直流电压波动引起UPS逆变器模块爆裂分析

巢 泽

（江苏利港电力有限公司，江苏 江阴 214444）

0 引 言

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统是确保供电稳定和连续性的重要设备，因此电力企业的重要负荷通常都由UPS系统供电。其主机智能化程度很高，使用的储能器件是免维护蓄电池，具有稳压、稳频及净化的特点。在正常运行情况下，系统会从主电源获取电力。如果主电源出现故障，系统将自动切换到蓄电池组来供电。如果逆变器模块或回路发生故障，系统可以切换到旁路供电，且主输出电源会自动与旁路电源保持同步[1]。

1 ＃3机UPS运行概况

江苏利港电力有限公司的#3机UPS是由瑞士GUTOR公司研制生产的双机并列的不间断电源装置。该系统的结构如图1所示，每套装置都有独立的三相交流电源输入和独立的直流电源。两套主机合用一路旁路电源，且其输出自动同步跟随[2]。自2015年投入使用以来，系统一直稳定运行。

图1 ＃3机UPS系统结构

2 故障案例分析

从2022年6月23日到2022年7月23日，＃3机UPS多次出现电池运行、旁路运行及UPS高压直流关断等不正常运行状况报警。经过工作人员现场查看，装置内确实存在异常信息。虽然UPS系统双机并列运行正常，但是从报警内容来看，UPSA和UPSB在所述时间段内分别出现过主机关机的情况，且报警内容涉及主电源回路、电池电源回路以及旁路回路。

根据报警内容，7月7日曾出现过直流电源高关断的报警，整流器输出电压整定值为245 V，由于厂用电系统运行正常，基本可以排除主输入电源电压波动导致高直流电压关断UPS系统的情况。结合UPS系统的运行方式，UPS系统的整流器输出与直流母线直接相连，直流母线下并联蓄电池组，因此直流母线电压是一个相对稳定的电压。只有当直流系统本身的充电整流器出现故障或者有大容量直流电机启动时，才会导致直流母线电压大幅波动。而直流系统充电整流器故障造成的影响将是全面的，故障表现出来的现象也不仅仅体现在UPS系统上。因此，有必要核查大容量直流电机的启停记录[3-5]。

经过核查，发现在出现异常情况的几天内，运行人员都进行过启动电动油泵（Electric Oil Pump，EOP）的操作，因此推断启停EOP油泵可能是造成UPS系统高直流电压关断的原因。

3 故障发展

为了确认UPS关断与启停EOP油泵之间的关系，2022年7月26日再次尝试启动EOP油泵，并对#3机UPS直流电源侧母线电压进行录波。在上午10:30左右第1次启停EOP油泵，未发现电压有明显波动，启泵时直流母线电压下降1 V左右，停泵时直流母线电压升1 V左右。在10:57左右进行第2次启停EOP油泵，油泵启动后几秒内，UPSA控制柜发出爆炸声并伴有电火花，直流进线开关跳闸，直流电源开关跳开。立刻要求运行人员停EOP油泵，并对UPSA和UPSB进行安全隔离。此时发现UPSA仍在运行，有直流开关跳闸报警，UPSB也在运行，一度出现“Battery Operation”的报警。2台UPS输出电压显示正常，但根据现场检修人员回忆，2台UPS并机运行时的负载率一度达到67%，长时间负载率显示为超限。由于UPSA已明显故障，要求运行人员暂时将UPS切至检修旁路运行，将UPSA和UPSB隔离。分别对UPSA、UPSB进行开柜检查，检查发现UPSA逆变器模块A033的功率元件出现烧焦裂纹，表面有放电痕迹。

4 对于UPSA逆变器模块爆裂的分析和处理

总结此次试验和录波检查情况，主要存在以下问题：第一，UPS故障与直流系统启EOP油泵的启停操作存在因果关联，需进一步确认；第二，虽然几次启油泵后均出现直流电压较高的报警，但录波显示没有捕捉到高电压波形；第三，损坏的逆变器的故障点是在直流侧，本次故障造成了2台UPS均有多次限流器动作。

对于第一个和第二个问题，根据录波检查和逆变器模块的故障情况，可以确认UPS故障与EOP油泵的启停操作存在关联。启停EOP油泵的过程中，逆变器晶闸管爆裂发生，这表明UPS在运行期间确实受到EOP油泵启停操作的影响。同时，直流母线侧高压侵入被隔离二极管V016的爆裂所证实，但录波时并未捕捉到高电压的过程。对于第三个问题，查看UPSA和UPSB的历史报文可以发现，UPSA发生故障后，先后出现直流限流器动作和交流侧限流器动作。逆变器晶闸管爆裂的位置在并有直流电容的晶闸管入口处，该处的绝缘材料已经碳化，有经过较大电流的痕迹。故障报文中也显示先直流限流器动作，再有交流侧限流器动作。因此，可以判断先在直流侧发生故障，出现击穿或接地后，再在交流侧发生故障。

