01分停電后，緊接著于15:02分，當地十分重要的IDC業務中斷。IDC業務都經由UPS供電，UPS電池放電不到1 min。初步判定UPS系統故障，導致市電停電后通信業務直接中斷。

4 故障的原因分析

本次故障有兩個值得深思的問題。一是市電停電本來是正常現象，為提高供電可靠性，一般都配置BZT裝置。對于雙路供電的核心機房配電室，一般情況下當主供線路停電后，BZT動作，自動投切，備用線路為核心機房供電，且切換時間較短。二是IDC機房配置了足夠容量的UPS系統，且按照規范要求，UPS配套的電池后備時長必須在30 min以上[1]。而本次故障中UPS放電時長卻不到1 s，顯然UPS供電系統工作不正常。

經核查故障期間的UPS歷史告警記錄發現，2019年*月*日，UPS系統先后發出：（1）次要告警，15:00:18旁路電壓異常；（2）次要告警，15:00:19電池逆變供電；（3）次要告警，15:00:23主路電壓異常；（4）緊急告警，15:01:14電池放電終止；（5）次要告警，15:01:16輸出禁止；（6）提示，15:01:16均不供電等6個告警，UPS維護界面顯示“次要告警：SOH電池容量異常”。據此判斷，該UPS電池狀態異常，在本次停電中僅放電55 s后終止。

經測量電池單體電壓，每組40節電池的單體電壓基本落在兩個區域：21節落在區間一12.87～12.91 V；19節落在區間二14.18～14.22 V，且4組電池結果基本一致。測量結果見表1。

電池的單體電壓分布區間見圖2。根據圖2中測得的電池單體電壓，顯見整組40節電池性能呈“臺階式”分成兩段，初步判斷電池中性線接錯。因為正常狀態下因制造工藝的限制，每節電池之間必然存在性能的細小差異[2]，單體電壓也在一個偏差范圍內波動，但是絕對不可能有約1.3 V的臺階差。

按照UPS主機廠家的系統設備安裝指導書所示（見圖3），電池中性線按照規范應該有兩根電纜，分別從第20節的負樁頭、第21節的正樁頭引接至BCB的N端口。但是，現場施工時經常為節省線纜材料僅用一根電纜，而是將第20、21節電池同向串聯，然后將電池中性線直連在第20節負樁頭或者第21節的正樁頭（該兩個樁頭為等電位點）。本次故障現場，因施工人員疏忽大意，將中性線錯誤地連接在第20節電池的正樁頭，導致“中性線沒有接在中性點”。

按照該電池產品手冊中規定的充放電參數[3]：25 ℃條件下浮充電壓13.50～13.80 V，均充電壓14.10～14.40 V，UPS按照電池參數設置的單邊20節電池充電電壓13.5 V×20=270 V。當如圖3所示電池連接錯誤時，單邊的19節的電池每一節承受的電壓為270 V/19=14.2 V，大于浮充電壓的上限13.80 V，處于均充電壓14.10～14.40 V區間，即本組的19節電池從UPS開機至今一直處于過壓充電狀態，電池已經嚴重損毀。而單邊為21節的電池的浮充電壓為270 V/21=12.9 V，小于浮充電壓13.5 V，即21節電池一直處于欠壓充電狀態。綜上原因，該UPS系統安裝開通后至今一年多，電池性能已經嚴重劣化。

表1 每組40節電池的單體電壓

本次市電停電后，因為UPS電池部分性能劣化，導致整組無法承載后備供電的功能，放電時間不到1 min。后續的市電倒閘、油機啟動等操作，因自身固有的延時（BZT充電時間15 s、保護延時、合閘時間等）[4]都已經無法保證系統不掉電。

圖2 電池的單體電壓分布區間

本次故障中的10 kV分段開關BZT動作不成功，是一種常見的電磁現象，原因是冷備用的變壓器在空載合閘時很容易受剩磁的影響發生“勵磁涌流”現象，而變壓器的保護裝置會把遠遠大于正常電流的“勵磁涌流”當作過負荷電流甚至是短路電流予以切除。一般的操作是手動重復操作，總會有一次躲過勵磁涌流后即可投入成功。

5 討 論

重要的通信樞紐機房、數據中心、IDC機房等，最大程度提高供電系統的可靠性是根本的目標。為此，在建設初期要配置獨立的兩路市電引入，另配雙臺柴油發電機組作為市電故障的最后保障電源。在機房內部的開關電源系統和UPS系統，一般也都是配置獨立的2套以上，相互備份，提高系統的整體可靠性。

在供電系統的控制部分，為了提高可靠性，一般在高壓側都配置了備用電源自動投入裝置（BZT）。當主供市電線路停電的時候，能在第一時間自動將備供線路投入運行，保障機房供電。BZT從主供線路停電開始到投切成功，裝置內部必要的工作延時即T1一般為0.1～2 s。同時，因柴油發電機組屬于機械系統，響應過程相對要緩慢得多，從冷機啟動到能帶全載一般要3～8 min。另外，油機市電之間的自動切換系統（ATS）負責先斷開市電開關、后合閘油機開關的兩個方向操作，所以也需要一定的延時。合并計算后，從油機接收、啟動指令到經過ATS切換后油機向機房負荷供電，整個時長為T2一般為3～8 min。

圖3 電池組接線示意圖

作為核心機房的供電系統，各部分之間的協調動作十分重要，如圖4所示。市電的BZT、油機及ATS、UPS（或者是開關電源）各系統之間需要按照規定的時序嚴密配合，才能在不同的工況下總能保證終端的通信設備不掉電，通信業務不中斷。

如圖4所示，市電停電后，因為BZT的啟動到動作完成，中間有T1的時間段內需要UPS電池放電、逆變后為所有的通信設備供電，且在線式UPS的工況切換是真正“零時延”，所以對于終端的通信設備感受不到前端的市電變化。若BZT動作成功，備供線路向機房供電，則UPS轉為對電池充電狀態，即圖4中的“第一種情況”。

圖4 機房供電系統之間的時序配合示意圖

如同本文中的案例，因為隨機遇到又無法杜絕的勵磁涌流很容易將BZT的效果歸零，即BZT動作卻不成功。此時，BZT已經按照規定程序將主供線路開關斷開，而備供開關又沒有合閘成功，主、備兩路市電都已經斷開，而BZT一般都不允許自動復位操作，所以此時即使主供線路恢復供電，但是因主供線路開關已經斷開，若非維護人員現場手動操作，市電無法向通信設備供電。因此，僅僅配置BZT對于系統的可靠性來說根本不能滿足要求。

BZT啟動但是動作不成功，兩路市電均不能供電，此時ATS立即向油機發出啟動指令，油機自動啟動、暖機、空載運行，經過約T2的時長才具備帶載能力。在此期間，全部通信設備的供電仍然全靠UPS的電池放電、逆變來負責。BZT動作不成功，ATS啟動油機經T2后向機房供電，此時UPS才轉為對電池充電狀態，即圖4中的“第二種情況”。

6 結 論

可見，在機房供電的各種切換過程中，為保證實現最終目的即通信設備不掉電，UPS電池最終都是起到了最堅實可靠的保障作用。本案例中因電池連線錯誤導致電池性能嚴重劣化，不能為BZT、油機及ATS等的切換過程提供后備支持，導致發生嚴重的通信故障。因此，核心機房的UPS電池配置的基本原則，理論依據是后備電池的后備時長Tcell＞T1+T2。鑒于T2'T1，所以一般以T2為基準加一定的安全裕量后，即可確定UPS后備電池的后備時長。