袁 波

（三河發(fā)電有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北 三河 065000）

引言

UPS是一種集數(shù)字、模擬、自動(dòng)控制和少維修的電子設(shè)備，可以對(duì)電源進(jìn)行有效的凈化。在電源斷電的情況下，UPS可以將直流系統(tǒng)（蓄電池組）作為后備能源轉(zhuǎn)換為重要負(fù)載所需的交流電源，使得負(fù)載不斷電的持續(xù)工作，同時(shí)也讓用戶有足夠的時(shí)間去處理相關(guān)數(shù)據(jù)和系統(tǒng)交流停電后的工作。工業(yè)級(jí)UPS系統(tǒng)包括工業(yè)級(jí)UPS主機(jī)、旁路柜、直流系統(tǒng)（蓄電池組）和配電柜。在實(shí)際使用中，各種設(shè)備會(huì)因?yàn)槟承┰蚨荒苷９ぷ?，所以，要確保在出現(xiàn)故障的時(shí)候能夠快速找出故障點(diǎn)，深入地剖析故障產(chǎn)生的原因，建立一套科學(xué)的解決方案，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

1 電廠UPS的相關(guān)概述

1.1 工業(yè)級(jí)UPS介紹

UPS是一種利用電池化學(xué)能作為后備能量，在市電斷電等電網(wǎng)故障時(shí)，不間斷地為用戶設(shè)備提供（交流）電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。在電廠中主要向下列負(fù)荷供電：DCS或計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控系統(tǒng)、鍋爐安全監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)字式電液調(diào)節(jié)器、汽輪機(jī)監(jiān)視儀表、汽輪機(jī)旁路系統(tǒng)、電能計(jì)費(fèi)系統(tǒng)以及其他自動(dòng)和保護(hù)裝置等。因此，在電廠中對(duì)UPS的穩(wěn)定性、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性要求較高；同時(shí)，為了適應(yīng)電廠直流系統(tǒng)的特點(diǎn)，其直流輸入通常要求能接入廠用220 V或110 V直流系統(tǒng)。這也就使得工業(yè)級(jí)UPS在電廠中能得到廣泛應(yīng)用。工業(yè)級(jí)UPS主機(jī)主要包括：輸入隔離變壓器、輸出隔離變壓器、整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、逆止二極管（當(dāng)接入廠用直流時(shí)配置）、交（直）流電感、交（直）流電容、控制系統(tǒng)、顯示單元和斷路器等[2]。

1.2 工業(yè)級(jí)UPS供電和常規(guī)管理

工業(yè)級(jí)UPS允許不同的兩路交流電源輸入（一路主路交流電源和一路旁路交流電源），同時(shí)還能接入一路直流（蓄電池）；當(dāng)主路交流電源故障時(shí)，能夠無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)切換到直流（蓄電池）系統(tǒng)供電；當(dāng)UPS因某些故障導(dǎo)致主路不能正常供電時(shí)，它在控制系統(tǒng)的作用下，能夠自動(dòng)切換到旁路交流電源供電，其切換時(shí)間（包括檢測(cè)時(shí)間）一般情況下小于2 ms，這樣也就提高了UPS系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。常規(guī)維護(hù)管理主要有定期檢查外觀、定期進(jìn)行清潔處理、定期檢查連接緊固件、定期檢查過(guò)濾網(wǎng)、定期檢測(cè)電池等，常規(guī)維修管理主要有更換風(fēng)扇、電池和電容等。

1.3 UPS電源系統(tǒng)

在實(shí)際使用中，UPS電源系統(tǒng)除了UPS主機(jī)外，還會(huì)配置有旁路柜、直流系統(tǒng)（蓄電池組）和配電柜，如圖1所示。UPS主機(jī)將主電源通過(guò)整流變換成穩(wěn)定的直流電源，再通過(guò)逆變器將穩(wěn)定的直流電源逆變成滿足負(fù)載要求的、可靠的、高質(zhì)量的交流電源供給負(fù)載。旁路電源也來(lái)自電廠工作段，工作段的電源質(zhì)量有時(shí)也會(huì)超過(guò)負(fù)載的要求。因此，為了保證供電質(zhì)量，在旁路柜中也設(shè)置有隔離變壓器和調(diào)壓穩(wěn)壓器，從而保證UPS主機(jī)旁路電源的輸入電壓在額定值的-5%～+5%可調(diào)范圍內(nèi)[3]。

圖1 1臺(tái)UPS構(gòu)成的UPS電源系統(tǒng)接線圖

在保證供電質(zhì)量的基礎(chǔ)上，還需要考慮設(shè)備需要維修的情況。這種在電廠中使用的UPS系統(tǒng)，一般單體設(shè)備較重、體積較大、拆裝也不方便；因此，在電廠使用的UPS系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有可在線維修模式，包括旁路柜也設(shè)計(jì)了維修模式。這種維修模式，可以保證負(fù)載不斷電，同時(shí)對(duì)UPS系統(tǒng)進(jìn)行維修，維修完成后，還能不斷電將負(fù)載切換到正常供電模式。

