工业UPS故障影响及其配电可靠性分析

引言

供电可靠性作为衡量电能质量的重要指标,成为当今配电系统技术发展不可或缺的前提。然而,随着配电网用户生产技术的快速发展,电压波动及短时中断等质量问题愈发凸显,造成的电气设备跳停、生产数据监控中断、企业生产线停产等事故也越来越多,给配电网用电客户带来了巨大的经济损失,这就对配电网电压质量提出了更高的要求。UPS电源的出现与配电系统技术稳定发展有着密切的关系,对企业而言,对核心重要负荷的可靠供电是重中之重,建立一个不停电的供电系统对企业十分重要。UPS(不间断电源）就是为实现不间断供电而设置的,所以UPS本身的性能及其设备应用,就成为核心重要负荷稳定运行的关键。

1事故案例

2021年3月,某企业自备热电厂发生一起因UPS系统主控板故障,最终导致企业损失约2000万元的事故。

1.1事故过程

因企业自备热电厂#2机UPS系统输出电压连续扰动,热电厂#3锅炉两台火检风机控制接触器依次出现无法保持跳停,致使#3锅炉MFT动作跳炉停汽,最终导致企业生产线因供热不足而部分停产,损失约2000万元。

1.2事故现象

事故发生时,发现#3炉火检风机与#3炉B磨煤机油站油泵电机存在同时异常停运的现象,排查发现DCs系统后台显示A、C磨煤机油站油泵电机电流升高,给煤机反馈频率降低,#2机UPS输出电流有突增现象（因DCs自身数据刷新存在100ms的延迟,UPS电压波动曲线并不明显）。

1.3事故排查

经检查发现,#3炉火检风机与#3炉磨煤机油站油泵电机的供电关联性仅为控制电源均由2012年投运的#2机UPS供电,供电UPS结构如图1所示,而且当月刚更换过主机主控板,最终将检查重点确定在#2机UPS系统及相关输出负荷回路。针对#2机UPS系统所有输出负荷回路进行全面排查,初步排除UPS馈线负荷回路故障:而后在UPS输出端接入示波器及故障录波装置进行录波及示波测试,发现UPS输出电压、电流存在不规律性波动,明确原因后,更新主机控制板,之后恢复正常。

2案例分析

目前UPS供电系统基本形式大致相同,下面结合上述事故过程具体分析UPS系统影响配电网供电可靠性的相关因素。

（1）该电厂重要辅机（如火检风机）控制电源设计不合理,将多个同系统互备的重要负荷的控制电源均接由单一UPS系统供电,虽然UPS为不间断电源,但毕竟共用一个输出通道（图1）,仍存在一定的不确定因素:若UPS电源输出通道出问题,将导致馈线负荷设备同时受影响。UPS系统内部组件故障引发的安全问题难以控制又危害巨大,是比较棘手的一个问题[1],只有将UPS作为多重电源之一或备用电源,才能更好地保证安全性的直接提升。

（2）#3炉B磨煤机润滑油站电机及A、B火检冷却风机控制回路接触器跳停,而同控制系统的#3炉A/C/D/E磨煤机润滑油站电机控制回路接触器却保持运行,说明负荷的电气控制元件存在老化、性能不合格现象。技术人员缺少对负荷配电控制系统的性能检查及理论分析,也是导致生产停止的原因。

(3）故障UPS的主控板刚更换完毕,短时间内即出现问题,说明UPS的内部组件自身已存在缺陷,而技术人员技能水平不足,安装后未进行必要的带负荷输出波形检验测试,造成设备状态评估不足,风险控制不到位。

（4）故障UPS带有大量感性负载,如#3炉两台火检风机及5台磨煤机油站电机交流控制接触器等,而正常不建议UPS带过多的感性负载,是因为感性负载临时启动电流大,易造成UPS系统元件因受电流冲击而损坏。

