化工企業UPS電源故障處置對策研究及應用

2025-02-20 00:00:00劉田波張黃世強

機電信息 2025年3期

摘要：首先介紹了UPS電源的作用及維護要點，其次分析了導致UPS電源運行不穩定的原因，然后闡述了某高含硫天然氣凈化廠UPS電源運行狀況，在此基礎上提出了增加脫機維修旁路和蓄電池在線監測系統兩種改造方法。應用結果表明，該改造方法能快速解決UPS電源故障問題，顯著提高UPS電源的可靠性和運行效率。

關鍵詞：UPS；控制靈活性；故障處置；在線監測

中圖分類號：TE68" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）03-0078-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.020

0" " 引言

某高含硫天然氣凈化廠（以下簡稱“凈化廠”）是一家主要從事天然氣凈化（含硫磺加工）的化工企業，凈化之后的天然氣通過龐大的西氣東輸管道網絡，輸送到國內能源需求旺盛的中東部地區。天然氣凈化是一個不間斷的生產過程，其關鍵負載在日常運行中對電力連續性的要求極高[1]，斷電可能引發數據丟失、系統崩潰甚至硬件損壞等問題，從而對生產工作帶來嚴重影響[2]。所以，亟需對增強UPS電源的運行控制靈活性，提高運維效率，實現故障的便捷診斷與快速恢復等方面展開研究。

本文以該凈化廠為例，分析UPS電源運行不穩定原因，然后進一步對UPS電源故障處置方法和如何提高UPS電源運維效率進行探討。

1" " UPS電源基本概況

1.1" " UPS電源的作用

不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）內部配置足夠容量的固定型蓄電池組，當市電輸入正常時，它能穩定電壓并同時為內部電池充電[3]；當市電出現中斷或異常（電壓浪涌、瞬態尖峰、諧波干擾、頻率漂移等）時，UPS電源會立即通過逆變器將內部電池儲存的直流電轉換為交流電，主要為電力系統及儀表系統聯動預警裝置、關鍵設備和儀器等重要設備提供連續、無間斷且穩定的電源，從而避免因電力問題導致的數據丟失、硬件損壞和業務中斷。所以，UPS系統的工作穩定性和運行效能直接影響到企業安全生產的平穩進行。

1.2" " UPS維護要點及溫度對蓄電池壽命的影響

UPS設備應保持穩定，避免劇烈震動和沖擊，并遠離導電性、爆炸性塵埃，明顯腐蝕性氣體以及熱源，且UPS室應保持清潔，尤其是UPS設備的表面、散熱風口、風扇及風道[4]。為減少因UPS設備失效而導致UPS系統出現故障的情況發生，在UPS設備的日常使用維護中，應對其進行定期檢查，如監測UPS輸入/輸出參數和電性能指標，觀察蓄電池外觀有無鼓脹漏液，注意其工作溫度和通風散熱情況等。根據維護計劃，定期進行蓄電池放電活化操作，一般每6個月至1年進行一次放電操作，以便評估蓄電池狀態，及時發現并更換性能衰退的蓄電池單元。

1.3" " 導致UPS電源運行不穩定的原因分析

UPS電源主要組件包括整流器、逆變器、靜態開關和控制單元等，主要由電力電子器件構成。與一般的電氣器件相比，可控硅、晶體管、大規模集成電路、IGBT等電力電子器件的壽命較短，因此造成UPS電源故障的概率相對較高，超過一般的電氣設備。

1）輸入電源質量問題及其影響。輸入電源質量是影響UPS穩定性的首要因素。現代電網中的電壓波動、頻率漂移、諧波污染和瞬態脈沖等現象，對UPS的正常工作構成嚴重挑戰。電壓波動可能導致UPS頻繁切換至旁路或電池模式，不僅增加了電池的負擔，還可能引起電壓輸出不穩定。諧波電流會增加UPS逆變器的損耗，降低效率，嚴重時還會導致設備過熱或保護裝置誤動作。此外，雷電沖擊或電壓突變等瞬態事件，雖然發生概率較低，但一旦發生，若防護措施不足，將直接損害UPS內部敏感元件。

2）溫度對UPS電解電容的影響。高溫是導致絕緣老化的直接原因，隨著絕緣材料溫度升高，其氧化速率也會加快，從而加速了絕緣老化過程。UPS的蓄電池在運行溫度20～25 ℃條件下浮充壽命為10年，根據阿侖尼烏斯理論，蓄電池運行溫度越高，壽命越短。當運行溫度超過25 ℃時，每增加10 ℃，密封閥控鉛酸蓄電池的實際使用壽命將縮短約一半。電解電容的故障可能會導致UPS系統不穩定，同時還存在諸如漏液、絕緣擊穿甚至爆炸等安全隱患。因此，在其使用壽命到期之前，必須對整個電解電容進行更換。

3）浮充電壓過高對UPS蓄電池的影響。UPS新的蓄電池投用一般要經過初充電、放電、再充電、浮充電和并入使用等環節，當蓄電池經過一段時間的使用后，會產生一系列問題，如蓄電池內部浮充電壓過高，會使電池內氣體排放的速度加快，導致電池干涸[5]；由于電池缺水，會導致電池容量極速下降。