1.4 UPS電源系統(tǒng)在電廠的應(yīng)用要求

UPS供電是保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，而UPS電源已成為電廠不可或缺的供電設(shè)備。在發(fā)電廠中，UPS的需求主要有：

1）可靠性要求：因?yàn)殡姀S重要負(fù)荷對(duì)供電的可靠性有很高的要求，因此對(duì)UPS的可靠性和使用壽命要求也很高，對(duì)雷電防護(hù)的要求也較高。

2）負(fù)荷類型：因?yàn)殡姀SDCS負(fù)荷多為單相，單相負(fù)荷分布線路簡(jiǎn)單、維護(hù)方便。所以，大多數(shù)電廠的UPS電源都是以三相輸入/單相輸出的中小功率為主。

3）交流電源的需求：大多數(shù)電廠的廠用電壓波動(dòng)大、諧波電壓大，對(duì)UPS的輸入和輸出有很高的要求，所以在UPS的輸入和輸出端，都要有隔離變壓器和相應(yīng)的濾波電路。

4）旁路需求：靜態(tài)開關(guān)通過(guò)自動(dòng)和手動(dòng)操作，以達(dá)到不中斷的轉(zhuǎn)換。旁路工作方式中，要想改善電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)，就需要采用隔離變壓器和和調(diào)壓穩(wěn)壓器來(lái)消除旁路的干擾。旁路也要定期維護(hù)，在旁路檢修時(shí)，要確保UPS的輸出不中斷。

5）直流（DC）需求：電廠UPS直流系統(tǒng)可以接入自帶蓄電池組，同時(shí)整流器也會(huì)給電池組進(jìn)行充電。在電廠中，UPS的直流輸入電壓一般為220 V或110 V，為了減少投資和延長(zhǎng)后備時(shí)間，通常將廠用直流系統(tǒng)接入U(xiǎn)PS做為UPS的直流輸入。為了減小UPS整流后的直流對(duì)廠用直流系統(tǒng)的影響，通常會(huì)在UPS的直流母線和廠用直流輸入間安裝一個(gè)逆止二極管。

6）通訊需求：隨著電廠自動(dòng)化程序的提高和監(jiān)控系統(tǒng)的完善，要求UPS主機(jī)具備通訊接口，能夠通過(guò)通訊將UPS的狀態(tài)傳送到電廠后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能在UPS出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

2 電廠UPS系統(tǒng)常見故障

一期2×350 MW機(jī)組，選用美國(guó)MAX公司生產(chǎn)的逆變電源，電氣原理單線圖，如圖2所示。在驗(yàn)收和使用初期，能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足有關(guān)技術(shù)指標(biāo)。然而，隨著設(shè)備壽命的增加，逆變電源的供電出現(xiàn)多次故障，目前的逆變電源供電已不能滿足供電的可靠性需要。結(jié)合當(dāng)前設(shè)備狀況，歸納出電廠UPS系統(tǒng)在改造之前存在的不足和故障。

圖2 美國(guó)MAX公司逆變電源電氣原理單線圖

2.1 主機(jī)接入電源方式和運(yùn)行方式不完善

原使用的美國(guó)MAX公司生產(chǎn)的單臺(tái)逆變電源只能接入一路交流電源和一路直流電源，在運(yùn)行方式上可有三種情況：主路直流經(jīng)逆變器逆變輸；旁路交流輸出；檢修模式。這種電源接入方式和現(xiàn)在主流的工業(yè)級(jí)UPS相比較，已不具備優(yōu)勢(shì)；同時(shí)，其運(yùn)行方式也較現(xiàn)在主流的工業(yè)級(jí)UPS少。

2.2 主機(jī)元器件故障率較高

從2000年投運(yùn)到設(shè)備改造的2016年，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)達(dá)16年。由于長(zhǎng)期使用，缺少專業(yè)的定期養(yǎng)護(hù)和維修，隨著電器部件的壽命越來(lái)越短，性能越來(lái)越差，交流信號(hào)的收集和處理能力出現(xiàn)多次問(wèn)題，板件級(jí)別的缺陷增幅明顯。當(dāng)交流信號(hào)發(fā)生不可調(diào)整的偏移時(shí)，不得不更換主要控制板件，由于美國(guó)MAX公司產(chǎn)品的特殊性，專業(yè)級(jí)別的定期養(yǎng)護(hù)、備品備件的采購(gòu)很難及時(shí)到位，UPS的供電可靠性大幅降低，發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)與日俱增。

3 改進(jìn)方案

3.1 對(duì)原逆變電源系統(tǒng)升級(jí)改造

為了解決1號(hào)機(jī)組原使用的美國(guó)MAX公司生產(chǎn)的逆變電源存在的問(wèn)題，于2016年提出了對(duì)原逆變電源系統(tǒng)的升級(jí)改造：保留1號(hào)機(jī)組逆變電源系統(tǒng)原有負(fù)荷配電柜，拆除原有主機(jī)柜與旁路柜，更換為與原逆變電源柜和旁路柜容量一致、電壓等級(jí)一致、供電方式一致、主接線方式一致、滿足電力行業(yè)要求且安全性能可靠的工業(yè)級(jí)UPS并機(jī)系統(tǒng)。

