火电厂UPS故障分析和优化策略

南京化学工业园热电有限公司/中国矿业大学电气工程学院 陈超虎 铜山华润电力有限公司 谢方喜 张建成

1 概述

交流不间断电源装置（UPS）在火电厂中主要向测量、控制和保护等重要负荷提供可靠、高质量交流电源，火电厂常采用在线式UPS。根据GB50660《大中型火力火电厂设计规范》要求：单机容量为600MW 级及以上机组，每台机组宜配置2台UPS；容量为300MW 级及以下机组，当计算机控制系统仅需要1路不间断电源时，每台机组可配置1台UPS[1]。近年来，火电厂出现多起因UPS 装置故障造成机组非计划停运，对机组安全运行存在重大威胁，对火电厂UPS 故障分析和优化策略进行探讨。

1.1 正常运行方式

火电厂UPS 装置一般配置三路电源，分别为主路电源、旁路电源、220V 直流电源。UPS 装置主路电源一般取自400V 厂用段或者400V 保安段。正常运行时，主路电源经整流器模块转为纯净、无突波、无杂波的直流电源，供给逆变器模块使用；逆变器将直流电源再转化为比主路电源更稳定的交流电源输出，经静态开关模组至输出馈线屏，接带负载，此时UPS 系统为逆变器模式供应负载，也是正常运行方式。

UPS 装置旁路电源一般取自400V 保安段，但应注意与主路电源相对独立，避免由相同400V 母线接带，以及400V 母线的上一级电源也尽可能做到相对独立。UPS 装置220V 直流电源一般取自火电厂主厂房220V 直流母线，具有较高的安全稳定性。

1.2 切换过程

自动切换过程。UPS 装置整流器故障或者主路电源丢失时，逆变器将不间断地、自动切至直流供电模式；若整流器故障消除或主路电源恢复，UPS装置将自动切至正常运行方式[2]。若发生逆变器故障或逆变器侧直流电源中断等情况，UPS 系统自动切换至静态旁路供电；手动切换过程。机组检修时，对UPS 装置进行维护检修，需要将UPS 系统切至维修旁路供电。此时需先手动停运逆变器，将UPS装置切至静态旁路供电，然后合上维修旁路开关，断开UPS 输出开关。

2 UPS 故障分析及防范措施

2.1 UPS 故障造成锅炉MFT

2.1.1 事件简述

某火电厂为2台1000MW 超超临界燃煤发电机组，每台机组配置2套A 厂家生产的容量为100kVA的UPS 装置。每套UPS 装置工作电源取自主厂房保安PC 段三相输入，旁路输入电源取自主厂房汽机PC 段A-B 二相，直流输入由主厂用220V 直流蓄电池组供电。

2022年5月某日，1号机组负荷490MW，监盘发现“主厂房UPS-B 逆变器故障”“主厂房UPS-B综合故障”报警，1B UPS 切至自动旁路运行，给煤机运行信号消失，1号锅炉MFT 保护动作，机组解列，MFT 首出为“全燃料丧失”。

2.1.2 原因分析

每台机组的6台给煤机控制电源均取自热控电源分配柜2，柜内配置双电源切换装置，电源一为UPS，电源二为保安段，正常运行时由UPS 带负载运行。专业管理人员通过对1B UPS 输出电压DCS曲线、就地UPS 柜状态、热控电源分配柜2进线电源就地切换记录进行检查发现：1B UPS 报“逆变器故障”，1B UPS 由主路切至自动旁路运行瞬间，1B UPS 输出电压波动，电压值从225.9V 瞬时最低下降至207V。热控电源分配柜2的进线电源切换过程中未能做到无扰切换，电压瞬时进一步下降，导致1号锅炉所有给煤机控制柜失电（由热控电源分配柜2供电），锅炉“全燃料丧失”MFT 保护动作。