2" " 凈化廠UPS電源運行狀況

凈化廠自成立至今近10年，其UPS電源設計使用壽命為10年，現已投用9年，UPS電源接近其使用壽命。如今蓄電池老化情況逐步嚴重，近幾年更換已損壞和容量不足的蓄電池數量逐步上升。

2.1" " 無法對UPS實現運行狀態實時監測

凈化廠的UPS設備安裝在10 kV變電所和儀表機柜間，這些區域分布廣泛且無人值守。隨著設備長時間運行，配件部分如電容器板件老化速度較快，蓄電池容量會減小，但運維人員無法實時了解UPS運行狀態和參數的變化，一旦發生故障，只有通過運維工作人員每天一次的巡檢才能發現，然后再進行處置。2023年共發生9次UPS故障，各次故障從發生至處理完畢的時長如圖1所示，經計算，平均恢復正常運行的時長高達10.1 h。故障情況常常因為滯后性問題不能及時發現，因此無法滿足快速處理故障的需求，致使為變電所五防、通信，儀表機柜間DCS等系統供電的可靠性不足，繼而因UPS供電不穩定還增加了電力系統誤動作以及儀表系統聯鎖停機停泵的可能性。

2.2" " UPS不能時刻為負載提供電力保障

當UPS需要更換靜態開關、整體固件升級時，在執行更換、升級操作和維修的過程中[6]，UPS將暫時無法履行其核心功能，即無法為依賴穩定電力供應的關鍵負載提供不間斷的電力保障。此外，因輸出濾波板介于輸出開關QF5、儀表柜QF6開關之間，當輸出濾波板故障時，必須將UPS完全停機才能對其進行更換。UPS原理如圖2所示。

3" " UPS電源改造方法

3.1" " 增加脫機維修旁路

在UPS的儀表柜QF6開關后方增加一個QF7開關，然后從旁路柜的備用開關QF3處連接一根電纜至儀表柜QF7開關處，如圖3所示。此時，當UPS因更換輸出濾波板、更換靜態開關等必須將UPS設備完全退出、停機時，可實現UPS在線脫機檢修。通過增加脫機維修旁路的措施，可滿足為變電所五防、通信，儀表機柜間DCS系統等關鍵負載連續供電的要求。

3.2" " 增加蓄電池在線監測系統

傳統的蓄電池端電壓測量方法是在蓄電池浮充狀態下使用電壓表來測量各個蓄電池的端電壓。對于開口式鉛酸蓄電池，還需要測量其液體比重。然而，在浮充狀態下，端電壓實際上只是化學勢，無法準確反映出容量已極度縮小的蓄電池的當前狀況。因此，僅通過在浮充狀態下測量蓄電池端電壓來判斷其好壞并不可行。蓄電池在線監測系統由收斂模塊（監控主機）、TA模塊（單電池檢測模塊）、TC模塊（電流檢測模塊）以及相應安裝附件組成。收斂模塊配備LCD顯示，并通過RS485接口或網絡端口上傳數據。蓄電池在線監測系統通過設置端口號、IP等，并在機柜內的網口進行映射，同時利用后臺軟件完成配置和調試工作，從而實現通過檢測模塊收集蓄電池單體的電壓、電流等信息，收集到的信息通過收斂模塊的COM5或LAN上傳接口，采用MODBUS/TCP通信協議及RS-485（兩線制）通信模式的有線通信技術，與配電自動化主站進行數據交換。該系統接入電力調度中心的SCADA系統，使得計算機能夠通過網絡或串口與蓄電池監測設備連接，獲取包括單體電池電壓、內阻、溫度以及總電壓、充放電電流、環境溫度在內的數據，如圖4所示。同時，它還能實現對蓄電池單體故障進行報警并定位的功能。

4" " UPS電源改造效果

上述措施的實施，顯著提高了凈化廠UPS供電可靠性，具體改造效果如下：

1）實現了全天候實時監測UPS電池狀態，有助于提前發現潛在故障，同時實現了設備的預防性維護，減少了意外停機時間和維修成本。

2）實現了故障報警，在電池數據異常時能自動觸發聲光報警，方便值班人員及時判斷并采取應急措施。2024年，凈化廠UPS電源共發生4次故障，單次故障的平均處理時長從10.1 h縮短至1.7 h，如圖5所示，極大地減少了故障次數和處理時長。

3）在更換靜態開關、輸出濾波板此類配件時，UPS不再需要停機處置，顯著提升了變電所五防、通信及儀表機柜間DCS等關鍵系統的供電穩定性。

4）實現了數據管理的便利性，UPS電池正常和異常數據會被記錄在服務器中，方便運維人員查看和調用歷史數據。

5" " 結束語

本文以某高含硫天然氣凈化廠為例，針對UPS可靠運行的難點，采取了增設脫機維修旁路與增加蓄電池在線監測系統的雙重優化策略。這兩個優化策略設計簡單、便于施工，且后期維護便利，可為類似場景的公司UPS電源設備故障處理提供參考。

[參考文獻]

[1] 李智勇，蘭志玉，董云江，等.鋼鐵企業不間斷電源（UPS）系統的智能化應用實踐[J].山西冶金，2023，46（11）：184-185.

[2] 李振強.高海拔對城軌交通UPS電源性能的影響研究[J].城市軌道交通，2023（11）：58-60.

[3] 楊鵬.電力調度控制中心高可靠性UPS電源系統設計探討[J].電氣時代，2023（11）：78-82.