提高低压保障性电源可靠性探讨

2020-05-12申国君

中国设备工程 2020年6期

关键词：旁路电池组静态

申国君

（安阳钢铁集团有限责任公司，河南安阳 455004）

1 现状

安阳钢铁股份公司动力厂有燃气锅炉及汽轮鼓风机等大型机组，控制系统的电源都是使用低压保障电源提供，动力厂共有低压保障电源56台套，具体供电方式分四种。

1台UPS主机，主机进线只有一路市电，旁路开关也是使用的这路市电，主机出线直接带负载。见图1。

1台UPS主机，主机进线处采用双切换开关，把两路不在同一变压器下的市电进行联锁互投，时刻能够保持任一路有电电源的畅通，任何一路市电掉电都不会影响UPS主机电源的供应。出线处直接带负载。见图2。

图1

图2

双UPS冗余供电方案，基本构成是由两台具备冗余功能的UPS组成，两台UPS的进线采用同一市电电源，两台UPS的出线采用母线并联，UPS主机之间使用并机线进行状态、数据交换，以达到两台UPS主机均分负荷，不产生环流的目的。见图3。

图3

图4

利用一台UPS主机供电，但是在UPS主机的出线处，使用输出选择电路，一种是电磁接触器、继电器组成的控制选择电路，一种是静态切换开关STS作为控制选择电路。其中UPS作为主电源使用，只有在UPS发生故障，旁路开关也不起作用，输出彻底断掉后，输出选择电路会自动切换至另一路市电供电。见图4。

2 原理及优缺点分析

分析电源或设备是否可靠时，要看工作流程中是否存在单点瓶颈现象，结合以上状况判断当低压保障电源的进线、UPS和出线只有一条路途的时候，路途中的任何一个设备都可能成为单点瓶颈，只有依靠多条途径进行供电，使之形成进线有冗余，中间设备有冗余，输出也能够形成冗余，才能够提高低压保障电源的可靠性。

由图1可以看出整台低压保障电源只采用了一台UPS作为电源的后备手段，当UPS正常运行时，市电通过整流器变换成为直流电，一方面为电池组充电，一方面输入到逆变器，逆变器再把直流电转变为交流电输出。当市电停电时，电池组无接缝的把直流电输送给逆变器，变换成交流电后输出，这中间没有时间停顿，对负载没有任何影响。但是当UPS整流器或逆变器发生故障跳旁路时，会有一个毫秒级别的切换时间存在。虽说不会对PLC等下级负载产生影响。问题是当UPS本身的控制电路或电池组发生故障时，就会发生断电事故。如市电断电，电池组有故障，就会导致UPS的输出掉电。这种故障几率能占30%，因为电池组一般在电池箱中放置，平时处于封闭状态，属于设备隐蔽部位，当电池组长期无法放电、电池漏液爬酸、电解液干涸、极板翘曲等一系列不正常状态没有被发现时，都会使电池组突然失效，而单市电输入使静态旁路开关也失去选择作用，造成UPS的无输出。这种单市电输入的模式只存在于早期电源设计不充足的站所中，这种设计现在使用很少。

为了弥补第一种电源的不足，第二种电源形式就考虑到引用不同低压段电源做冗余，图2中的考虑因素为电源切换开关第一路失电→电源切换开关第二路失电→电池组供电→电池组电能耗尽→转入旁路开关→使用旁路电源供电。理想状态下，这种配置可靠性是很高的。据有些统计资料，可靠性为0.95，但是当UPS的控制电路发生故障时，就会发生逆变器不工作而又切不到静态旁路开关的状况。在这种情况下UPS就会没有输出，致使负载失电。从图中可以看出，UPS本身控制电路正常是保证整个电源正常的瓶颈，作为电子线路，如果UPS受到电网冲击，控制电路很容易检测错误产生误动或拒动。降低了可靠性。图2中的低压保障电源供电方式占全部30%。

图3是目前新兴的冗余UPS供电方式，它是利用至少两台UPS做为互备电源，其中又分为串联互备和并联互备，动力厂目前全部采用的并联互备方式，冗余供电方式是从一些极重要的部门或企业发展开来的，如一些数据中心、通信机房和核电站等，它们都是不允许供电中断的部门，所以有很高的电源保障要求。但是安钢做为冶金企业有其自身特点，首先是资金问题，提高电源保障级别后所需的资金巨大。其次是电源质量问题，冶金企业的特点是大功率设备多，调速变频设备多，造成电源质量低，像电源电压波动大，谐波、尖刺脉冲等干扰多，电压闪变等。最后是容量问题，一个站所或机组能够使用低压保障电源供电的设备少，一般不超过30KVA，绝大多数在（6～15）KVA，由于设备制造商对于小容量UPS的冗余设计支持力度小，所以对于并机环流控制和负载的均衡控制做的不是太好，从使用经验来看，动力厂10余套双机并联冗余系统，在投用两年内，陆续出现了各种问题，故障率比单机运行高，从侧面证明小容量冗余系统的不成熟。

鉴于冗余系统的不成熟，图4供电模式逐渐在生产现场得到应用，因为一，它解决了输入电源的冗余，使得只要有任一路电源有电，都能保证有一路电源输出。二，依靠SPD浪涌保护电路来提升输入电源的质量，减少UPS因电源质量不高而造成的故障率。三，当主电源失电，UPS转入电池供电模式，电池耗尽电能后UPS转入静态旁路，由旁路电源提供后备电源，当旁路电源失电后，可由输出选择电路自动切换至第三路市电，形成电源的梯次进补机制，提高了可靠性。输出选择电路有两种形式，一是由接触器和继电器等组成互锁互投电路，可设计加入主电源选择电路（即当主电源失电又再次得电时，输出选择电路可以自动切回UPS供电模式），电源切换报警等功能。优点是成本低，发生故障时设备便于观察，方便判断。更换备件时方便，可不停电更换部分备件。缺点是接触器是行程元器件，在电源切换的过程中不可避免的要产生切换间隙，时间的长短取决于接触器的性能，一般都在几百毫秒，一些对断电时间要求严格的AC220VDI、AC220VDO模块可能受到影响。第二种是由静态切换开关STS来实现，其实静态切换开关STS和UPS本身的静态旁路开关的工作原理是一样的，只是保护功能做的更全面一些，它包含高低压保护、智能切换、超载保护等功能，它的最大的优点是采用高速可控硅，没有机械动作原件，切换时间短，可以达到6毫秒级别，基本可以满足PLC等控制系统的供电要求。缺点也很明显，由于主、备电源全靠STS来切换，重新产生了瓶颈问题。该模式占全部应用60%。

3 综述

4种方案集中了低电压保障性电源在我厂的起始和发展，从发展的趋势来看，现场设备和PLC采用直流低压供电是一个不错的选择，因为直流电源也可以采用冗余并联的方式来提升电源的可靠性，并且控制起来也更加容易一些，不像交流电，需要考虑电源频率、相位、幅值和功率控制，监测和控制都复杂得多。但是目前现场设备和PLC的电气输入输出设备，加上重要的联锁设备和安全控制设备，约60%是需要交流电来工作的，这也是低电压保障性电源淘汰不掉的重要原因。