（5）#2机UPS设备使用年限已经超过9年,成套设备老化明显,使得UPS设备内部不稳定因素增加,也是导致UPS更新组件很快出现异常的原因。

3提升UPS系统供电可靠性的对策

配电网的不正常供电有谐波、暂态冲击、瞬时断电等,通过UPS均可隔离和在一定时间内抵御,虽然UPS本身可靠性很高,但并不代表故障率为0,所以对于特别重要的生产负荷,提出以下保障配电可靠性的对策:

(1）对于重要的互备性质的设备,应该分别采用不同的UPS供电系统,或其中一套设备改由市电供电,以提高UPS的供电可靠性。

(2）对于重要负荷,为避免单套UPS故障退出时影响供电可靠性,可以将性能测试合格的两台或多台UPS并列供电:实际应用中UPS出故障导致供电故障增加时,越多的UPS联合使用越可靠。对极重要负荷电源进行组网配置,必要时可采用两台UPS互为备用,并与市电构成三重电源。

(3）为了降低电路并联时单点短路故障导致整体受影响的风险,除了加强绝缘维护外,还应将负荷进行合理分类,做好风险分散工作,将风险高、易出问题且允许较长中断供电时间的负荷由一台UPS供电,而其他的另配置一台UPS供电。

(4）针对UPS系统内部精密元件维护困难的问题,应制订UPS负荷馈线及相关元器件的清扫、测试计划及更新台账,并严格遵照执行,可作为提高UPS配电系统运行整体稳定可靠性的有效措施。

(5）UPS在使用过程中存在内部元件更换时,应确保带负荷切换试验合格,同时进行UPS系统输出参数的示波及录波测试,做好设备状态评估:条件允许的,可以将UPS系统输出接入故障录波系统,以保证UPS系统内部出现初期异常时,及时发现问题,及时解决。

(6）UPS的选用应确保其设计简单可靠,尽可能采用电路元件集成度高的设备,避免选用可靠性会降低的内部元器件过多的系统配置。选用时确认其制造厂商具有知识产权,有极强的软硬件制造能力,且产品经过较长时间的考验,决不能以几个用户短时间的使用经验为依据进行判断。

(7）一般正常运行的UPS设备,在使用五六年后,其参数的各项指标都会发生物理改变,使用八年后,这种物理改变的现象将尤为突出。由于UPS设备所担负的工作任务可靠性要求高,企业在正常运行维护中发现故障率明显升高时,应及时整组更换,条件允许的,可以定期进行整组更新。

(8）一般UPS电源主要是运用于要求电能质量高,需要稳压滤波的信息网络以及智能化设备,并非所有负载均适用,例如电感性负载,其功率因数一般很低,而UPS是用电子电路升压至220V,抗过载能力很差,感性负载多,会产生很大的浪涌电流及尖峰电压,对UPS系统有破坏性影响。如有必要,一定要配置相应容量的工业型UPS,因其内部采用DsP整流,具有稳定性,且具有隔离变压器,可减少负载对UPS的冲击。

(9）如今,智能配电技术加快了供电网络的升级,但技术工作人员的整体水平非常有限,与先进的技术水平脱节,整体的技术应用相对落后,所以企业要加强技术人员技术管理培训及与厂家的技术交流。

4结语

通过上述分析可以发现,提升UPS系统的供电可靠性是一项艰巨的任务,要从外在因素和内在因素两个方面进行改进。内在因素方面,要做好UPS供电系统的整体配置与设计优化,并跟踪好更新元件的交接试验、带负荷测试及录波分析,提升系统组件及接线质量,确保整套设备运行正常可靠:外部因素方面,要细化巡查方式,对UPS系统组件及相关负荷回路开关、接触器、继电器等元器件进行定期检验,对老化明显的进行更换,做到有效预防,做好厂内各UPS之间以及与市电之间的统筹配合,并对故障率升高至较为频繁的UPS及时进行整组更换。这两个方面的工作,可以有效保障UPS在配电网中供电的安全性,虽然还有许多其他方面需要细致考虑,但只要系统地分析各个环节,精心考虑优选所有组件,是可以保证UPS系统整体的供电可靠性的。

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