潘海全

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司BDO生產(chǎn)中心，江蘇儀征　211900)

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UPS系統(tǒng)故障分析和處理

潘海全

(中國石化儀征化纖有限責(zé)任公司BDO生產(chǎn)中心，江蘇儀征211900)

UPS即Uninterruptible Power System，中文名不間斷電源，是一種能夠在停電情況下不間斷地向負(fù)載供電的電源裝置。在石油化工裝置中一般作為控制系統(tǒng)的電源，具有廣泛的應(yīng)用。本文通過對UPS運(yùn)行調(diào)試過程中發(fā)生的負(fù)載燒壞故障的分析，論述了如何提高UPS供電可靠性以及如何避免再發(fā)生類似的故障。

UPS故障分析處理

石油化工裝置的控制系統(tǒng)電源通常使用UPS裝置，在發(fā)生低電壓穿越的情況下，UPS裝置能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)不間斷的運(yùn)行。本文根據(jù)一起UPS系統(tǒng)故障，分析UPS系統(tǒng)故障原因，并提出處理此類故障的一般方法。

1　UPS原理及組成

UPS由UPS主機(jī)柜(內(nèi)含整流器、逆變器、電池、靜態(tài)旁路、輸出隔離變壓器、控制模塊等部件)、電池柜、旁路柜組成。其電氣主接線如圖1所示。

圖1　UPS一次系統(tǒng)圖

UPS系統(tǒng)由兩路來自不同母線的交流電源(交流電源1和交流電源2)作為輸入電源，其中電源1作為UPS的主電源，通過整流、逆變、QF101或QF102給負(fù)載供電(下文稱UPS電)。電池接在直流母線上。電源2通過旁路變壓器作為UPS的靜態(tài)旁路電源，又通過QF201做為控制系統(tǒng)市電電源輸出(下文稱市電)，旁路變壓器為△/Y接法，Y側(cè)中性點(diǎn)接地。外置檢修旁路開關(guān)一般在斷開位置。

UPS共有四種運(yùn)行模式，分別為：正常運(yùn)行方式、電池放電運(yùn)行方式、靜態(tài)旁路運(yùn)行方式、維修旁路運(yùn)行方式。

1.1正常運(yùn)行方式

提供給負(fù)載的所有電力都經(jīng)過整流/充電器和逆變器的雙重轉(zhuǎn)換(AC-DC-AC)，雙轉(zhuǎn)換模式因此而得名。整流器/充電器對電池進(jìn)行浮充電以保持電池處于滿充狀態(tài)，如圖2所示。

圖2　正常運(yùn)行方式

1.2電池放電運(yùn)行方式

市電停電或超限時，UPS轉(zhuǎn)為電池放電工作方式：當(dāng)交流輸入電壓超出UPS允許的容限范圍或市電中斷時，逆變器和電池?zé)o間斷地投入，繼續(xù)為負(fù)載供電。UPS將持續(xù)運(yùn)行直到電池放電時間終止，或在市電恢復(fù)正常時回到正常運(yùn)行方式，如圖3所示。

圖3　電池放電運(yùn)行方式

1.3靜態(tài)旁路運(yùn)行方式

當(dāng)停止逆變器時，負(fù)載可以無間斷地切換到旁路交流輸入(根據(jù)安裝方式的不同由市電或后備電源供電),引起旁路運(yùn)行的原因可能是：UPS內(nèi)部故障；負(fù)載電流瞬變電流尖峰(沖擊電流或故障電流)；人為停止逆變器，如圖4所示。

圖4　靜態(tài)旁路運(yùn)行方式

1.4維修旁路運(yùn)行方式

UPS維修時，通過手動的方式將負(fù)載無間斷地切換到靜態(tài)旁路，然后再切換至維修旁路，將UPS的內(nèi)部整流器/充電器、逆變器和靜態(tài)開關(guān)從主電源隔離出來。在不中斷負(fù)載運(yùn)行的情況下對UPS進(jìn)行維護(hù)和維修。電池被其保護(hù)斷路器隔離，如圖5所示。

2　故障過程

某日，擬將UPS所用電源由臨時電源轉(zhuǎn)為正式電源，考慮到控制系統(tǒng)不能全部停電的特殊性，首先將UPS切換為電池放電運(yùn)行的方式，拆除臨時電源電纜，接入正式電源電纜，并且由原先的一路臨時電輸入改為兩路來自不同變壓器的正式電源輸入。UPS一次系統(tǒng)圖如圖6所示。

