化工企业UPS电源故障处置对策研究及应用

0引言

某高含硫天然气净化厂(以下简称“净化厂”)是一家主要从事天然气净化(含硫磺加工)的化工企业,净化之后的天然气通过庞大的西气东输管道网络,输送到国内能源需求旺盛的中东部地区。天然气净化是一个不间断的生产过程,其关键负载在日常运行中对电力连续性的要求极高^[1],断电可能引发数据丢失、系统崩溃甚至硬件损坏等问题,从而对生产工作带来严重影响^[2]。所以,亟需对增强UPS电源的运行控制灵活性,提高运维效率,实现故障的便捷诊断与快速恢复等方面展开研究。

本文以该净化厂为例,分析UPS电源运行不稳定原因,然后进一步对UPS电源故障处置方法和如何提高UPS电源运维效率进行探讨。

1 UPS电源基本概况

1.1 UPS电源的作用

不间断电源(Uninterrupted Power Supply,UPS)内部配置足够容量的固定型蓄电池组,当市电输入正常时,它能稳定电压并同时为内部电池充电^[3];当市电出现中断或异常(电压浪涌、瞬态尖峰、谐波干扰、频率漂移等)时,UPS电源会立即通过逆变器将内部电池储存的直流电转换为交流电,主要为电力系统及仪表系统联动预警装置、关键设备和仪器等重要设备提供连续、无间断且稳定的电源,从而避免因电力问题导致的数据丢失、硬件损坏和业务中断。所以,UPS系统的工作稳定性和运行效能直接影响到企业安全生产的平稳进行。

1.2 UPS维护要点及温度对蓄电池寿命的影响

UPS设备应保持稳定,避免剧烈震动和冲击,并远离导电性、爆炸性尘埃,明显腐蚀性气体以及热源,且UPS室应保持清洁,尤其是UPS设备的表面、散热风口、风扇及风道^[4]。为减少因UPS设备失效而导致UPS系统出现故障的情况发生,在UPS设备的日常使用维护中,应对其进行定期检查,如监测UPS输入/输出参数和电性能指标,观察蓄电池外观有无鼓胀漏液,注意其工作温度和通风散热情况等。根据维护计划,定期进行蓄电池放电活化操作,一般每6个月至1年进行一次放电操作,以便评估蓄电池状态,及时发现并更换性能衰退的蓄电池单元。

1.3导致UPS电源运行不稳定的原因分析

UPS电源主要组件包括整流器、逆变器、静态开关和控制单元等,主要由电力电子器件构成。与一般的电气器件相比,可控硅、晶体管、大规模集成电路、 IGBT等电力电子器件的寿命较短,因此造成UPS电源故障的概率相对较高,超过一般的电气设备。

1)输入电源质量问题及其影响。输入电源质量是影响UPS稳定性的首要因素。现代电网中的电压波动、频率漂移、谐波污染和瞬态脉冲等现象,对UPS的正常工作构成严重挑战。电压波动可能导致UPS频繁切换至旁路或电池模式,不仅增加了电池的负担,还可能引起电压输出不稳定。谐波电流会增加UPS逆变器的损耗,降低效率,严重时还会导致设备过热或保护装置误动作。此外,雷电冲击或电压突变等瞬态事件,虽然发生概率较低,但一旦发生,若防护措施不足,将直接损害UPS内部敏感元件。

2)温度对UPS电解电容的影响。高温是导致绝缘老化的直接原因,随着绝缘材料温度升高,其氧化速率也会加快,从而加速了绝缘老化过程。UPS的蓄电池在运行温度20~25℃条件下浮充寿命为10年,根据阿仑尼乌斯理论,蓄电池运行温度越高,寿命越短。当运行温度超过25℃时,每增加10℃,密封阀控铅酸蓄电池的实际使用寿命将缩短约一半。电解电容的故障可能会导致UPS系统不稳定,同时还存在诸如漏液、绝缘击穿甚至爆炸等安全隐患。因此,在其使用寿命到期之前,必须对整个电解电容进行更换。

3)浮充电压过高对UPS蓄电池的影响。UPS新的蓄电池投用一般要经过初充电、放电、再充电、浮充电和并入使用等环节,当蓄电池经过一段时间的使用后,会产生一系列问题,如蓄电池内部浮充电压过高,会使电池内气体排放的速度加快,导致电池干涸^[5];由于电池缺水,会导致电池容量极速下降。

2净化厂UPS电源运行状况

净化厂自成立至今近10年,其UPS电源设计使用寿命为10年,现已投用9年,UPS电源接近其使用寿命。如今蓄电池老化情况逐步严重,近几年更换已损坏和容量不足的蓄电池数量逐步上升。

