UPS系统与市电不同步引发的DCS系统元件烧损原因分析

（酒钢（集团）能源中心，甘肃嘉峪关 735100）

1 某电厂DCS电源配置概述

某电厂120MW 燃气机组设计为发-变单元机组，燃机机组采用MARK-VI 控制系统，随燃机配套。除燃机机组外辅助系统采用DCS 控制，辅助系统主要含空压机、CEMS 系统、电气、控制、计量系统等。

辅助系统(DCS)电源配置，两路220VAC 供电电源，一路取自UPS，另一路取自厂用电，并设置电源自动切换装置，DCS 电源配置接线框图见图1。交换机和电源模块采用交直流输入。

电源切换模块原理图见图2。设计采用二极管桥式整流回路，将交流电转换为直流电供负载使用。一路电源由D1 至D4 组成，J5 为一路电源监视继电器；二路电源由D5至D8组成，J6为二路电源监视继电器，两个全桥整流电路直流输出端并联，两路电源输出直流电压较高的一路电源为供电主回路负荷，输出电压较低的另一路为备用，当主电源出现故障或电压小于备用电源输出时，处于备用的另一路电源自动切换。

图1 DCS电源配置原理框图

前期装置上电调试，电源切换装置输出正常，DCS工作正常。

调试将要结束视频系统接入时，发生电源自动切换模块输出电压过高，造成烧损两个电源模块，两个电源转换模块，一块主控制器，一台交换机的事件。

图2 电源切换模块原理图

2 存在的问题及原因分析

2.1 存在问题

（1）UPS 旁路电源停电，UPS 输出失去相位基准。

（2）电源切换模块存在寄生回路。

（3）视频系统双电源切换装置内部直接将两路电源的N短接在一起。

2.2 原因分析

2.2.1 电源切换模块输出电压工作原理

（3）同时送两路电源，UPS 旁路电源正常运行，输出电压相位按旁路电源（即市电输入Uac）相位输出，见图4UPS 电源接线原理图。电源切换模块输出的电压按市电与UPS 整流值较高的输出，电源模块运行正常，用电负荷运行正常。

（4）同时送两路电源，UPS 旁路电源停电，UPS输出额定电压额定频率，但输出电压的相位无基准参考，即相对市电相位不同步，0°至360°之间随意位置波动。电源切换模块输出的电压按市电与UPS整流值较高的输出，电源模块运行正常，用电负荷运行正常。

（5）同时送两路电源，UPS 旁路电源停电，间接使用了公用接地（视频系统电源切换装置配置切换原理是UPS 电源输出电源中性线线与厂用电电源的中性线直接短接在一起，市电La 与UPS 电源L1通过双向可控硅快速切换输出）。

电源切换模块寄生回路被触发，当市电与UPS输出相位在60°至300°之间时电源切换模块的输出直流电压在300 V以上波动，最高可超过600 V。

2.2.2 寄生回路分析

寄生回路，(或称假回路)是在线路动作过程中意外接通的电路。分析见图2 电源切换模块原理图，一路电源相线对应的桥臂D1、D2 与二路电源相线对应的桥臂D5、D6 组成一个整流桥，输出电压为两路电源相线L1、La 之间交流电压的全波整流值。因为UL1≈ULa，两火线之间的电压UL1La=2ULasin(α/2)。见图3两路电源输入输出向量图。

两路电源相线L1、La之间相位差在-60°（300°）至60°之间时，D1、D2 与D5、D6 组成的寄生回路整流桥输出电压小于一、二路电源对应的整流桥输出电压，寄生回路没有显现出来。

图3 两路电源输入输出向量图

两路电源相线L1、La 之间相位差在60°至300°（-60°）之间时，D1、D2与D5、D6组成的寄生回路整流桥输出电压大于一、二路电源对应的整流桥输出电压，寄生回路显现出来。

两路电源幅值相等，由于存在相对相位，使得相线之间存在电压，幅值大小周期性变化，最大输入电压为440 V，最小为0 V。

UL1La交流电压的电压随L1、La之间的相位变化而变化。当UPS 输出电源与厂用电同步相位相同时，L1、La之间电压为最小接近0 V，当UPS 输出电源与厂用电不同步相位相差180°时，L1、La之间电压为最大接近440 V，电源切换模块的输出直流电压最高可超过600 V。

UPS的输出电压，在有旁路电源情况下，输出相位、频率以旁路为基准，即UPS 输出电源与旁路电源(厂用电)同步；在没有旁路电源时，不间断电源UPS按照设置参数控制输出电压相位、频率，失去基准，这种情况下即UPS 输出电源与旁路电源(厂用电)不同步。见图4 UPS电源接线原理图。

图4 UPS电源接线原理图

2.3 激发寄生电路输出高电压造成设备损坏的同时需要满足的三个条件

（1）存在寄生电路回路。

（2）当UPS 无旁路电源时，UPS 输出(相位失去基准)与厂用电不同步，UPS 输出与厂用电相位差大于60°，满足了电源切换模块输出高电压条件之一。

（3）UPS 电源输出中性线N1 与厂用电中性线N2 短接在一起，UPS 失去隔离作用，满足了电源切换模块输出高电压另一个条件。

3 解决方法

（1）UPS电源输出始终与厂用电保持同步，分析认为不可靠，因为UPS 旁路电源有意外停电的可能性。

（2）使用隔离变压器，使两路电源无电的联系，使得寄生回路不触发，也不可靠。UPS 电源本身已经设计了隔离变压器，但被外回路轻易通过N 线公用就失去了隔离作用。

（3）更换不含寄生电路的电源切换模块（即电源不能并联切换继电器）。切换时间慢，存在切换时间的短暂中断。

以上三种解决方法各有不足，最终综合选择方法是，取消220 V 环节电源切换功能模块，增加220 V/24 V 电源模块，两路电源分别直接接入220 V/24 V 电源模块，220 V/24 V 电源模块24 V 输出经过逆止二极管后并联为DCS供电。

4 结束语

（1）使用二极管隔离，必须建立在不同电源独立没有电联系的基础上，否则必须使用可靠隔离。

（2）同时使用接地系统（市电）和不接地系统（UPS 系统）供电的双电源切换装置，应防止任何形式的N线被短接在一起。

（3）消除一切寄生回路。

（4）发电厂DCS 是机组控制中枢，基于供电系统的高可靠性要求，是这种供电方式选择和设计思路，对于火力发电厂、设备成套供应单位的设计和调试工作具有良好的参考借鉴意义。