圖5　維修旁路運(yùn)行方式

圖6　UPS一次系統(tǒng)圖

操作如下，斷開QF11、QF21，UPS轉(zhuǎn)為電池放電運(yùn)行方式，拆除臨時電源電纜，將正式電源的兩根電纜分別接入QF11、QF21的上端，合上QF11、QF21，恢復(fù)充電運(yùn)行方式，接著發(fā)現(xiàn)靜態(tài)旁路指示燈為紅色，顯示屏出現(xiàn)“電源2超限”報警字樣。

操作人員在不清楚報警原因的情況下，決定將UPS帶負(fù)載重啟。操作如下，斷開UPS輸入負(fù)荷開關(guān)Q1，此時UPS進(jìn)入電池放電運(yùn)行方式，斷開靜態(tài)旁路輸入負(fù)荷開關(guān)Q4S，重新合上Q1、Q4S。操作完成后報警仍然存在，同時儀表系統(tǒng)服務(wù)器、數(shù)個電源模塊以及PLC的CPU模塊等損壞，UPS旁路變壓器零排與接地排之間的連接導(dǎo)線外皮有燒糊的痕跡。

3　原因分析

3.1“電源2超限”報警原因

UPS從正常運(yùn)行方式切換到靜態(tài)旁路運(yùn)行時，會出現(xiàn)兩個電源短暫并列，兩個電源的并列必須滿足一系列的條件。根據(jù)廠家對UPS的設(shè)置，我們提取了電源超限參數(shù)表中的數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　電源超限參數(shù)表

由于UPS的電壓輸出設(shè)定為380 V，而靜態(tài)旁路的輸入電壓為419 V，旁路變壓器變比為1∶1，故電壓已經(jīng)超過了設(shè)定值，從而UPS顯示出“電源2超限”。

3.2UPS負(fù)載損壞原因

發(fā)生故障的UPS實(shí)際接線如圖7所示，控制系統(tǒng)負(fù)載的零線接入了UPS輸出零排，但是輸出零排并未接地[1]，而是通過Q5n、Q4S斷路器接入變壓器零排，再與大地連接。

圖7　故障時UPS實(shí)際接線圖

負(fù)載通過交流電源1、Q1開關(guān)供電時，Q4S斷路器斷開以后，零線接地也斷開，當(dāng)負(fù)載三相不平衡，造成中性點(diǎn)電壓位移過大時，造成某相220 V負(fù)載燒毀。

在三相四(五)線制電氣系統(tǒng)中，如圖8所示。

圖8　電氣系統(tǒng)圖

其中線性阻抗Zn≠0。由節(jié)點(diǎn)電壓法可知，電源中性點(diǎn)N和負(fù)荷中性點(diǎn)N′之間中性點(diǎn)的偏移電壓為：

對式(1)進(jìn)行分析可知：

當(dāng)Za=Zb=Zc(即三相負(fù)荷平衡)，無論Zn為何值時，均有U=0,。

所以當(dāng)三相負(fù)載平衡時，零線通過的電流為0，并且三相電壓Ua=Ub=Uc始終是平衡的。

對式(2)分析可知，此時Ua、Ub、Uc的大小取決于各相負(fù)載的阻抗。

在零線斷線時，如果三相負(fù)載平衡，即Za=Zb=Zc時，三相負(fù)載電壓還是維持平衡，如果三相負(fù)載不平衡，即會造成某相電壓升高，某相電壓降低，而電壓升高的那相可能會超過設(shè)備額定使用電壓而造成燒毀，而電壓過低的某相也會造成設(shè)備不能正常工作。

通過以上分析可知在零線斷線的情況下，由于負(fù)載三相不可能完全平衡，因此，負(fù)載大的那相電壓會降低，負(fù)載小的那相電壓會升高。并且負(fù)載電壓的升高取決于三相負(fù)載的不平衡度，不平衡度越高，負(fù)載低的那相電壓會變得越高，從而超過設(shè)備能承受的電壓，造成燒毀事故。

如果負(fù)載通過交流電源2供電，當(dāng)零線在Q4S處發(fā)生斷線，則同樣也會燒毀負(fù)載。原理分析如圖9。

圖9是根據(jù)UPS原理圖畫出的等效TN-S系統(tǒng)圖，將DCS控制系統(tǒng)負(fù)載等效為負(fù)載1和負(fù)載2，當(dāng)斷開Q4S開關(guān)以后，h m之間的公共零線斷開，而負(fù)載1和負(fù)載2原先為220 V單獨(dú)供電回路，在零線斷開后，負(fù)載1和負(fù)載2轉(zhuǎn)變?yōu)榇?lián)接在B相和C相380 V電源下，如圖中s k之間，根據(jù)分壓原理，阻抗大的負(fù)載分壓大，當(dāng)分壓超過負(fù)載承受能力時，負(fù)載燒壞。