2.1 无法对UPS实现运行状态实时监测

净化厂的UPS设备安装在10 kV变电所和仪表机柜间,这些区域分布广泛且无人值守。随着设备长时间运行,配件部分如电容器板件老化速度较快,蓄电

池容量会减小,但运维人员无法实时了解UPS运行状态和参数的变化,一旦发生故障,只有通过运维工作人员每天一次的巡检才能发现,然后再进行处置。2023年共发生9次UPS故障,各次故障从发生至处理完毕的时长如图1所示,经计算,平均恢复正常运行的时长高达10.1 h。故障情况常常因为滞后性问题不能及时发现,因此无法满足快速处理故障的需求,致使为变电所五防、通信,仪表机柜间DCS等系统供电的可靠性不足,继而因UPS供电不稳定还增加了电力系统误动作以及仪表系统联锁停机停泵的可能性。

2.2 UPS不能时刻为负载提供电力保障

当UPS需要更换静态开关、整体固件升级时,在执行更换、升级操作和维修的过程中^[6],UPS将暂时无法履行其核心功能,即无法为依赖稳定电力供应的关键负载提供不间断的电力保障。此外,因输出滤波板介于输出开关QF5、仪表柜QF6开关之间,当输出滤波板故障时,必须将UPS完全停机才能对其进行更换。UPS原理如图2所示。

3 UPS电源改造方法

3.1增加脱机维修旁路

在UPS的仪表柜QF6开关后方增加一个QF7开关,然后从旁路柜的备用开关QF3处连接一根电缆至仪表柜QF7开关处,如图3所示。此时,当UPS因更换输出滤波板、更换静态开关等必须将UPS设备完全退出、停机时,可实现UPS在线脱机检修。通过增加脱机维修旁路的措施,可满足为变电所五防、通信,仪表机柜间DCS系统等关键负载连续供电的要求。

3.2增加蓄电池在线监测系统

传统的蓄电池端电压测量方法是在蓄电池浮充状态下使用电压表来测量各个蓄电池的端电压。对于开口式铅酸蓄电池,还需要测量其液体比重。然而,在浮充状态下,端电压实际上只是化学势,无法准确反映出容量已极度缩小的蓄电池的当前状况。因此,仅通过在浮充状态下测量蓄电池端电压来判断其好坏并不可行。蓄电池在线监测系统由收敛模块(监控主机)、TA模块(单电池检测模块)、TC模块(电流检测模块)以及相应安装附件组成。收敛模块配备LCD显示,并通过RS485接口或网络端口上传数据。蓄电池在线监测系统通过设置端口号、IP等,并在机柜内的网口进行映射,同时利用后台软件完成配置和调试工作,从而实现通过检测模块收集蓄电池单体的电压、电流等信息,收集到的信息通过收敛模块的COM5或LAN上传接口,采用MODBUS/TCP 通信协议及RS—485(两线制)通信模式的有线通信技

术,与配电自动化主站进行数据交换。该系统接入电力调度中心的SCADA系统,使得计算机能够通过网络或串口与蓄电池监测设备连接,获取包括单体电池电压、内阻、温度以及总电压、充放电电流、环境温度在内的数据,如图4所示。同时,它还能实现对蓄电池单体故障进行报警并定位的功能。

4 UPS电源改造效果

上述措施的实施,显著提高了净化厂UPS供电可靠性,具体改造效果如下:

1)实现了全天候实时监测UPS电池状态,有助于提前发现潜在故障,同时实现了设备的预防性维护,减少了意外停机时间和维修成本。

2)实现了故障报警,在电池数据异常时能自动触发声光报警,方便值班人员及时判断并采取应急措施。2024年,净化厂UPS电源共发生4次故障,单次故障的平均处理时长从10.1 h缩短至1.7 h,如图5所示,极大地减少了故障次数和处理时长。

3)在更换静态开关、输出滤波板此类配件时,UPS 不再需要停机处置,显著提升了变电所五防、通信及仪表机柜间DCS等关键系统的供电稳定性。

4)实现了数据管理的便利性,UPS电池正常和异常数据会被记录在服务器中,方便运维人员查看和调用历史数据。

5 结束语

本文以某高含硫天然气净化厂为例,针对UPS可靠运行的难点,采取了增设脱机维修旁路与增加蓄电池在线监测系统的双重优化策略。这两个优化策略设计简单、便于施工,且后期维护便利,可为类似场景的公司UPS电源设备故障处理提供参考。

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2025年第3期第20篇