大型制造企业UPS安全隐患分析与管理技术要点

孙 耀,刘 琼,董大亨,赵荣泳,陆剑峰,张 浩

(1.中国商用飞机有限责任公司,上海 200120；2.同济大学电子与信息学院CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

不间断电源系统(uninterruptible power supply,UPS)是IT快速发展和大数据时代重要的应急供电保障设备，应用日益广泛。不间断电源设备在系统电源故障时，在规定时间内向用户设备供电，从而可以保证用户不因突发停电而影响工作或丢失数据[1-3]。然而，由于先进材料UPS设备维护保养的专业性要求高、使用工况差异性较大、行业标准和规范差别性大，以及安全管理措施缺失等原因，导致使用3年以上的UPS设备过冲电、短路和爆燃事故频发[4]。该类安全事故随机性和不确定性明显，已日益成为大型制造企业安全管理的重点。为此，本文深入分析大型制造企业不间断电源设备安全隐患，提出UPS设备管理技术要点，为规范UPS安全技术管理和大数据背景下大型制造企业智能制造规划提供安全技术参考。

1 不间断电源结构与原理

作为应急供电设备，为了保证运作系统在突然断电时，能够在规定时间内正常工作，不间断电源配有一套独立的蓄电池组。在外部电源正常供电情况下，UPS通过外部电源给蓄电池组充电。当外部电源因故障断开时，蓄电池组从充电状态切换至放电状态给负载供电。根据向负载供电时逆变电路是否保持在线工作，UPS可以分为两大类：在线式UPS和离线式UPS。

1.1 在线式UPS设备结构与原理

在线式UPS由于线路简单、设备要求低，日常生产生活中使用较为普遍。在线式UPS的工作原理是无论电网供电是否发生故障，逆变电路始终处于工作状态[5]。在线式UPS工作原理如图1所示。

图1 在线式UPS工作原理图

UPS正常工作时，旁路开关断开。在这种情况下，如电网电压供电正常，电网电压输入首先经过噪声滤波器滤除电网电能中的高频干扰信号，获得相对纯净的交流电压；接着电能进入整流电路，将交流电整流变成直流电。之后电能分为两路，一路电能给蓄电池组供电，保证UPS设备具有足够的应急电能；另一路通过逆变器将直流电变成220 V、50 Hz的交流电，供给交流负载正常运行。同样，在UPS正常工作的情况下，当电网电压中断时，市电输入被切断，整流器电路不再工作。这时蓄电池从充电状态切换至放电状态，蓄电池放出的直流电能，通过逆变电路转换成交流电，供给负载正常运行。但是，当微处理器的传感器检测到UPS发生故障时，UPS利用继电器原理实现旁路开关闭合，由市电应急供给负载电力，并发出故障报警[6]。

1.2 离线式UPS结构与原理

离线式UPS工作原理如图2所示。

图2 离线式UPS工作原理图

当市电供电正常时，旁路开关l断开，旁路开关2与上支路吸合。市电输入后，通过滤波电路后，一路给用户负载供电，另一路经过整流交流电变成平滑的直流点后给蓄电池充电。通过图2可以看出，当市电供电正常时，逆变器输入和输出电路皆断开，故称为离线式UPS设备[7]。当市电突然停电时，旁路开关l和开关2联动，电池电流经逆变器开始输出供电，转换供电所需时间主要取决于继电器触点开、合的时间(一般为3～9 ms)。所以严格地说，离线USP是间断时间非常短的接续供电器。由于它输人、输出直通市电，而且继电器开/合时有脉冲产生，故它不具稳压效果。

2 常见安全隐患

UPS设备是一种重要的蓄能和供电装置。由于其技术发展相对较早，应用范围十分广泛，作为常见设备，人们常常忽视对其维护和监管[8]，使用过程中容易存在一些常见的安全隐患，如不予以重视，会造成重大损失。由于不间断电源系统由整流器、滤波器、逆变器、交流静态开关和蓄电池组等组成，结构复杂，另外应用场所不一，所以USP设备在使用过程中存在的安全隐患也众多复杂。为帮助使用者直观清晰地获取UPS设备的使用注意事项，本文利用鱼骨图因果分析法，将常见的UPS使用安全隐患进行图解分析，使得隐患要素层次分明、条理清晰。其中包括十条典型要素。