此外，#3机UPS输出中性线接地且与机柜相连，UPSB可与机柜构成回路，因此向故障点提供了短路电流。在故障发生时，UPSA和UPSB的负载率都很高，伴有间隙性电压波动和多次限流器动作，并显示负载率超限。

5 UPSA逆变器模块更换试验分析

2022年8月8日，受损的备品备件到达现场。由于前一次启EOP油泵的试验中发生了UPSA晶闸管爆裂的事故，因此本次更换逆变器模块后对可能出现的突发情况做了充分的准备。将#3机220 V直流电压信号接入发变组故障录波器电压通道进行实时监控，并设置了突变量为3 V的启动录波定值。

对UPSA进行模块更换，并进行UPSA的单机调试和各项切换试验等，同时将UPSA、UPSB的整流器输出直流电压定值调整为254 V（原来为245 V），旨在拉开与直流母线电压的差距，减少因两者电压差过小而引发的干扰。

在试验开始前，先将#3机UPS切换到检修旁路运行，UPSB停运，拉开UPSB的直流进线开关。在确认UPSA运行正常后，空载启动直流EOP油泵，同时对UPS充电器输出、逆变器输入及逆变器输出侧进行电压和电流录波。

启动EOP油泵时，电压先升至247 V，后降至234 V，停EOP油泵时也没有出现异常。但在EOP油泵运行期间，移动录波器捕捉到了254 V的尖峰高压，随后降至223 V；发变组故障录波器也捕捉到了264 V的尖峰高压，随后降至195 V，波峰持续时间短暂。

在启停EOP油泵的过程中，直流电压出现波动，并且在EOP油泵运行期间录波器捕捉到尖峰高压。经过分析，当EOP油泵内部存在较大规模的间隙性匝间短路或直流接地时，会产生短暂的电能释放，从而导致电压波峰值。因此，需要对直流母线电压进行正对地、负对地、正负间3个电压的监视和录波。之前对于直流母线电压的监视仅局限于正负之间，没有扩充到正对地和负对地，可能存在盲点。

6 故障再现

2022年8月20日下午15:30左右，UPSA在带直流母线运行的情况下，再次进行启停EOP油泵试验。在充电整流器输出、逆变器输入以及逆变器输出侧均进行电压和电流录波，并增加了直流母线侧正对地、负对地电位的录波和监测。

启动EOP油泵时，未发现无明显异常。但在停直流油泵时，UPSA却出现电池运行，高直流电压关机，转旁路运行，再转电池运行的情况。装置内部历史报警内容与7月7日设备故障时的报警内容完全一致。这一过程被便携式录波器全程录下来，可以很明显地看出直流母线电压在此过程中正负之间并没有发生很大的波动，只有1 V左右，但正对地、负对地电压波形图在录波器的400 V量程上已完全超限，无法确定其对地电位的幅值。同时，从录波图上可以看出，此过程时间较短，只有2 ms左右，之后电压基本恢复正常。至此可以确定，EOP油泵在启停时造成220 V直流母线对地电位异常升高，导致#3机UPSA的故障。因为EOP油泵电源正负间的电压正常，所以仍然可以正常地启停和运转。

在此次试验中，虽然直流母线电压的正负之间波动并不大，但正对地、负对地电压的超限可能导致设备故障。因此，需要进一步分析超限的原因及其对设备的影响。同时提高对直流母线电压的监测精度和范围，以更好地预防类似故障的发生。

7 结 论

大容量直流电机的启停会引起直流母线电压波动，这种波动可能包含谐波分量或产生高压尖峰波，从而对直流母线上的其他负荷设备造成危害。这种危害可能体现在正负极电压之间，也可能更隐蔽地体现在对地电位的抬升上，从而导致设备对地的绝缘击穿。本次事故案例可以为新设备的采购和技术协议的制定提供新的参考依据。对于新设备的采购，需要考虑其是否具备承受大容量直流电机启停所带来的电压波动的能力。对于技术协议的制定，需要明确对地电位抬升等隐蔽危害的处理方法和要求，以确保设备的安全稳定运行。同时，对于已经投入使用的设备，需要采取相应的措施来应对大容量直流电机启停所带来的危害。