一起双机并联UPS同时失电故障分析

谢向楠

（河南省中原大化集团有限责任公司，河南濮阳 457000）

0 引言

随着化工装置自动化水平的不断提高，DCS控制系统应用越来越广泛，涉及化工生产的各个操作环节，DCS控制系统的可靠运行成为化工安全生产的重要保障，因此为DCS供电的UPS电源的重要性愈加凸显。近年来，我国把自动化控制系统未设置不间断电源定义为化工行业重大隐患，化工装置也更加重视UPS电源的配置，多采用双机或多机并联的冗余式结构，以期确保供电安全可靠。本文针对一套双机并联UPS电源系统，在外部环境、设计缺陷、设备缺陷等多个因素影响下，导致DCS系统失电的故障，通过找出问题根本原因，提出了预防故障再次发生的方法，以保障装置后续安全稳定运行。

1 低压变电所及UPS运行方式

1.1 低压变电所运行方式

该化工装置主要负荷为一、二级重要负荷，变电所进线采用双重电源进线，每条进线都能带本装置全部负荷稳定运行。详细情况如图1所示，变电所电压等级为0.4 kV，1#进线带PMCC1 段，2#进 线 带PMCC2段，母联分段，母联备自投投入。事故段采用双电源自动投切装置，其中，正常电源来自本所市电PMCC2-6-F抽屉，应急电源来自事故发电机，发电机有功负载300 kW。事故段正常时由市电供电。

图1 变电所系统单线示意图

1.2 UPS连接方式

UPS采用冗余式双机并联的连接方式，如图2所示。UPS主机两台，型号与容量相同，均是30 kVA，单台主机能独立承担负载所需容量；1#主机主路市电来自本所低压一段PMCC1-7-A抽屉，2#主机主路市电来自本所低压二段PMCC2-8-D抽屉；两台主机共用旁路电源引自本所稳压电源柜，稳压电源柜电源引自本所事故段事故电源1-F抽屉；两台主机输出经并联接入UPS输出柜母排，经馈线开关分配给负载用户（主控DCS机柜）；两台主机分别由一组电池组提供后备时间，其中1#电池组接入1#UPS，2#电池组接入2#UPS。

图2 UPS双机并联一次接线示意图

1.3 UPS运行方式

正常工作时，两台UPS分别由各自的主路市电供电，经整流逆变后经输出柜共同承担负载用电，两台UPS通过跟踪监测共用旁路电源的电压及频率实现同步输出，此时电池处于浮充状态。

当其中一台UPS主路失电时，主路失电UPS由电池放电保持直流母排电压，经逆变后与另一台UPS共同承担负载用电。如果在电池后备时间耗尽前主路市电恢复，则自动恢复至正常工作方式，并给电池充电。如果电池后备时间耗尽，主路市电仍未恢复，则UPS因母线电压低关机，全部负荷由另一台UPS承担。

当两台UPS主路同时失电时，两台主机均由电池放电保持直流母排电压，经逆变共同承担负荷。在电池后备时间耗尽前，其切换方式与单机主路失电相同，可以实现电池与主路市电供电方式的切换。如果电池后备时间耗尽，则自动切换至旁路供电，不再经过主机整流和逆变，此时如需切换至主路供电或电池供电方式需手动操作。

即正常工作的UPS，当出现外网市电异常时，优先切换电池供电模式，当且仅当所有市电电源和电池电源均不满足电压需要时，UPS才会切换至旁路模式[1]。

2 事故描述

2.1 事故经过

某年6月14日凌晨00：03，主控DCS突然失电。接主控通知后，电气值班员初步判断发生晃电事故，立即检查供电系统并通知当班领导。

凌晨00：10，电气值班员检查确认供电系统运行状态为：0.4 kV低压两条进线分段运行，母联分段，母联备自投投入，低压供电系统在正常运行状态。此时主控传来消息DCS供电仍然没有恢复。继续检查UPS电源，发现两台UPS液晶屏显示“旁路逆变均不供电”，两台UPS主机均处于停机状态。通过万用表测量UPS主路供电正常，电气值班员立即通过键盘开机，按压UPS面板上“逆变启动”键，UPS恢复“主路逆变供电”，此时DCS恢复供电。经进一步检查，发现UPS主机旁路开关上侧无电压，旁路稳压电源柜无馈线输出，手动启动后UPS故障报警消除。值班员继续恢复其他受晃电影响设备。

2.2 事故中的异常现象

两台UPS在0.4 kV供电系统正常运行状态下同时报主路电源不供电；主路电源丢失后，蓄电池没有正常投入；旁路电源同主路电源同时丢失，UPS没有切换至旁路供电。

3 事故原因分析

3.1 通过事故中的异常现象分析事故原因

（1）并联的两台UPS为何在0.4 kV供电系统正常运行状态下同时报主路电源不供电？

经事后调查了解到当天外电网存在两项非正常运行状态：一是当天因外电网检修需要，本所的两条进线由外电网一台主变压器供电，这就造成本所当天不再满足双重电源供电条件，一旦外网主变压器馈线电压波动，就会造成本所两条进线电压同时波动；二是当天突发恶劣天气，查后台保护故障记录，共有晃电记录12次，压降幅度在30%～80%。