①安装位置不合理。UPS的安装位置非常重要，未能合理选择安装位置会导致潜在风险，常见的安装位置错误有：UPS电源侧放；放置位置通风效果差，临近水、可燃性气体或腐蚀剂；使用环境温度低于0 ℃或者高于40 ℃，在低温环境下拆装，由于会有水滴凝结现象，易引起触电，在高温环境下电池寿命易缩短；未选用有过流保护装置的供电插座，插座未接保护地端，易造成人员触电。

②UPS长期闲置。蓄电池组作为UPS设备中重要的储能设备，当设备长期闲置不用时，蓄电池的内阻会增大，造成电池的可充和放电性性能变差。加之维护保养不当，蓄电池容易起火。

③错误操作UPS开机和关机顺序。开机时应该先打开UPS设备，再接负载。但是如果使用人员错误操作开机顺序，开机瞬间电流的冲击会给UPS造成很大损害；关机时顺序正好相反，不然会造成负载损伤。

④UPS负载不匹配。使用人员为了缩减成本或者一时应急，过载使用UPS。然而过载所造成的设备超负荷运行会严重缩短UPS设备使用寿命；另外，长期供给过小的负载也会造成UPS设备过电流等不正常状态。合理的负载应该控制在50%～80%。

⑤人员操作不当。UPS设备正常是220 V的市压供电，一旦操作人员忽视UPS的输出电压和电流较大，易发生严重的触电事故。常见的不安全操作有：对电池进行维修保养时，操作人员使用的螺丝刀等工具不带有绝缘手柄；将工具或其他金属物品放在电池上；接线时，出现短接或是蓄电池组的正负极反接现象；将不同规格、不同品牌的电池随意组合。

⑥首次充电不当。由于UPS设备采用老式的铅酸电池居多，新购置的设备需要进行不低于12 h的首次充电。如首次充电时长不够或电网电压不满足220 V等不正确的充电行为，会导致设备充电不足，从而导致蓄电池的容量大大低于标定容量。

⑦无实时监控。目前市场上UPS电源多采用阀控式铅酸电池，因此厂家便声称其为免维护电池，造成用户误解所买的UPS设备既耐用又不用维护。这导致许多用户在使用UPS设备时都疏于对设备的实时监控及定期维护。

⑧错误使用交流稳压器。使用UPS电源后无需在使用交流稳压设备，如用户错误再用稳压器会影响蓄电池寿命。加之维护保养不当，会引起蓄电池起火。若必须使用交流稳压器，应加在UPS 的前级，USP后级接负载。

⑨蓄电池未均衡充电。UPS设备在使用过程中，如发生以下情况，会造成蓄电池组不均衡充电：使用过程中过量放电，会导致端电压低于蓄电池规定的标定电压；蓄电池放电使用后，未能及时对蓄电池组进行充电；电池组长期闲置不用；市电中断，连续浮充的电池；放出近一半容量的电池。

⑩错误使用柴油发电机。因柴油发电机供电频率不太稳定，所以错误使用柴油发电机为UPS供电，会影响UPS的正常运行，容易导致发生意外事故。

安全隐患鱼骨图如图3所示。

图3 安全隐患鱼骨图

3 相关行业标准

UPS系统作为所有设备运作的供电基础，被广泛应用于各个行业邻域。1996年，我国国家标准GB/T 14715-93 《信息技术设备用不间断电源通用技术条件》出台。此标准是UPS产品的通用技术条件(简称“通用技术条件”)[9]。由于当时我国UPS技术开发和制造业信息管理处于起步阶段，无论是技术水平或单机容量与国外产品相比尚存在较大差距。所以在一些标准制定上存在缺陷。随着我国UPS设备的应用普及，不同行业分开始制定UPS设备行业标准。以下就一些典型标准进行分析。

