UPS电池连接错误导致通信故障的案例分析

张永红，史彬哲

（中国联通甘肃省分公司，甘肃 兰州 730000）

1 案例描述

2019年*月*日，某通信运营商地市级枢纽楼因主供线路停电，备用电源自动投入装置（BZT）动作不成功导致备供电源未及时投入，后备的柴油发电机组尚未启动，因UPS配套的电池组无法正常放电，导致下挂的部分重要大客户设备停电。经当地维护人员现场手动处理，19 min后恢复供电，大客户通信业务随后逐步恢复。

2 电源系统基本配置

本次故障涉及的设备具体配置见图1。

（1）UPS：2×200 kVA，按照2N方式布置；

（2）蓄电池：150 Ah/12 V，每组电池为40节，每台UPS连接2组并联的电池组，合计4组160节；

（3）备用电源自动投入装置（BZT）：安装在3 Ah号高压柜（分段开关），功能正常；

（4）油机：380 kVA，304 kW，能正常启动，未配置ATS。

3 故障现象及过程

2019年*月*日15:03分，**公司接到上级监控中心的电话通知，告知当地核心机房15:01分停电。因该机房有两路市电，监控通知停电意味着BZT动作不成功或者备供线路同时停电。该机房后备油机不具备自动启动、自动切换的功能，按照应急预案维护人员紧急赶赴机房准备手动发电。15:19分维护人员赶到现场发现10 kV备供正常，立即手动切换至备供线路，核心机房恢复供电，停电历时19 min。

图1 电源系统配置示意图

经核对，这次故障导致通信业务受到严重影响。在15:01分停电后，紧接着于15:02分，当地十分重要的IDC业务中断。IDC业务都经由UPS供电，UPS电池放电不到1 min。初步判定UPS系统故障，导致市电停电后通信业务直接中断。

4 故障的原因分析

本次故障有两个值得深思的问题。一是市电停电本来是正常现象，为提高供电可靠性，一般都配置BZT装置。对于双路供电的核心机房配电室，一般情况下当主供线路停电后，BZT动作，自动投切，备用线路为核心机房供电，且切换时间较短。二是IDC机房配置了足够容量的UPS系统，且按照规范要求，UPS配套的电池后备时长必须在30 min以上[1]。而本次故障中UPS放电时长却不到1 s，显然UPS供电系统工作不正常。

经核查故障期间的UPS历史告警记录发现，2019年*月*日，UPS系统先后发出：（1）次要告警，15:00:18旁路电压异常；（2）次要告警，15:00:19电池逆变供电；（3）次要告警，15:00:23主路电压异常；（4）紧急告警，15:01:14电池放电终止；（5）次要告警，15:01:16输出禁止；（6）提示，15:01:16均不供电等6个告警，UPS维护界面显示“次要告警：SOH电池容量异常”。据此判断，该UPS电池状态异常，在本次停电中仅放电55 s后终止。

经测量电池单体电压，每组40节电池的单体电压基本落在两个区域：21节落在区间一12.87～12.91 V；19节落在区间二14.18～14.22 V，且4组电池结果基本一致。测量结果见表1。

电池的单体电压分布区间见图2。根据图2中测得的电池单体电压，显见整组40节电池性能呈“台阶式”分成两段，初步判断电池中性线接错。因为正常状态下因制造工艺的限制，每节电池之间必然存在性能的细小差异[2]，单体电压也在一个偏差范围内波动，但是绝对不可能有约1.3 V的台阶差。

按照UPS主机厂家的系统设备安装指导书所示（见图3），电池中性线按照规范应该有两根电缆，分别从第20节的负桩头、第21节的正桩头引接至BCB的N端口。但是，现场施工时经常为节省线缆材料仅用一根电缆，而是将第20、21节电池同向串联，然后将电池中性线直连在第20节负桩头或者第21节的正桩头（该两个桩头为等电位点）。本次故障现场，因施工人员疏忽大意，将中性线错误地连接在第20节电池的正桩头，导致“中性线没有接在中性点”。

按照该电池产品手册中规定的充放电参数[3]：25 ℃条件下浮充电压13.50～13.80 V，均充电压14.10～14.40 V，UPS按照电池参数设置的单边20节电池充电电压13.5 V×20=270 V。当如图3所示电池连接错误时，单边的19节的电池每一节承受的电压为270 V/19=14.2 V，大于浮充电压的上限13.80 V，处于均充电压14.10～14.40 V区间，即本组的19节电池从UPS开机至今一直处于过压充电状态，电池已经严重损毁。而单边为21节的电池的浮充电压为270 V/21=12.9 V，小于浮充电压13.5 V，即21节电池一直处于欠压充电状态。综上原因，该UPS系统安装开通后至今一年多，电池性能已经严重劣化。

