直流電壓波動引起UPS逆變器模塊爆裂分析

巢 澤

（江蘇利港電力有限公司，江蘇 江陰 214444）

0 引 言

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統是確保供電穩定和連續性的重要設備，因此電力企業的重要負荷通常都由UPS系統供電。其主機智能化程度很高，使用的儲能器件是免維護蓄電池，具有穩壓、穩頻及凈化的特點。在正常運行情況下，系統會從主電源獲取電力。如果主電源出現故障，系統將自動切換到蓄電池組來供電。如果逆變器模塊或回路發生故障，系統可以切換到旁路供電，且主輸出電源會自動與旁路電源保持同步[1]。

1 ＃3機UPS運行概況

江蘇利港電力有限公司的#3機UPS是由瑞士GUTOR公司研制生產的雙機并列的不間斷電源裝置。該系統的結構如圖1所示，每套裝置都有獨立的三相交流電源輸入和獨立的直流電源。兩套主機合用一路旁路電源，且其輸出自動同步跟隨[2]。自2015年投入使用以來，系統一直穩定運行。

圖1 ＃3機UPS系統結構

2 故障案例分析

從2022年6月23日到2022年7月23日，＃3機UPS多次出現電池運行、旁路運行及UPS高壓直流關斷等不正常運行狀況報警。經過工作人員現場查看，裝置內確實存在異常信息。雖然UPS系統雙機并列運行正常，但是從報警內容來看，UPSA和UPSB在所述時間段內分別出現過主機關機的情況，且報警內容涉及主電源回路、電池電源回路以及旁路回路。

根據報警內容，7月7日曾出現過直流電源高關斷的報警，整流器輸出電壓整定值為245 V，由于廠用電系統運行正常，基本可以排除主輸入電源電壓波動導致高直流電壓關斷UPS系統的情況。結合UPS系統的運行方式，UPS系統的整流器輸出與直流母線直接相連，直流母線下并聯蓄電池組，因此直流母線電壓是一個相對穩定的電壓。只有當直流系統本身的充電整流器出現故障或者有大容量直流電機啟動時，才會導致直流母線電壓大幅波動。而直流系統充電整流器故障造成的影響將是全面的，故障表現出來的現象也不僅僅體現在UPS系統上。因此，有必要核查大容量直流電機的啟停記錄[3-5]。

經過核查，發現在出現異常情況的幾天內，運行人員都進行過啟動電動油泵（Electric Oil Pump，EOP）的操作，因此推斷啟停EOP油泵可能是造成UPS系統高直流電壓關斷的原因。

3 故障發展

為了確認UPS關斷與啟停EOP油泵之間的關系，2022年7月26日再次嘗試啟動EOP油泵，并對#3機UPS直流電源側母線電壓進行錄波。在上午10:30左右第1次啟停EOP油泵，未發現電壓有明顯波動，啟泵時直流母線電壓下降1 V左右，停泵時直流母線電壓升1 V左右。在10:57左右進行第2次啟停EOP油泵，油泵啟動后幾秒內，UPSA控制柜發出爆炸聲并伴有電火花，直流進線開關跳閘，直流電源開關跳開。立刻要求運行人員停EOP油泵，并對UPSA和UPSB進行安全隔離。此時發現UPSA仍在運行，有直流開關跳閘報警，UPSB也在運行，一度出現“Battery Operation”的報警。2臺UPS輸出電壓顯示正常，但根據現場檢修人員回憶，2臺UPS并機運行時的負載率一度達到67%，長時間負載率顯示為超限。由于UPSA已明顯故障，要求運行人員暫時將UPS切至檢修旁路運行，將UPSA和UPSB隔離。分別對UPSA、UPSB進行開柜檢查，檢查發現UPSA逆變器模塊A033的功率元件出現燒焦裂紋，表面有放電痕跡。

4 對于UPSA逆變器模塊爆裂的分析和處理

總結此次試驗和錄波檢查情況，主要存在以下問題：第一，UPS故障與直流系統啟EOP油泵的啟停操作存在因果關聯，需進一步確認；第二，雖然幾次啟油泵后均出現直流電壓較高的報警，但錄波顯示沒有捕捉到高電壓波形；第三，損壞的逆變器的故障點是在直流側，本次故障造成了2臺UPS均有多次限流器動作。

對于第一個和第二個問題，根據錄波檢查和逆變器模塊的故障情況，可以確認UPS故障與EOP油泵的啟停操作存在關聯。啟停EOP油泵的過程中，逆變器晶閘管爆裂發生，這表明UPS在運行期間確實受到EOP油泵啟停操作的影響。同時，直流母線側高壓侵入被隔離二極管V016的爆裂所證實，但錄波時并未捕捉到高電壓的過程。對于第三個問題，查看UPSA和UPSB的歷史報文可以發現，UPSA發生故障后，先后出現直流限流器動作和交流側限流器動作。逆變器晶閘管爆裂的位置在并有直流電容的晶閘管入口處，該處的絕緣材料已經碳化，有經過較大電流的痕跡。故障報文中也顯示先直流限流器動作，再有交流側限流器動作。因此，可以判斷先在直流側發生故障，出現擊穿或接地后，再在交流側發生故障。