UPS-B 主机柜主板故障，致使主机输出电压存在异常谐波分量，输出电压不稳定；UPS-B 静态开关组件中有3块静态切换电阻，该电阻正常阻值应为0.7Ω，检查测量3块静态切换电阻阻值均达19.6kΩ。判断为静态切换电阻板故障，导致由主路切至自动旁路瞬间，静态开关不能做到无扰切换，输出电压存在短时下降；6台给煤机控制柜电源均取自热控电源分配柜2，风险集中，配置不合理。

2.1.3 防范措施

更换1B UPS 主控板，检测1B UPS 输出电压情况；更换1B UPS 静态切换电阻和静态开关输出接触器控制板，进一步做工作电源切旁路电源验证试验；利用机组检修期间对其余UPS 进行切换试验，切换试验过程进行波形监测，确保供电质量；分散布置给煤机控制柜电源：A、C、E 给煤机控制柜电源由热控电源分配柜2供电；B、D、F 给煤机由热控电源分配柜4供电。

2.2 某火电厂UPS 失电造成汽轮机跳闸

2.2.1 事件简述

某火电厂2×630MW 超临界燃煤发电机组，主厂房配置两套由B 厂家生产的80kVA UPS 系统。2022年01月某日22时，1号机组负荷547MW，磨煤机1A、1B、1C、1D、1E、1F 运行。22时20分，监盘人员发现给煤机1B、1D、1F 故障，2s 后机组停运。检查首出为汽轮机“轴位移保护动作”（DCS实际测量值显示正常）。检查报警界面，发现UPS 1B 故障报警，UPS 1B 段输出电压、电流均为0。

就地检查UPS 1B 装置时，发现UPS 1B 主机关机（POWER OFF），馈线屏失电。UPS 1B 主机面板故障记录为Shutdown EPO（Emergency PowerOFF），该指令由UPS 1B 静态开关控制板（PC811）生成并发出。UPS 1B 馈线屏上部分负荷失电后另一路电源切换正常，部分辅机跳闸后，备用辅机联启正常。但1号机热控UPS 电源柜二、1号机热控220V 控制电源柜电源失电后造成1号机主机TSI 机柜一路电源失去（另一路电源正常），TSI 卡件在模拟量显示正常的情况下，误发二路主机轴位移大开关量信号至二个继电器出口动作。

2.2.2 原因分析

1号机主厂房UPS 1B 静态开关控制板（PC811）故障，触发紧急停机指令EPO，闭锁UPS 输出。“1号机热控UPS 电源二”失电，造成1号机主机TSI机柜一路电源失去（另一路电源正常），TSI 卡件在模拟量显示正常的情况下，误发二路主机轴位移大开关量信号至二个继电器出口动作。

2.2.3 防范措施

根据UPS 失电后负载切换的统计情况，主要影响机组稳定运行的负载是6台给煤机控制电源。鉴于此情况，将其中2台给煤机控制电源改为由自身动力电源经隔离变提供，分散UPS 失电后给煤机跳闸的风险；做好重要设备改造前期调研，准确掌握设备质量情况，把好源头关，做好项目采购的策划工作。

完善UPS 检修工艺卡，建立UPS 板卡更换记录，举一反三开展排查，制定关键板卡的定期更换台账；对主机以及小机轴位移保护逻辑进行优化，加入模拟量判断逻辑；完善TSI 系统检修工艺卡以及DCS 系统、TSI 系统、MFT 系统等电源切换试验执行卡，检修期间严格执行电源切换试验。

2.3 UPS系统输出电能质量下降引起热工控制系统故障

2.3.1 事件简述

2015年12月某日23：41，某火电厂2号机组满负荷运行，运行人员陆续发现以下缺陷：锅炉壁温测点(由IDAS 从炉顶采集通过双绞线接入DCS)、发电机本体所有温度测点(由IDAS 从机侧采集通过双绞线接入DCS)、发电机功角等测点突变坏点；2BUPS 馈电柜频率在42Hz-58Hz 之间波动，定冷水流量由114t/h 降至99t/h；一期220V 直流母线1号母线电压突降45V 恢复，又突升20V 恢复，UPS2A 段馈线总频率有0.5Hz 幅度的尖峰存在；2号机监视工业电视的大屏幕画面显示不清并不时黑屏；2号机励磁工控机电源模块坏；2号汽机7、8号低加疏水温度大幅波动等。

