UPS故障原因分析及處理

厲海斌

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

UPS負責向電廠的測量、控制和保護等各類重要負荷提供連續可靠的不間斷交流電源，屬于電廠重要且精密的設備，為電廠的安全穩定運行提供重要保障[1-3]。本文介紹了UPS的運行方式及切換過程，對UPS的常見故障及實現原因，以及UPS故障處理方法進行了探討總結。最后以浙能阿克蘇熱電1號機組UPS發生故障作為案例，分析其故障原因并提出故障排除的方案。

1 UPS的運行方式及切換過程

1.1 UPS的正常運行方式

正常運行時，負荷由主電源經整流器、逆變器供電，直流電源和旁路電源處于備用狀態，UPS主路輸入開關NFB1（QF1）、UPS旁路輸入開關NFB2（QF6）、UPS靜態檢修旁路輸入開關NFB3（QF3）、UPS逆變器直流電源開關K5（QF2）和UPS輸出開關NFB4（QF5）合閘。檢修旁路開關NFB5（QF4）分閘。

1.2 UPS的自動切換過程

當整流器輸入交流電源失去時，逆變器將自動地、不間斷地切至直流電源供電方式。整流器輸入交流電源恢復時，自動恢復到正常運行方式。當逆變器直流電源側電源中斷、直流電壓低或逆變器故障等情況下UPS自動切換至靜態旁路電源供電方式，一旦條件返回到正常情況，則自動返回到逆變器供電方式。

1.3 UPS的手動切換過程

當UPS裝置需要檢修時，則由檢修旁路電源供電，將檢修旁路開關NFB5（QF4）合閘，將UPS輸出開關NFB4（QF5）分閘；UPS必須在靜態旁路供電時，才允許將UPS切至檢修旁路（即UPS從逆變器向檢修旁路切換時，必須在靜態旁路狀態下進行）。UPS在逆變輸出模式時，嚴禁合上檢修旁路開關NFB5（QF4）。

2 UPS的常見故障及原因分析

2.1 UPS系統電阻故障

電阻本身是一種發熱的元器件，在進行通流運行時很容易由于電阻發熱量過大或通風冷卻不良等原因造成熱量積聚發生故障，且電阻是電子設備中使用頻率較高的元件，因此在電子設備故障中，由電阻故障造成的概率比較大。主要原因與電阻本身的制造過程、材質選用、組織結構、使用環境和散熱條件等有著密切的關系。電阻故障主要分為致命失效和參數漂移2種，其中電阻在使用過程中因發生機械碰撞、過熱擊穿，從而造成短路、斷路現象，就是致命失效[4]，而電阻在使用過程中因年限過長、環境劣化、溫度過高等原因造成電阻值嚴重偏移的現象稱為阻值漂移。

2.2 UPS系統電容故障

電容是UPS系統整流回路中主要的組成元件之一，電容常見故障主要表現為漏液、電容開路、通電擊穿、參數偏移及電容失效等。造成這些電容故障的主要原因有年限過長、機械損傷和介質不純等，本次阿克蘇熱電有限公司在1號機UPS檢修過程中對整流回路電容器進行檢查時，發現其中2個電容器參數偏移嚴重并進行更換處理。

2.3 UPS系統控制板或驅動板故障

控制板或驅動板是控制UPS系統整流、逆變啟停的重要元件，都是由高度集成的電子元器件組成，屬精密器件，技術含量高，結構緊湊，體積小，使用環境要求較高。當其高度集成的任一元器件損壞或通信回路丟失，均可能造成UPS系統失去控制，致使UPS系統發生電源切換，如由主路電源供電切換到直流供電，或切換到靜態旁路供電，降低供電可靠性，嚴重時還可能造成UPS系統輸出中斷，影響機組及設備安全。

3 UPS系統故障常用處理方法

UPS系統故障常用的處理方法一般可分為直接觀察法、分級壓縮測試法及其他特殊檢測法。

3.1 直接觀察法

當UPS系統故障現象比較明顯時，可通過“看”“聽”“嗅”“摸”等方式，直接利用人體感受器官來進行觀察判斷，這種方法實用性強，操作簡單，而且較為行之有效。事實上，直接觀察法在各類設備的故障檢修中均發揮著較為重要的作用。運用直接觀察法進行UPS系統故障判定時，相對來說比較依賴于個人的經驗積累，一般需要根據觀察者本人的實際經驗，針對其認為UPS系統有較大可能發生故障的部位或故障發生頻率較高的部位進行重點檢查，通過個體感受來對發生的明顯故障進行簡單的初步判斷。利用直接觀察法進行UPS系統各類故障檢測時，也要從多側面、多維度進行檢查，從眼看表象、耳聽聲音、鼻嗅氣味和膚受觸摸等由表及里、從簡單到復雜逐步深入，進行檢測，確保故障判斷的全面正確。