圖9　零線斷線損壞負(fù)載分析原理圖

4　處理辦法

4.1更改輸出零線的接線

DCS負(fù)載的零線應(yīng)直接和大地連接，不經(jīng)過斷路器或保險。此次零線接法錯誤是故障發(fā)生的根本原因，因此，應(yīng)將輸出零線分別接在零排上并和大地相連，如圖10所示。

圖10　改進(jìn)后的UPS系統(tǒng)圖

4.2編制與現(xiàn)場實(shí)際相符的UPS系統(tǒng)圖

由于UPS實(shí)際接線與圖紙出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致操作人員的判斷錯誤也是導(dǎo)致故障發(fā)生的原因之一，因此故障發(fā)生后，技術(shù)員根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況變更了最新版的UPS系統(tǒng)圖，如圖10所示，杜絕因圖紙不吻合造成的錯誤判斷。其中圖1是設(shè)計(jì)院出具的竣工圖紙，也有錯誤，故最終的UPS系統(tǒng)圖以圖10為準(zhǔn)。

4.3加強(qiáng)操作人員的培訓(xùn)，編制UPS倒閘標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)票

此次故障中，由于操作人員對UPS的不熟悉，在無法判斷“電源2超限”含義的情況下，私自操作則是本次故障的直接原因。因此應(yīng)聯(lián)系UPS廠家對其進(jìn)行深入培訓(xùn)，對UPS的原理和邏輯進(jìn)行深入剖析，讓操作人員能夠懂原理，知其所以然。在加強(qiáng)培訓(xùn)的同時，應(yīng)編制相應(yīng)的UPS倒閘標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)票，使得UPS的操作制度化、規(guī)范化。

4.4加強(qiáng)日常的巡檢和維護(hù)

對UPS系統(tǒng)上的各個接頭定期開展紅外測溫作業(yè)，防止接頭接觸不良燒毀導(dǎo)致斷線，產(chǎn)生類似故障。同時注意接頭的連接質(zhì)量，防止其表面因氧化腐蝕而不導(dǎo)電。

零線斷線燒毀設(shè)備的故障有其隱蔽性，因?yàn)椤皵嗔恪焙螅谌嘭?fù)載近似平衡的情況下，沒有明顯的外部現(xiàn)象可以判斷此時零線斷線，只有等到負(fù)載不平衡設(shè)備燒毀造成生產(chǎn)波動時才會查明原因，發(fā)現(xiàn)是由于零線斷線所致。

因此，在安裝以及調(diào)試的前期必須要搞清楚系統(tǒng)的組成、原理、結(jié)構(gòu)，日后維護(hù)時才能降低故障的發(fā)生概率。

5　結(jié)束語

UPS系統(tǒng)作為化工裝置控制系統(tǒng)的電源，不僅具有廣泛的應(yīng)用，同時對化工裝置的安全生產(chǎn)穩(wěn)定具有重要的作用。在TN系統(tǒng)中，220 V負(fù)載的零線及其接地至關(guān)重要，如果在運(yùn)行過程中因任何原因發(fā)生零線斷裂或失地故障，負(fù)載可能因承受過電壓，從而造成故障的發(fā)生。本次故障發(fā)生后，通過仔細(xì)的分析甄別，確定了原因。由于Q4S的斷開，負(fù)載公共零線接地?cái)嚅_，使負(fù)載燒毀。加強(qiáng)了對操作人員的培訓(xùn)，編制了UPS刀閘標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)票，加強(qiáng)UPS零線接線柱和接地的巡檢和定期開展紅外測溫，保證了UPS的穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]倪娟，張建霞．三相四線制低壓系統(tǒng)中零線完好性的作用[J]．煤，2011，20(10)：63-65．

Analysis and processing the malfunction of the UPS system

Pan Haiquan

(BDOProductionCenterofSinopecYizhengChemicalFibreL.L.C.,YizhengJiangsu211900,China)

UPS is a uninterruptible power system,which can uninterruptedly supply power to the load in case of the power system failure. Generally speaking, UPS is widely used in the power of the control system in the petrochemical installations. We analyzed the burning malfunction that happened during the UPS debugging. And also we discussed how to improve the reliability of the UPS power and how to avoid the same malfunctions.

uninterruptible power system; failure; analysis; manage

2016-08-17

潘海全(1988-)，江蘇儀征人，助理工程師，主要從事化工廠電氣安裝和維護(hù)工作。

TH17

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1006-334X(2016)03-0038-05