3.1 信息行业国际标准

信息机房安全管理规范(ISO 45001-2017)中，多处对UPS设备工作环境与维护作了详细的规定[10]。

3.1.1 运行环境

机房维护保养人员应该定期检查机房的温度、湿度和空调运作状况，并制定《信息中心机房记录表》，维护或者使用情况按时记录。机房温湿度保持在合适范围，机房的适宜温度为18～28 ℃，适宜湿度为40%～70%，并保证机房不发生结露现象；机房内严禁存放易燃、易爆、腐蚀品、放射性及强磁场物品；机房中应配备防尘、防火、防水、防鼠等设施,以及消防报警系统[11]。

3.1.2 使用与维护要求

机房内精密运行设备必须由UPS不间断电源进行供电，保证设备电源供电质量；UPS设备作为市电运行设备，必须防止突发触电情况，设备必须配有接地设施，接地电阻符合规范标准；机房管理员应每周一次对UPS运行设备、运行环境进行检查，并严格记录运行情况。

3.2 邮电行业标准

2001年，我国通信行业针对UPS设备使用规范问题，制定了YD/T 1095-2000《通信不间断电源-UPS》 行业标准，为通信行业UPS电源生产、使用和监督等工作提供了技术依据，规范了通信领域中的UPS市场[12]。通过YD/T 1095-2000行业标，我们可以获取到邮电行业UPS设备的一些使用规范。其中包括正常使用条件环境温度为5～40 ℃：相对湿度≤93%{(40±2)℃,无凝露}；海拔高度应不超过1 000 m；贮存运输环境及机楲条件温度:-25～+55 ℃(不含电池)；UPS设备在正常使用环境条件下,平均无故障间隔时间(mean time between failures,MTBF)应不大于100 000 h(不含蓄电池)，超过使用期限应及时更换设备。

3.3 铁路行业标准

为规定铁路通信用不间断电源设备环境、技术要求和检验方法，我国出台了TB/T 2993.3-2016《铁路通信电源第3部分：通信用不间断电源设备》标准[13]。以下重点解读铁路通信用不间断电源设备的环境要求和技术要求，从中可以获取铁路行业使用UPS设备规范。

3.3.1 环境要求

在铁路行业，为适应不同的运行环境，UPS设备类型分为室内型和室外型。要求运行环境防低温、高温，防湿防潮等，由于铁路行业运行环境相对恶劣，尤其对于室外型UPS设备，所以在制造过程中已经很大程度上提高了环境耐受度。对于室外型UPS设备的制造有多种分类。按运行环境温度分为I型(-40～+45 ℃)和II 型(-10～+45 ℃)；工作相对湿度为不大于95% (不结露) 。

支出标准体系建设初见成效。在山东省各级财政评审机构的共同努力下，项目支出预算编制规范和项目支出标准渐成体系，在全面规范财政预算管理、提高财政资金分配效益等方面发挥了重要作用。如，省财政出台了办公业务用房维修改造支出标准，制定了政务信息化软件开发项目支出评审标准，着手开展政务信息化项目运行维护费用支出预算标准制定。

3.3.2 技术要求

为了保证UPS设备蓄电池组正常运行，依据UPS设备规格型号的不同，设备的输入电压范围可选择±10%、±15%、±20%、±25%等[13]。在铁路通信中，一般室内型UPS设备应用在铁路沿线车站和区间机房的外供电情况下，其输入电阻一般可变范围在±20%；室外型 UPS设备应用在区间室外或隧道内，由于外供交流电形式多样，参考TB/T 2169-2002的规定，室外型UPS设备的可变范围规定在±30%。为了保证设备运行安全，使用时应严格按照要求。

并机冗余是提高系统安全运行的有利方法，在GSM-R核心网机房的交流不间断电源供电系统中，常采用并机冗余方式运行。并机冗余是将同型号、同容量并具有并机功能的2台或者多台UPS设备的输出端并联，进一步提高负载电压的稳定性。

