王海濤，墻新奇

（新疆八一鋼鐵股份有限公司能源中心）

1 概述

八鋼工業(yè)用水和周邊居民生活用水的生產(chǎn)及供應(yīng)均由能源中心負(fù)責(zé)管理。居民生活用水則由位于生活區(qū)域內(nèi)的10口深井，通過(guò)深井泵將地下350m的地下水提升至地面，并經(jīng)管道輸送至中心泵房蓄水池。八鋼居民區(qū)生活用水加壓及輸送中心泵房配套加壓設(shè)施為12臺(tái)加壓泵，通過(guò)管網(wǎng)將蓄水池內(nèi)的井水經(jīng)管道加壓輸送至各居民家中。由于八鋼居民區(qū)南高北低的地勢(shì)原因，相應(yīng)的供水壓力也隨之不同。12臺(tái)加壓泵分為南、北區(qū)兩個(gè)泵組，按照不同的壓力進(jìn)行供水。南、北區(qū)泵組各有一臺(tái)水泵電機(jī)由變頻器控制，通過(guò)南、北區(qū)的管道壓力變化來(lái)快速調(diào)節(jié)水泵流量與管網(wǎng)壓力，以滿足高樓層居民的供水需求，其余10臺(tái)水泵電機(jī)為工頻電機(jī)。

2019年11月12日點(diǎn)檢員在對(duì)中心泵房變頻泵控制電源檢查的過(guò)程中，發(fā)生了南區(qū)、北區(qū)加壓泵同時(shí)停泵，導(dǎo)致生活區(qū)斷水事故。文章介紹了針對(duì)此次事故原因的查找、分析和處理經(jīng)過(guò)，為同類事故的判斷與處理提供參考。

2 事故經(jīng)過(guò)

2019年11月12日中心泵房南、北區(qū)加壓泵組中6#、7#變 頻泵停機(jī)報(bào)故障，此時(shí)由于5#、8#、9#、10#工頻泵運(yùn)行，生活區(qū)供水正常。點(diǎn)檢員通過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)變頻器因運(yùn)行信號(hào)丟失后停機(jī)，判斷是UPS電源故障導(dǎo)致外部信號(hào)丟失，從而造成的變頻器停機(jī)。于是對(duì)UPS裝置進(jìn)行重啟，導(dǎo)致南、北區(qū)加壓泵組5#、8#、9#、10#工頻泵全部跳機(jī)，生活區(qū)斷水。事故發(fā)生后經(jīng)運(yùn)行人員緊急啟動(dòng)加壓泵的運(yùn)行，及時(shí)恢復(fù)了生活區(qū)供水。

事后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行了排查，兩臺(tái)變頻泵跳機(jī)是由于信號(hào)回路導(dǎo)線絕緣損壞所致，對(duì)破損點(diǎn)進(jìn)行處理后，變頻泵恢復(fù)正常。而檢查工頻泵并未發(fā)現(xiàn)有明顯異常點(diǎn)，事發(fā)過(guò)程中也沒(méi)有出現(xiàn)電氣短路，確認(rèn)是在按壓UPS裝置的開(kāi)機(jī)/消音鍵時(shí)，發(fā)生了4臺(tái)工頻泵跳機(jī)的故障。

中心泵房有12臺(tái)加壓泵電機(jī)及閥門(mén)，是由配電室內(nèi)的一面PLC柜進(jìn)行控制，柜內(nèi)配置一套西門(mén)子S7-300系列的PLC、一臺(tái)艾默生UHA1R系列UPS作為供電電源，PLC模塊由柜內(nèi)DC 24V電源裝置供電，部分DI、DO模塊由UPS輸出的AC220V供電。在排除外部供電電源導(dǎo)致的停泵因素后，初步判定為UPS裝置故障導(dǎo)致PLC部分模塊短時(shí)失電引起的跳泵。為核實(shí)造成UPS輸出電壓異常的具體部件，利用夜間對(duì)居民供水影響最小的時(shí)機(jī)，通過(guò)模擬驗(yàn)證來(lái)查找損壞的部件。

3 原因查找及分析處理

3.1 UPS的檢查與分析

3.1.1 UPS功能簡(jiǎn)介

艾默生UHA1R系列UPS 由市電輸入、輸入輸出濾波器、整流/PFC、DC/DC升壓、逆變器、旁路、內(nèi)置充電器、電池輸入和UPS輸出等功能模塊組成。電源正常時(shí)，閉合主供及旁路電源空開(kāi)，UPS上電。在UPS開(kāi)機(jī)前，輸出電壓為零，開(kāi)機(jī)后市電經(jīng)過(guò)整流模塊后輸出直流給逆變模塊，輸出正弦波交流電供負(fù)載。主電異常時(shí)，電池電壓經(jīng)逆變輸出交流電供負(fù)載。主電恢復(fù)后，UPS自動(dòng)從電池模式切換回市電模式。UPS工作原理如圖1所標(biāo)。