2.3.2 原因分析

将发电机本体温度测点和监视工业电视的大屏幕更换外部电源后，缺陷消除，初步判定UPS 电能质量下降；机组降负荷，进行2 BUPS 电源切换试验：拉开2B UPS 主电源开关，2B UPS 切至直流供电，部分测点的波动幅度变小，将UPS 切至旁路时各测点和负荷恢复正常。再将UPS 系统切回正常运行方式后，机炉侧IDAS 通讯故障，测点波动，同时发现GPS 时钟对时故障。结论是：2B UPS 系统旁路运行和2A UPS 系统主路运行，UPS 系统所供应的电能质量合格，DCS 系统以及IDAS 等用户工作正常。

2A UPS 电源切换试验的结论是：2A UPS 系统旁路运行和2B UPS 系统主路运行，UPS 系统所供应的电能质量不合格，DCS 系统以及IDAS 等用户工作不正常；2B UPS 系统装置输出电能质量不合格，进一步检查发现2B UPS 系统电容故障。更换2B UPS 系统电容，各测点、DCS 系统以及IDAS等用户均正常，电能质量均显示正常。

2.3.3 防范建议

UPS 的寿命一般在5～8年左右，该厂UPS 已经运行5年多，但维护人员对设备劣化认识不够，虽然已列入更换计划但未能及时实施。在此类风险的防范方面，建议深入开展重要运行设备的状态评估工作，加强对设备劣化指标管控，预判设备使用寿命，及时进行老化部件的更换。

3 UPS 系统维护和优化建议

某火电厂目前运行有多台320MW 机组和1000MW 机组，采用320MW 机组采用各单独配置1台UPS 装置、1000MW 机组分别配置2台UPS 装置的配置策略。根据多年使用情况，提出以下优化策略和建议。

结合该厂设备运行方式特点，定期梳理UPS 系统负荷分布情况，确认所带负荷配置合理，确保负荷未超过设计容量要求。现场设备技改、异动，需要新增UPS 负荷时也需充分考虑此项要求。

仅配置1台UPS 的机组，重要负荷进行电源分配时应充分考虑UPS 失电带来的风险。给煤机变频器控制电源，根据DL/T 1648《火电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》要求，为保证变频器高低压穿越过程的无扰动，变频器控制电源部分宜采用双电源，一路可从变频器工作电源直接取电，另一路控制电源应由UPS 或直流统一供电，由UPS 供电时失电保持时间不小于5min[3]。

因部分火电厂两台UPS 系统采用并联冗余接线方式，即冗余配置的UPS 交流输出端连接在一起，输出接线为单母线接线，提供双回路电源，但无法提供独立的双电源。为避免当输出端母线或断路器出现故障造成UPS 输出母线失电，建议该厂全部改为双重化冗余接线方式，即设置2台互相独立的UPS系统,单台UPS 系统输出接线为单母线，两段母线可采用母联开关连接,也能为负载提供2路互为备用的电源。

制定UPS 电源切换试验规范要求。在开展切换试验时，关注切换过程中时间和电能质量是否满足现场要求，形成试验报告台账，并根据试验数据分析针对性做好设备维护工作；定期对UPS 内部DC电解电容性能测试，常见故障主要表现为漏液、电容开路、通电击穿、参数偏移及电容失效等[4]，必要情况下进行更换；UPS 冷却风扇长时间运行，属于易损部件，可在UPS 内部设置过滤网，减少灰尘进入设备内部[5]，并做好定期维护和更换。

根据DL/T5491《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》，当UPS 直流电源由主厂房220V直流系统供电时，UPS 输入/输出回路应安装隔离变压器，直流回路应装设逆止二极管，并且逆止二极管反向击穿电压不应低于输入直流额定电压的2倍[6]；维护过程中注意UPS 系统电源板和控制板的检查，做好备品备件的储备和性能评估。