表1 每组40节电池的单体电压

本次市电停电后，因为UPS电池部分性能劣化，导致整组无法承载后备供电的功能，放电时间不到1 min。后续的市电倒闸、油机启动等操作，因自身固有的延时（BZT充电时间15 s、保护延时、合闸时间等）[4]都已经无法保证系统不掉电。

图2 电池的单体电压分布区间

本次故障中的10 kV分段开关BZT动作不成功，是一种常见的电磁现象，原因是冷备用的变压器在空载合闸时很容易受剩磁的影响发生“励磁涌流”现象，而变压器的保护装置会把远远大于正常电流的“励磁涌流”当作过负荷电流甚至是短路电流予以切除。一般的操作是手动重复操作，总会有一次躲过励磁涌流后即可投入成功。

5 讨 论

重要的通信枢纽机房、数据中心、IDC机房等，最大程度提高供电系统的可靠性是根本的目标。为此，在建设初期要配置独立的两路市电引入，另配双台柴油发电机组作为市电故障的最后保障电源。在机房内部的开关电源系统和UPS系统，一般也都是配置独立的2套以上，相互备份，提高系统的整体可靠性。

在供电系统的控制部分，为了提高可靠性，一般在高压侧都配置了备用电源自动投入装置（BZT）。当主供市电线路停电的时候，能在第一时间自动将备供线路投入运行，保障机房供电。BZT从主供线路停电开始到投切成功，装置内部必要的工作延时即T1一般为0.1～2 s。同时，因柴油发电机组属于机械系统，响应过程相对要缓慢得多，从冷机启动到能带全载一般要3～8 min。另外，油机市电之间的自动切换系统（ATS）负责先断开市电开关、后合闸油机开关的两个方向操作，所以也需要一定的延时。合并计算后，从油机接收、启动指令到经过ATS切换后油机向机房负荷供电，整个时长为T2一般为3～8 min。

图3 电池组接线示意图

作为核心机房的供电系统，各部分之间的协调动作十分重要，如图4所示。市电的BZT、油机及ATS、UPS（或者是开关电源）各系统之间需要按照规定的时序严密配合，才能在不同的工况下总能保证终端的通信设备不掉电，通信业务不中断。

如图4所示，市电停电后，因为BZT的启动到动作完成，中间有T1的时间段内需要UPS电池放电、逆变后为所有的通信设备供电，且在线式UPS的工况切换是真正“零时延”，所以对于终端的通信设备感受不到前端的市电变化。若BZT动作成功，备供线路向机房供电，则UPS转为对电池充电状态，即图4中的“第一种情况”。

图4 机房供电系统之间的时序配合示意图

如同本文中的案例，因为随机遇到又无法杜绝的励磁涌流很容易将BZT的效果归零，即BZT动作却不成功。此时，BZT已经按照规定程序将主供线路开关断开，而备供开关又没有合闸成功，主、备两路市电都已经断开，而BZT一般都不允许自动复位操作，所以此时即使主供线路恢复供电，但是因主供线路开关已经断开，若非维护人员现场手动操作，市电无法向通信设备供电。因此，仅仅配置BZT对于系统的可靠性来说根本不能满足要求。

BZT启动但是动作不成功，两路市电均不能供电，此时ATS立即向油机发出启动指令，油机自动启动、暖机、空载运行，经过约T2的时长才具备带载能力。在此期间，全部通信设备的供电仍然全靠UPS的电池放电、逆变来负责。BZT动作不成功，ATS启动油机经T2后向机房供电，此时UPS才转为对电池充电状态，即图4中的“第二种情况”。

6 结 论

可见，在机房供电的各种切换过程中，为保证实现最终目的即通信设备不掉电，UPS电池最终都是起到了最坚实可靠的保障作用。本案例中因电池连线错误导致电池性能严重劣化，不能为BZT、油机及ATS等的切换过程提供后备支持，导致发生严重的通信故障。因此，核心机房的UPS电池配置的基本原则，理论依据是后备电池的后备时长Tcell＞T1+T2。鉴于T2'T1，所以一般以T2为基准加一定的安全裕量后，即可确定UPS后备电池的后备时长。