這種并機(jī)系統(tǒng)允許不同的三路交流電源接入，兩路直流電源接入，較美國(guó)MAX公司生產(chǎn)的逆變電源在電源的接入上路數(shù)要多，它的運(yùn)行方式也更加靈活。正常運(yùn)行時(shí)，UPS A和UPS B均能通過(guò)主電源進(jìn)行雙變換后各帶50%負(fù)載；當(dāng)其中1臺(tái)UPS故障退出運(yùn)行時(shí)，可由另一臺(tái)UPS無(wú)擾動(dòng)承擔(dān)100%負(fù)載；當(dāng)其中1臺(tái)UPS主電源故障時(shí)，故障UPS主機(jī)還能切換到直流運(yùn)行模式，而另一臺(tái)UPS主機(jī)依然是雙變換運(yùn)行模式；并機(jī)系統(tǒng)還可以通過(guò)硬件和軟件設(shè)定，實(shí)現(xiàn)拆分成單機(jī)運(yùn)行；當(dāng)UPS主機(jī)故障不能雙變換運(yùn)行時(shí)，還能切換到旁路運(yùn)行模式。

3.2 建立UPS系統(tǒng)定期維護(hù)、檢修制度

UPS系統(tǒng)中大部分器件是半導(dǎo)體器件，是維護(hù)的主要對(duì)象，為了保證最佳的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行定期檢查和保護(hù)性維護(hù)非常必要。根據(jù)用戶手冊(cè)和咨詢生產(chǎn)廠家，整理出月檢和半年檢內(nèi)容。

3.2.1 月檢

檢查內(nèi)容有電池電壓、逆變器輸出電壓、逆變器輸出電流、告警信息和不正常的運(yùn)行狀態(tài)。如果電路板需要調(diào)節(jié)，必須記錄；檢查所有開啟式電池液的液面高度，如果需要可加水；檢查電池內(nèi)阻測(cè)試。

3.2.2 半年檢查

檢查內(nèi)容有：月檢同上；檢查所有的開關(guān)與儀表具有正確的功能；檢查風(fēng)扇運(yùn)行情況；在整流器開機(jī)時(shí)，檢查電池，測(cè)量和記錄每節(jié)電池的電壓，對(duì)于開啟式鉛電池，必須檢查和記錄規(guī)定的比重；檢查電池運(yùn)行（關(guān)斷整流器電源，然后再合上電源）；如果可能，進(jìn)行一次電池容量測(cè)試；檢查所有連接器件連接牢固，裝置上所有螺絲和螺母無(wú)脫落（在無(wú)電壓狀態(tài)系統(tǒng)隔離）；如果發(fā)生嚴(yán)重的污染（灰塵太多），清除系統(tǒng)的灰塵（注意：將手動(dòng)旁路開關(guān)打到旁路位置，然后關(guān)斷整個(gè)系統(tǒng)）；僅用于帶過(guò)濾網(wǎng)的系統(tǒng)；檢查過(guò)濾網(wǎng)是否變臟，如果過(guò)濾網(wǎng)污損嚴(yán)重，必須更換（高度污損的過(guò)濾網(wǎng)，將會(huì)使空氣速度減少，而速度是通風(fēng)所必需的，否則將不會(huì)有足夠的冷卻）；系統(tǒng)涉及的其他檢查。

3.3 落實(shí)UPS系統(tǒng)的開關(guān)機(jī)制度

雖然目前的很多工業(yè)級(jí)UPS都有無(wú)序化開機(jī)設(shè)計(jì)，在無(wú)序化開機(jī)的過(guò)程中雖然不能對(duì)設(shè)備造成直接的損壞，但對(duì)設(shè)備的某些部件還是有一定的沖擊作用，所以在平常的操作過(guò)程中應(yīng)遵循用戶手冊(cè)的操作順序來(lái)進(jìn)行操作。在系統(tǒng)啟動(dòng)期間，要確保各相關(guān)子系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)處于應(yīng)有的工作狀態(tài)，以避免啟動(dòng)瞬間系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)大的電流。

4 結(jié)語(yǔ)

展望今后數(shù)十年，我國(guó)的電力工業(yè)將從高速發(fā)展向平穩(wěn)發(fā)展轉(zhuǎn)變，但電力需求依然保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。今后的能源形勢(shì)要求我們?cè)谏a(chǎn)和管理方面繼續(xù)改進(jìn)和改進(jìn)。UPS供電是電廠中低壓設(shè)備的重要組成部分。因此，今后UPS供電的可靠性和安全性必須持續(xù)改進(jìn)，并持續(xù)改進(jìn)現(xiàn)有UPS的供電品質(zhì)。通過(guò)對(duì)UPS供電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，將最佳的解決方案用于今后的設(shè)備更新。隨著電力設(shè)備的穩(wěn)定需求和新技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，傳統(tǒng)的UPS電源系統(tǒng)的技術(shù)改造，迫切需要節(jié)能和高效并重。