根据以上记录，判断当天动作过程为：该变电所两条进线同时发生晃电，两条进线的低电压继电器同时向母联备自投发出低电压信号，当母联备自投同时接到两个进线的低电压信号时，母联备自投处于闭锁状态，不会完成投切。晃电过程结束后，变电所两段母线随外网电压恢复供电，继续保持正常工作方式。在这一过程中，因主路电压下降，两台UPS同时切换至电池逆变供电[2]。

（2）蓄电池为何没有正常投入？

经查，UPS所使用的电池为每组30节，共两组，采用的是某厂家6-GFM-65AH-12V型免维护铅酸蓄电池。该电池于两年前在一次UPS维修过程中更换，在当年冬季大修的蓄电池考核中，考核结果合格。

在事故发生后对蓄电池的检查中，在连接UPS的浮充状态下，两端电压400 V，单节蓄电池电压均在13 V，符合设计要求。断开UPS连接，测两端电压400 V，单节蓄电池电压均在13 V，同样符合设计要求。但是当接通试验负载后，整组蓄电池发电电流为0 A，即蓄电池存在内部开路，整组蓄电池没有带负载能力，无法保持UPS直流母线电压，不能实现UPS电池供电功能。

UPS动作过程为：当两台UPS由主路逆变供电模式切换到电池逆变供电模式后，因电池无法保持直流母线电压，UPS逆变器停机，按照动作逻辑切换旁路供电模式。

（3）UPS为何没有切换至旁路供电？

一是检查旁路稳压柜上侧线路，发现事故段双电源切换装置处在正常工作状态，指示灯指示正常，上侧线路未发现动作现象。经试验，双电源切换装置能够正常完成切换。因此，判断晃电时事故段电压随市电电压波动。二是检查旁路稳压柜（图3），发现稳压柜启动接触器（KM）线圈控制电源来自市电，正常启动后靠自保持接点保持主路接点闭合。晃电时因电压下降，造成接触器释放，自保持接点断开，且稳压柜未设置自启动回路，事件过程中最终是由电气值班员手动启动旁路稳压柜。

图3 旁路稳压柜接线原理图

动作过程为：在UPS检测到主路失电的同时，稳压电源柜内因市电电压低，KM接触器释放，此时两台UPS已经检测不到旁路电源电压，因此UPS无法切换到旁路供电，最终两台主机报“旁路逆变均不供电”信息。虽然此后随着晃电过程的结束，主路市电恢复，但是由于逆变器启动需人为手动操作，两台UPS电源就保持停机状态，并造成DCS较长时间的停电。

3.2 事故直接原因

在外电网检修期间，恶劣天气造成本所两条进线同时发生多次晃电。UPS因主路与旁路电压波动，自动转换至电池逆变供电模式。本应为UPS提供后备时间的电池组，因质量问题不具备带负载能力，造成UPS关机，主控DCS机柜失电[3]。

3.3 事故间接原因

3.3.1 未能提前发现蓄电池已开路

事故发生的上一年度，受装置运行周期影响，蓄电池未停机考核，没能及时发现电池组的故障。

3.3.2 旁路稳压柜存在设计缺陷

稳压电源作为最后的备用电源，其回路应当时刻保持闭合。主回路上元器件应尽量精简，不需要复杂控制，只需配置必要的过流保护功能。在本次事故中，旁路稳压电源柜中接触器的设计造成了UPS旁路电源丢失，属于设计缺陷[4]。

4 改进建议及事故隐患整改前后对比

4.1 改进建议

一是拆除旁路稳压柜中接触器及其启动回路，并将旁路稳压柜进线断路器下侧电缆直接连接至原接触器下侧回路，由进线断路器直接控制稳压柜的启停。二是鉴于该蓄电池组的重要性，采购时选择国内一线品牌，并要求生产厂家具备该系列蓄电池的泰尔认证；同时，增加蓄电池在线巡检仪。三是要求对于双机并联UPS，即使在装置正常生产期间，也要交替将蓄电池退出进行检测。

4.2 事故隐患整改前后对比

隐患整改后，UPS可靠性得到提升。其中在某年冬季检修期间，因保护调试造成本所两条进线同时失电约5 min，UPS仍能够正常供电，DCS系统未受停电影响。

5 结论及建议

通过本次事件，得到以下三点教训：一是不可因应急设备日常处于备用状态而忽略其维护，要针对这类设备，建立合理的定期试验和检测周期，保证其全部功能正常，使其能够在装置异常状态下避免发生重大安全事故；二是电气设备的全寿命周期需要被重视，各行各业应充分考虑自身电气设备使用状况，估算符合实际的电气设备周期寿命，定期完成设备更新；三是在新建、改建、扩建项目初期，要重视图纸审核环节，避免旁路稳压柜这种设计缺陷给后期生产造成损失。

最后，建议电气设备更多采用在线监控设备代替人工巡检，应用信息化思维，减少人为因素影响，以提高电气设备的稳定性。