UPS系统故障分析和处理

潘海全

(中国石化仪征化纤有限责任公司BDO生产中心，江苏仪征　211900)



UPS系统故障分析和处理

潘海全

(中国石化仪征化纤有限责任公司BDO生产中心，江苏仪征211900)

UPS即Uninterruptible Power System，中文名不间断电源，是一种能够在停电情况下不间断地向负载供电的电源装置。在石油化工装置中一般作为控制系统的电源，具有广泛的应用。本文通过对UPS运行调试过程中发生的负载烧坏故障的分析，论述了如何提高UPS供电可靠性以及如何避免再发生类似的故障。

UPS故障分析处理

石油化工装置的控制系统电源通常使用UPS装置，在发生低电压穿越的情况下，UPS装置能实现控制系统不间断的运行。本文根据一起UPS系统故障，分析UPS系统故障原因，并提出处理此类故障的一般方法。

1　UPS原理及组成

UPS由UPS主机柜(内含整流器、逆变器、电池、静态旁路、输出隔离变压器、控制模块等部件)、电池柜、旁路柜组成。其电气主接线如图1所示。

图1　UPS一次系统图

UPS系统由两路来自不同母线的交流电源(交流电源1和交流电源2)作为输入电源，其中电源1作为UPS的主电源，通过整流、逆变、QF101或QF102给负载供电(下文称UPS电)。电池接在直流母线上。电源2通过旁路变压器作为UPS的静态旁路电源，又通过QF201做为控制系统市电电源输出(下文称市电)，旁路变压器为△/Y接法，Y侧中性点接地。外置检修旁路开关一般在断开位置。

UPS共有四种运行模式，分别为：正常运行方式、电池放电运行方式、静态旁路运行方式、维修旁路运行方式。

1.1正常运行方式

提供给负载的所有电力都经过整流/充电器和逆变器的双重转换(AC-DC-AC)，双转换模式因此而得名。整流器/充电器对电池进行浮充电以保持电池处于满充状态，如图2所示。

图2　正常运行方式

1.2电池放电运行方式

市电停电或超限时，UPS转为电池放电工作方式：当交流输入电压超出UPS允许的容限范围或市电中断时，逆变器和电池无间断地投入，继续为负载供电。UPS将持续运行直到电池放电时间终止，或在市电恢复正常时回到正常运行方式，如图3所示。

图3　电池放电运行方式

1.3静态旁路运行方式

当停止逆变器时，负载可以无间断地切换到旁路交流输入(根据安装方式的不同由市电或后备电源供电),引起旁路运行的原因可能是：UPS内部故障；负载电流瞬变电流尖峰(冲击电流或故障电流)；人为停止逆变器，如图4所示。

图4　静态旁路运行方式

1.4维修旁路运行方式

UPS维修时，通过手动的方式将负载无间断地切换到静态旁路，然后再切换至维修旁路，将UPS的内部整流器/充电器、逆变器和静态开关从主电源隔离出来。在不中断负载运行的情况下对UPS进行维护和维修。电池被其保护断路器隔离，如图5所示。

2　故障过程

某日，拟将UPS所用电源由临时电源转为正式电源，考虑到控制系统不能全部停电的特殊性，首先将UPS切换为电池放电运行的方式，拆除临时电源电缆，接入正式电源电缆，并且由原先的一路临时电输入改为两路来自不同变压器的正式电源输入。UPS一次系统图如图6所示。

图5　维修旁路运行方式

图6　UPS一次系统图

操作如下，断开QF11、QF21，UPS转为电池放电运行方式，拆除临时电源电缆，将正式电源的两根电缆分别接入QF11、QF21的上端，合上QF11、QF21，恢复充电运行方式，接着发现静态旁路指示灯为红色，显示屏出现“电源2超限”报警字样。

操作人员在不清楚报警原因的情况下，决定将UPS带负载重启。操作如下，断开UPS输入负荷开关Q1，此时UPS进入电池放电运行方式，断开静态旁路输入负荷开关Q4S，重新合上Q1、Q4S。操作完成后报警仍然存在，同时仪表系统服务器、数个电源模块以及PLC的CPU模块等损坏，UPS旁路变压器零排与接地排之间的连接导线外皮有烧糊的痕迹。

3　原因分析

3.1“电源2超限”报警原因

UPS从正常运行方式切换到静态旁路运行时，会出现两个电源短暂并列，两个电源的并列必须满足一系列的条件。根据厂家对UPS的设置，我们提取了电源超限参数表中的数据，如表1所示。

表1　电源超限参数表

由于UPS的电压输出设定为380 V，而静态旁路的输入电压为419 V，旁路变压器变比为1∶1，故电压已经超过了设定值，从而UPS显示出“电源2超限”。

3.2UPS负载损坏原因

发生故障的UPS实际接线如图7所示，控制系统负载的零线接入了UPS输出零排，但是输出零排并未接地[1]，而是通过Q5n、Q4S断路器接入变压器零排，再与大地连接。