圖1 UPS工作原理示意圖

UPS前面板分別有故障、交流輸入、電源、逆變、旁路指示燈與2個(gè)功能操作鍵，指示燈對(duì)運(yùn)行狀態(tài)與故障報(bào)警起到指示的作用，2個(gè)功能操作鍵為開(kāi)機(jī)/消音鍵和關(guān)機(jī)鍵。各操作鍵的功能說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 UPS面板操作鍵功能說(shuō)明

3.1.2 UPS功能切換輸出電壓分析

為準(zhǔn)確分析UPS輸出電源的情況，采用橫河DL750示波記錄儀對(duì)UPS輸出電壓波形進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采樣。通過(guò)對(duì)UPS進(jìn)行不同模擬操作，同步對(duì)UPS輸出電壓進(jìn)行采樣，進(jìn)行了分析：

（1）UPS在正常整流逆變狀態(tài)時(shí)，斷開(kāi)供電電源，UPS正常切換至電池供電狀態(tài)，電池和逆變指示燈亮，并有3秒一次的告警聲；當(dāng)恢復(fù)電源供電后，UPS自動(dòng)從電池供電模式切換回市電逆變供電模式，輸入和逆變指示燈亮。此切換過(guò)程中輸出電壓波形無(wú)變化，同時(shí)PLC與水泵運(yùn)行正常。

（2）UPS在正常整流逆變狀態(tài)時(shí)按關(guān)機(jī)鍵1s時(shí)，輸出由逆變轉(zhuǎn)旁路供電，輸入和旁路指示燈亮；當(dāng)按下開(kāi)機(jī)/消音鍵1s時(shí)，能自動(dòng)從旁路切換回市電供電模式，輸入和逆變指示燈亮；UPS在此切換過(guò)程中會(huì)有≤1ms的電壓波動(dòng)，切換過(guò)程電壓輸出波形見(jiàn)圖2，此時(shí)PLC、水泵無(wú)任何異常情況，穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）UPS在旁路供電模式下，按關(guān)機(jī)鍵10s后，UPS無(wú)輸出電壓，此時(shí)PLC斷電、水泵跳停；同時(shí)PLC遠(yuǎn)程上位機(jī)報(bào)通訊故障，所有數(shù)據(jù)拉直線。而當(dāng)天故障時(shí)PLC并未報(bào)通訊故障，上位機(jī)可以正常顯示各類數(shù)據(jù)，因此可排除這種操作導(dǎo)致的水泵跳停。

圖2 UPS逆變切旁路輸出電壓波形圖

（4）UPS在正常整流逆變狀態(tài)時(shí)按開(kāi)機(jī)/消音鍵4s，電池自檢模式啟動(dòng)，此時(shí)正常運(yùn)行的工頻水泵跳停，變頻泵運(yùn)行正常。此現(xiàn)象與故障時(shí)的情況較為相似，但錄波器顯示的UPS輸出電壓波形僅幅值有很小變化，波形見(jiàn)圖3，無(wú)其他任何異常，此波形不該導(dǎo)致水泵跳停故障的發(fā)生。

圖3 UPS電池自檢時(shí)輸出電壓波形圖

3.2 PLC控制模塊與回路原因查找與分析

經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試結(jié)果與波形分析，否定了前期判斷UPS故障導(dǎo)致的輸出電壓異常，造成水泵跳機(jī)的結(jié)論，需進(jìn)一步查找以確定故障的真正原因。

3.2.1 PLC控制模塊原因查找

再次將UPS手動(dòng)切換至電池自檢模式，發(fā)現(xiàn)PLC柜內(nèi)電源模塊、CPU模塊、通訊模塊、AI模塊、AO模塊、DO模塊和DI03、DI04模塊指示正常，DI01、DI02模塊狀態(tài)燈熄滅；當(dāng)18s后UPS電池自檢結(jié)束時(shí)，DI01、DI02模塊狀態(tài)燈恢復(fù)正常。

在電池自檢前后對(duì)Q24空開(kāi)（DI01、DI02模塊供電開(kāi)關(guān)）的上、下端電壓進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示Q24空開(kāi)輸入、輸出電壓正常；對(duì)DI01、DI02模塊上的輸入電壓進(jìn)行了測(cè)試，模塊上輸入電壓出現(xiàn)異常。當(dāng)電池自檢時(shí)降為110V，自檢結(jié)束后恢復(fù)正常，檢測(cè)電壓波形見(jiàn)圖4。

圖4 電池自檢時(shí)DI01、DI02模塊輸入電壓波形圖

經(jīng)上述測(cè)試判斷DI01、DI02模塊在UPS手動(dòng)電池自檢時(shí)，由于外部接點(diǎn)輸入電壓降為110V，模塊內(nèi)部檢測(cè)電路認(rèn)為外部輸入接點(diǎn)分開(kāi)，PLC根據(jù)程序聯(lián)鎖跳機(jī)，模塊外部回路配電系統(tǒng)原理見(jiàn)圖5。通過(guò)上述測(cè)試可以判定，PLC系統(tǒng)及DI01、DI02模塊正常，工頻泵跳機(jī)不是由模塊故障造成。