“眼看表象”是診斷各類設備故障的基礎，UPS系統故障的診斷也不例外，按照一般的步驟，首先要觀察UPS系統有無出現明顯的燒焦和冒煙的現象，觀察燒焦和冒煙的部位是否有外物相連，判斷是否是由外物引起的線路短路所導致；然后檢查有無嚴重破損的元件或線路，包括電容器漏液、電阻器爆裂及導電體絕緣外套的破損等；再次還要檢查UPS系統內部元件有無發生變形、元件聯接部位或固定部位螺絲有無松動等；最后還要檢查每一個控制板、驅動板和通信板等卡件的有無松動、接觸不良等。通過觀察UPS系統中外部表現出的現象，直接判定UPS系統中的故障點，從而對檢查發生的故障進行解決處理。

“耳聽聲音”亦是直接觀察法的有效手段之一，也是檢查UPS運行中有無故障的關健步驟。UPS系統在正常工況下產生的聲音符合一定的規律感，對于熟悉UPS系統運行，尤其是經常接觸它的運維人員來說，可以將UPS的運行聲音與日常熟悉的正常運行聲音進行綜合對比判斷，從而判定UPS運行是否處在正常狀態。正常運行的UPS元件中接觸器、繼電器的吸合肯定都會有一定的聲音，其中變壓器、電抗器中的鐵芯、線圈等在正常工作時也會有一定的電磁聲產生，但當有元件出現故障時，就可能會對聲音的產生形成影響，發生畸變，通過對UPS不同工況下運行時聲音變化的比較來判斷發生聲音畸變的來源，可以初步確定UPS出現故障的部位。

“鼻嗅氣味”也是診斷UPS元件有無故障的方法之一，是利用了人體的嗅覺感官對異常氣味的敏感反應。當故障電流或短路的大電流通過導體或元器件時，會有高溫產生，高溫對導體表面的絕緣層或元器件肯定會產生一定的影響，嚴重時甚至可能引起燒焦或電弧灼傷，因絕緣過熱產生刺鼻的氣味或電弧產生后空氣中形成的氣體電離的異味，這些不正常氣味的出現表征UPS運行過程中肯定有故障出現，通過跟蹤產生這些異味的源頭，也可初步確定UPS可能出現故障的部位。

“膚受觸摸”就是通過皮膚，主要是用手來對一些元器件進行觸摸，如皮膚感受元件溫度的變化，如運用輕搖元件方式來判斷有無出現冷焊、虛焊現象，各控制板件、接線是否牢固等。當然，通過感受觸摸來對UPS設備判斷故障時，較多情況下是憑個人感知來進行故障判斷的，這就對于檢查人員的工作經驗提出了更高的要求。

3.2 分級壓縮測試法

當UPS系統故障現象不明顯、故障范圍不明確時，可利用分級壓縮測試法對UPS系統故障范圍、故障原因和故障程度進行檢測，逐級壓縮，減小故障查找的范圍，便于更快地確定故障點。UPS故障的類型繁雜，表現出來的現象千差萬別，每個個體對故障查找及處理的方式、方法和手段會各有差別，運用分級壓縮測試時也會各不相同，如有些人喜歡采用中分測壓法、有些人習慣采用中分測阻法等。在采取應用這些方法進行故障檢測時，亦可分為采用靜態方法和動態方法2種。當采用靜態法進行故障查找時，一般是利用中分測阻法進行，對設備運行電路狀況進行檢測，來縮小設備發生故障的范圍，從而幫助查找判定故障發生點。當采用動態法進行故障查找時，一般是利用中分測壓法進行，通過對設備工作回路中的電壓波形運行形態進行檢測，來縮小判斷設備發生故障的范圍及程度。

3.3 其他特殊方法

UPS系統有時也會出現一些特殊的故障，運用常規的手段無法及時地查找出故障點，這時候就需要采取一些特殊手段、特殊方法來進行檢查，以縮小故障范圍，確定故障原因。比如冷焊、虛焊、局部放電和局部氧化等，對于這種類型的故障，可采用敲擊振動法、局部加熱法等特殊手段進行檢測，來幫助確定故障點。在采取敲擊振動法進行設備故障檢測時，敲擊振動過程應小心謹慎，保證擊打部位的振動受力在允許程度之內，應使用非金屬體進行打擊，避免擊打元件表面出現刮痕或短路現象，避免由受力過大造成設備元件的其他損壞。運用局部加熱法對部分因溫度急劇變化而產生的故障進行檢測時，應減小檢測范圍，僅針對故障發生可能較大的部位進行加熱，過程中可以采取熱吹風或安全加熱體2種方法進行。在對設備進行局部加熱的過程中，要使用合理的加熱溫度，保證受試的設備正常元器件不產生損環。