此外，#3機UPS輸出中性線接地且與機柜相連，UPSB可與機柜構成回路，因此向故障點提供了短路電流。在故障發生時，UPSA和UPSB的負載率都很高，伴有間隙性電壓波動和多次限流器動作，并顯示負載率超限。

5 UPSA逆變器模塊更換試驗分析

2022年8月8日，受損的備品備件到達現場。由于前一次啟EOP油泵的試驗中發生了UPSA晶閘管爆裂的事故，因此本次更換逆變器模塊后對可能出現的突發情況做了充分的準備。將#3機220 V直流電壓信號接入發變組故障錄波器電壓通道進行實時監控，并設置了突變量為3 V的啟動錄波定值。

對UPSA進行模塊更換，并進行UPSA的單機調試和各項切換試驗等，同時將UPSA、UPSB的整流器輸出直流電壓定值調整為254 V（原來為245 V），旨在拉開與直流母線電壓的差距，減少因兩者電壓差過小而引發的干擾。

在試驗開始前，先將#3機UPS切換到檢修旁路運行，UPSB停運，拉開UPSB的直流進線開關。在確認UPSA運行正常后，空載啟動直流EOP油泵，同時對UPS充電器輸出、逆變器輸入及逆變器輸出側進行電壓和電流錄波。

啟動EOP油泵時，電壓先升至247 V，后降至234 V，停EOP油泵時也沒有出現異常。但在EOP油泵運行期間，移動錄波器捕捉到了254 V的尖峰高壓，隨后降至223 V；發變組故障錄波器也捕捉到了264 V的尖峰高壓，隨后降至195 V，波峰持續時間短暫。

在啟停EOP油泵的過程中，直流電壓出現波動，并且在EOP油泵運行期間錄波器捕捉到尖峰高壓。經過分析，當EOP油泵內部存在較大規模的間隙性匝間短路或直流接地時，會產生短暫的電能釋放，從而導致電壓波峰值。因此，需要對直流母線電壓進行正對地、負對地、正負間3個電壓的監視和錄波。之前對于直流母線電壓的監視僅局限于正負之間，沒有擴充到正對地和負對地，可能存在盲點。

6 故障再現

2022年8月20日下午15:30左右，UPSA在帶直流母線運行的情況下，再次進行啟停EOP油泵試驗。在充電整流器輸出、逆變器輸入以及逆變器輸出側均進行電壓和電流錄波，并增加了直流母線側正對地、負對地電位的錄波和監測。

啟動EOP油泵時，未發現無明顯異常。但在停直流油泵時，UPSA卻出現電池運行，高直流電壓關機，轉旁路運行，再轉電池運行的情況。裝置內部歷史報警內容與7月7日設備故障時的報警內容完全一致。這一過程被便攜式錄波器全程錄下來，可以很明顯地看出直流母線電壓在此過程中正負之間并沒有發生很大的波動，只有1 V左右，但正對地、負對地電壓波形圖在錄波器的400 V量程上已完全超限，無法確定其對地電位的幅值。同時，從錄波圖上可以看出，此過程時間較短，只有2 ms左右，之后電壓基本恢復正常。至此可以確定，EOP油泵在啟停時造成220 V直流母線對地電位異常升高，導致#3機UPSA的故障。因為EOP油泵電源正負間的電壓正常，所以仍然可以正常地啟停和運轉。

在此次試驗中，雖然直流母線電壓的正負之間波動并不大，但正對地、負對地電壓的超限可能導致設備故障。因此，需要進一步分析超限的原因及其對設備的影響。同時提高對直流母線電壓的監測精度和范圍，以更好地預防類似故障的發生。

7 結 論

大容量直流電機的啟停會引起直流母線電壓波動，這種波動可能包含諧波分量或產生高壓尖峰波，從而對直流母線上的其他負荷設備造成危害。這種危害可能體現在正負極電壓之間，也可能更隱蔽地體現在對地電位的抬升上，從而導致設備對地的絕緣擊穿。本次事故案例可以為新設備的采購和技術協議的制定提供新的參考依據。對于新設備的采購，需要考慮其是否具備承受大容量直流電機啟停所帶來的電壓波動的能力。對于技術協議的制定，需要明確對地電位抬升等隱蔽危害的處理方法和要求，以確保設備的安全穩定運行。同時，對于已經投入使用的設備，需要采取相應的措施來應對大容量直流電機啟停所帶來的危害。