圖5 DI01、DI02模塊配電系統(tǒng)原理圖

3.2.2 PLC控制回路原因查找

通過(guò)對(duì)PLC柜圖紙查看，工頻泵電機(jī)的自動(dòng)、運(yùn)行信號(hào)全部接入DI01、DI02模塊，電源由UPS輸出經(jīng)Q24空開(kāi)供電，而變頻泵電機(jī)的自動(dòng)、運(yùn)行信號(hào)則接入DI03、DI04模塊，電源由柜內(nèi)24V直流電源經(jīng)Q42空開(kāi)供電。在對(duì)Q24空開(kāi)接線檢查后發(fā)現(xiàn)，DI01、DI02模塊與Q24空開(kāi)的電源接線與其他模塊Q23、Q25空開(kāi)接線不同，通過(guò)對(duì)其接線進(jìn)一步檢查中發(fā)現(xiàn)，造成的跳泵事故的真實(shí)原因是由于UPS接地與Q24空開(kāi)接線的錯(cuò)誤造成，現(xiàn)場(chǎng)UPS接地與Q24空開(kāi)實(shí)際接線見(jiàn)圖6。

圖6 UPS原理與輸入、輸出外部接線錯(cuò)誤的簡(jiǎn)圖

當(dāng)UPS手動(dòng)電池自檢時(shí)K閉合，內(nèi)部檢測(cè)電路通過(guò)K1、K2的接通，來(lái)測(cè)量電池正、負(fù)極對(duì)地的相關(guān)參數(shù)，判斷電池組是否正常。UPS電池檢測(cè)電路中a處的接地點(diǎn)，直接與PLC柜內(nèi)的接地母排連接，UPS外殼與輸出N2也接于PLC柜內(nèi)的接地母排，而此接地母排實(shí)際并未與系統(tǒng)接地PE母線連接，成為等電位母線。從圖6可以看出，由于接線錯(cuò)誤，當(dāng)UPS電池自檢時(shí)致使a點(diǎn)的+110V直流電壓，疊加在PLC柜內(nèi)的等電位母線b點(diǎn)；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量N2在電池手動(dòng)檢測(cè)時(shí)對(duì)系統(tǒng)接地確有110V電壓，檢測(cè)結(jié)束時(shí)對(duì)系統(tǒng)接地電壓降為2～3V。同時(shí)又因?yàn)镼24空開(kāi)L線引自系統(tǒng)L1，致使Q24空開(kāi)輸出的L1與N2之間的交流電壓降為110V。造成接入DI01、DI02模塊的10臺(tái)工頻泵運(yùn)行信號(hào)通道的電壓降低為110V，導(dǎo)致模塊的DI檢測(cè)電路不能正常工作，錯(cuò)誤地認(rèn)為工頻泵外部運(yùn)行信號(hào)丟失，PLC程序聯(lián)鎖保護(hù)跳機(jī)；而2臺(tái)變頻泵運(yùn)行信號(hào)分別接入24V直流供電的DI03、DI04模塊，電池自檢時(shí)電壓并無(wú)降低，因此運(yùn)行正常。

3.3 故障的處理

在現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)接線錯(cuò)誤的DI01、DI02模塊電源進(jìn)行了整改，由于現(xiàn)場(chǎng)工頻泵就地信號(hào)的相線L，分別引至本電機(jī)控制柜內(nèi)B相電源母線上，如將此線全部接入PLC柜內(nèi)的Q24開(kāi)關(guān)后L端子，短時(shí)無(wú)法逐一排查確認(rèn)。為快速處理存在的隱患，于是由電源側(cè)零線母排上單獨(dú)引入一根零線，接入Q24開(kāi)關(guān)的輸入的零線N端子，將UPS接入Q24開(kāi)關(guān)的零線N2斷開(kāi)，并測(cè)量?jī)筛憔€N1之間電壓為0V后，恢復(fù)DI01、DI02模塊供電。隨后對(duì)UPS再次進(jìn)行了手動(dòng)電池檢測(cè)的操作，PLC與水泵全部運(yùn)行正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

事故的過(guò)程和現(xiàn)象十分具有迷惑性，易誤判，而事故的真相卻十分簡(jiǎn)單——由于施工過(guò)程未按照設(shè)計(jì)圖紙施工造成此接線錯(cuò)誤導(dǎo)致的。這類問(wèn)題在交工后的日常運(yùn)行時(shí)很難發(fā)現(xiàn)，給故障判斷與查找增加了難度。此次事故教訓(xùn)說(shuō)明，在施工中必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行施工，如現(xiàn)場(chǎng)變更一定要經(jīng)設(shè)計(jì)與使用方進(jìn)行充分論證，在交工圖紙中要標(biāo)明。在此次故障查找過(guò)程，故障模擬重現(xiàn)是重要的方法，同時(shí)示波記錄儀對(duì)故障分析也起到了關(guān)鍵的作用。