4 浙能阿克蘇熱電1號機組UPS故障排除案例分析

4.1 UPS故障概況

浙能阿克蘇熱電是浙江省迄今為止最大的產業援疆項目，位于新疆維吾爾自治區阿克蘇紡織工業城東北部，項目總投資34億元，于2017年5月24日全面建成2臺35萬kW超臨界熱電聯產機組并投入商業運行。每臺機組各配有一臺深圳市正昌時代電氣工程有限公司生產的型號為GTSI-80 K，額定容量為80 kVA的交流不停電電源裝置UPS，交流輸入電壓為三相三線380 V±10%，輸出交流電壓為單相220 V±2%，50 Hz±1%。UPS采用靜態逆變裝置，不自帶蓄電池，直流電源由主廠房直流系統提供。UPS系統包括整流器、逆變器、靜態轉換開關、旁路變壓器、手動旁路開關和交流配電屏等。負責為電廠的測量、控制和保護等各類重要負荷提供連續可靠的不間斷交流電源。

2022年2月24 日16：54，1號機DCS收到UPS系統異常報警，查看光字牌顯示：UPS綜合報警、UPS逆變器故障、UPS旁路供電報警、UPS交流輸入故障、UPS電池電壓低，以及UPS逆變器同步故障。

4.2 故障原因分析

4.2.1 設備檢查情況

1號機UPS在靜態旁路運行，饋線柜帶負載正常；UPS主路輸入開關NFB1跳閘、直流1 A段1號機組UPS直流電源開關跳閘。查看UPS主機柜外觀無異常，旁路柜運行正常。18：25，將1號機UPS切至檢修旁路運行，UPS主機關機。打開UPS主機柜前后柜門檢查，情況如圖1所示，發現第1個整流器有打火痕跡，拆除該整流器驅動板后，進一步發現下方第1個可控硅爆開，相連接的直流、交流銅排均受損。

圖1 故障后第一個整流器實物圖

繼續檢查第2個整流器的情況，如圖2所示，發現整流器控制板上1根配線斷線，上部整流橋連接銅排有輕微受損。

圖2 故障后第二個整流器實物圖

檢查UPS主機柜其余元器件無打火、變形和脫落現象，快速熔斷器正常。

4.2.2 報警信息分析

機組UPS的報警信息記錄可總結見表1。

表1 UPS報警信息記錄

4.2.3 故障原因分析

結合報警信息記錄、元件損壞及開關跳閘情況，推斷故障順序。

（1）整流器的第一個SCR整流橋因老化發生爆裂，導致輸出直流的正極、負極銅排短路，在沖擊作用下，引發逆變回路故障，同時直流電源開關跳閘，UPS自動切至靜態旁路運行。

（2）整流器的SCR整流橋擊穿，導致交流側短路，使主路輸入開關跳閘，此時逆變器電壓異常，同步故障。

（3）直流回路電容放電，使直流電壓低于180 V，逆變器停止工作。

4.3 故障處理

故障處理過程如下。

（1）將1號機UPS切換到檢修旁路運行。

（2）測試新采購的板件正常。

（3）隔離UPS后，拆除并更換1號機UPS燒損的板件。

（4）檢查電容器、逆變器、整流器、靜態開關等元器件設備正常。

此外，為確保修后的UPS切換功能正常，輸出穩定，避免試驗過程對UPS旁路供電產生影響，確保旁路輸出穩定安全，特對修后UPS在空載情況下進行切換試驗及輸出電壓測試。完成上述處理操作后，故障被有效排除，UPS恢復正常方式運行。

5 結論

由于UPS系統自身的原理與技術十分復雜，不但系統內部的組成元件多，而且其中大部分元件都是精細部件，這些精細部件對于外界環境的要求非常高。因此，對于UPS系統而言，各類外界環境因素影響都非常有可能對其內部元件造成污染。一旦這些精細的元件受到污染，就容易發生故障，失去其原來的功能，甚至可能因此引起整個UPS系統的癱瘓。基于這樣的事實，營造一個良好的工作環境是保證UPS系統的正常運行的基礎，有利于減少由外界因素而導致的系統故障。