4 UPS性能指标速算模型

为了便于安全管理，本文梳理行业内通用UPS性能指标速算模型。在UPS蓄电池组放电过程中，衡量UPS电池组性能的指标有：满载时蓄电池放电时间、带载不足时蓄电池放电时间、负载容量、UPS运行中内部温度[12-15]。本文假设温度对电池组性能影响最小，且UPS运行温度基本维持在合理范围，即温度影响不予讨论。

4.1 满载放电时间

设UPS设备标准功率为P(VA)，用直流电池组时转换电压为UZ，转换电流为IE，蓄电池容量为N。则电池组放电时间F计算公式如下。

(1)

式中:0.8为电池组放电时将化学能转换为电能的功率因素。

满载时放电时长为：

(2)

式(2)表明：当一组电池放电时间为0.88 h时，如想延长放电时间，则需多并联几组电池；每多并联一组，放电时间对应延长1倍。

4.2 电池组性能优劣计算与分析

设满载放电时间为tm，放电过程平均负载R% ，放电时长为tr，则该UPS电池组性能因子Per运算公式为：

(3)

tm÷R表示该UPS电池组无损耗时带R负载的放电时长，tr为带R负载时实际放电时长，两者相减则为该UPS电池组减少的放电时长，应放时长除以实放时长则为性能因子Per。Per越大，电池组性能越差；反之，Per越小性能越好。Per可以作为维护人员维护电池组时重要的数据依据。

5 无人值守机房UPS安全管理技术要点

根据人防为本、技防为主和技术驱动的管理原则，结合各类行业标准，本文提出制造企业机房不间断电源安全管理的技术要点。

①环境条件。通风散热条件良好，室内性UPS环境温度40 ℃，相对湿度≤93% (40±2)℃，无凝露；室外型UPS 极寒条件下，采用I型(-40～+45 ℃)，普通条件下，采用II型(-10～+45 ℃)；工作相对湿度为≤95% ，并保证不结露，无强磁场干扰。

②运行条件。输入电压可变范围确定为±20%，交流电频率波动范围为50×(1±1%)Hz。

③操作与保养要点。对于长期闲置的UPS设备，在再次使用前，需将设备充电12 h后再接负荷。若UPS电源长期不用，应每隔2～3个月开机24 h，让其充电充分以保证电池的正常寿命。对于离线式UPS设备，逆变电路上时间不运转会设备老旧，因此每隔一个月让逆变器工作2～3 min，以激活长期闲置的蓄电池。

④淘汰更新机制。一般正常使用的UPS，其电池寿命不超过3年。使用UPS性能指标速算模型评估电池性能，及时保养或更换旧电池。

⑤多模式监控。配备UPS自监控型设备，自动监控充电电流、放电电流、充电电压、放电电压、电池容量等主性能。对于异常情况，及时进行屏幕提示和短信提醒；建设机房UPS柜外监控系统，包括视频监控、温度场监控、烟雾监控、敏感泄漏气体监控等功能，实现及时屏幕和警笛声光报警、短信和手机APP报警消息推送。

⑥应急处置要点。收到或者现场发现UPS故障报警后，第一时间确认警情，断开UPS供电电路；救援现场工作人员及时报警(厂内或者厂外)；如遇电池突发起火情况，应选用干粉灭火器灭火。

6 结束语

制造企业各类生产站点UPS设备为保障生产核心逻辑和存储单元连续运行提供了可靠电源供给，UPS这类特属于电源设备的重要性日益突出。随着新型电池材料的发展，UPS设备性能也会不断提高。这就要求根据不间断电源系统的技术要求，动态监控UPS系统运行；合理评估电池性能，及时保养和维护UPS电池等各主要模块。在安全管理方面，也要求技术防范措施紧密复合UPS设备自身的操作和维保要求。对操作人员进行专业培训，杜绝各类误操作事故。另外，随着物联网和智能感知技术的发展，新型UPS的性能将实现动态、可预见的评测。这就要求打破传统的定时或者定期维护保养的管理模式，发展成按照UPS供电性能和带载性能动态维保的管理模式，科学保障应急电力供应，同时也将有效节约电池等材料资源，实现不间断供电系统的智能高效运行。