图7　故障时UPS实际接线图

负载通过交流电源1、Q1开关供电时，Q4S断路器断开以后，零线接地也断开，当负载三相不平衡，造成中性点电压位移过大时，造成某相220 V负载烧毁。

在三相四(五)线制电气系统中，如图8所示。

图8　电气系统图

其中线性阻抗Zn≠0。由节点电压法可知，电源中性点N和负荷中性点N′之间中性点的偏移电压为：

对式(1)进行分析可知：

当Za=Zb=Zc(即三相负荷平衡)，无论Zn为何值时，均有U=0,。

所以当三相负载平衡时，零线通过的电流为0，并且三相电压Ua=Ub=Uc始终是平衡的。

对式(2)分析可知，此时Ua、Ub、Uc的大小取决于各相负载的阻抗。

在零线断线时，如果三相负载平衡，即Za=Zb=Zc时，三相负载电压还是维持平衡，如果三相负载不平衡，即会造成某相电压升高，某相电压降低，而电压升高的那相可能会超过设备额定使用电压而造成烧毁，而电压过低的某相也会造成设备不能正常工作。

通过以上分析可知在零线断线的情况下，由于负载三相不可能完全平衡，因此，负载大的那相电压会降低，负载小的那相电压会升高。并且负载电压的升高取决于三相负载的不平衡度，不平衡度越高，负载低的那相电压会变得越高，从而超过设备能承受的电压，造成烧毁事故。

如果负载通过交流电源2供电，当零线在Q4S处发生断线，则同样也会烧毁负载。原理分析如图9。

图9是根据UPS原理图画出的等效TN-S系统图，将DCS控制系统负载等效为负载1和负载2，当断开Q4S开关以后，h m之间的公共零线断开，而负载1和负载2原先为220 V单独供电回路，在零线断开后，负载1和负载2转变为串联接在B相和C相380 V电源下，如图中s k之间，根据分压原理，阻抗大的负载分压大，当分压超过负载承受能力时，负载烧坏。

图9　零线断线损坏负载分析原理图

4　处理办法

4.1更改输出零线的接线

DCS负载的零线应直接和大地连接，不经过断路器或保险。此次零线接法错误是故障发生的根本原因，因此，应将输出零线分别接在零排上并和大地相连，如图10所示。

图10　改进后的UPS系统图

4.2编制与现场实际相符的UPS系统图

由于UPS实际接线与图纸出现偏差，导致操作人员的判断错误也是导致故障发生的原因之一，因此故障发生后，技术员根据现场的实际情况变更了最新版的UPS系统图，如图10所示，杜绝因图纸不吻合造成的错误判断。其中图1是设计院出具的竣工图纸，也有错误，故最终的UPS系统图以图10为准。

4.3加强操作人员的培训，编制UPS倒闸标准作业票

此次故障中，由于操作人员对UPS的不熟悉，在无法判断“电源2超限”含义的情况下，私自操作则是本次故障的直接原因。因此应联系UPS厂家对其进行深入培训，对UPS的原理和逻辑进行深入剖析，让操作人员能够懂原理，知其所以然。在加强培训的同时，应编制相应的UPS倒闸标准作业票，使得UPS的操作制度化、规范化。

4.4加强日常的巡检和维护

对UPS系统上的各个接头定期开展红外测温作业，防止接头接触不良烧毁导致断线，产生类似故障。同时注意接头的连接质量，防止其表面因氧化腐蚀而不导电。

零线断线烧毁设备的故障有其隐蔽性，因为“断零”后，在三相负载近似平衡的情况下，没有明显的外部现象可以判断此时零线断线，只有等到负载不平衡设备烧毁造成生产波动时才会查明原因，发现是由于零线断线所致。

因此，在安装以及调试的前期必须要搞清楚系统的组成、原理、结构，日后维护时才能降低故障的发生概率。

5　结束语

UPS系统作为化工装置控制系统的电源，不仅具有广泛的应用，同时对化工装置的安全生产稳定具有重要的作用。在TN系统中，220 V负载的零线及其接地至关重要，如果在运行过程中因任何原因发生零线断裂或失地故障，负载可能因承受过电压，从而造成故障的发生。本次故障发生后，通过仔细的分析甄别，确定了原因。由于Q4S的断开，负载公共零线接地断开，使负载烧毁。加强了对操作人员的培训，编制了UPS刀闸标准作业票，加强UPS零线接线柱和接地的巡检和定期开展红外测温，保证了UPS的稳定运行。

[1]倪娟，张建霞．三相四线制低压系统中零线完好性的作用[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-)，江苏仪征人，助理工程师，主要从事化工厂电气安装和维护工作。

TH17

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