电厂UPS故障分析和改进方案

袁 波

（三河发电有限责任公司生产技术部，河北 三河 065000）

引言

UPS是一种集数字、模拟、自动控制和少维修的电子设备，可以对电源进行有效的净化。在电源断电的情况下，UPS可以将直流系统（蓄电池组）作为后备能源转换为重要负载所需的交流电源，使得负载不断电的持续工作，同时也让用户有足够的时间去处理相关数据和系统交流停电后的工作。工业级UPS系统包括工业级UPS主机、旁路柜、直流系统（蓄电池组）和配电柜。在实际使用中，各种设备会因为某些原因而不能正常工作，所以，要确保在出现故障的时候能够快速找出故障点，深入地剖析故障产生的原因，建立一套科学的解决方案，以提高系统的稳定性[1]。

1 电厂UPS的相关概述

1.1 工业级UPS介绍

UPS是一种利用电池化学能作为后备能量，在市电断电等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置。在电厂中主要向下列负荷供电：DCS或计算机监测、监控系统、锅炉安全监视系统、数字式电液调节器、汽轮机监视仪表、汽轮机旁路系统、电能计费系统以及其他自动和保护装置等。因此，在电厂中对UPS的稳定性、对环境的适应性和可靠性要求较高；同时，为了适应电厂直流系统的特点，其直流输入通常要求能接入厂用220 V或110 V直流系统。这也就使得工业级UPS在电厂中能得到广泛应用。工业级UPS主机主要包括：输入隔离变压器、输出隔离变压器、整流器、逆变器、静态开关、逆止二极管（当接入厂用直流时配置）、交（直）流电感、交（直）流电容、控制系统、显示单元和断路器等[2]。

1.2 工业级UPS供电和常规管理

工业级UPS允许不同的两路交流电源输入（一路主路交流电源和一路旁路交流电源），同时还能接入一路直流（蓄电池）；当主路交流电源故障时，能够无扰动自动切换到直流（蓄电池）系统供电；当UPS因某些故障导致主路不能正常供电时，它在控制系统的作用下，能够自动切换到旁路交流电源供电，其切换时间（包括检测时间）一般情况下小于2 ms，这样也就提高了UPS系统的运行可靠性。常规维护管理主要有定期检查外观、定期进行清洁处理、定期检查连接紧固件、定期检查过滤网、定期检测电池等，常规维修管理主要有更换风扇、电池和电容等。

1.3 UPS电源系统

在实际使用中，UPS电源系统除了UPS主机外，还会配置有旁路柜、直流系统（蓄电池组）和配电柜，如图1所示。UPS主机将主电源通过整流变换成稳定的直流电源，再通过逆变器将稳定的直流电源逆变成满足负载要求的、可靠的、高质量的交流电源供给负载。旁路电源也来自电厂工作段，工作段的电源质量有时也会超过负载的要求。因此，为了保证供电质量，在旁路柜中也设置有隔离变压器和调压稳压器，从而保证UPS主机旁路电源的输入电压在额定值的-5%～+5%可调范围内[3]。

图1 1台UPS构成的UPS电源系统接线图

在保证供电质量的基础上，还需要考虑设备需要维修的情况。这种在电厂中使用的UPS系统，一般单体设备较重、体积较大、拆装也不方便；因此，在电厂使用的UPS系统都设计有可在线维修模式，包括旁路柜也设计了维修模式。这种维修模式，可以保证负载不断电，同时对UPS系统进行维修，维修完成后，还能不断电将负载切换到正常供电模式。

1.4 UPS电源系统在电厂的应用要求

UPS供电是保证机组安全、稳定运行的关键，而UPS电源已成为电厂不可或缺的供电设备。在发电厂中，UPS的需求主要有：

1）可靠性要求：因为电厂重要负荷对供电的可靠性有很高的要求，因此对UPS的可靠性和使用寿命要求也很高，对雷电防护的要求也较高。

2）负荷类型：因为电厂DCS负荷多为单相，单相负荷分布线路简单、维护方便。所以，大多数电厂的UPS电源都是以三相输入/单相输出的中小功率为主。

3）交流电源的需求：大多数电厂的厂用电压波动大、谐波电压大，对UPS的输入和输出有很高的要求，所以在UPS的输入和输出端，都要有隔离变压器和相应的滤波电路。

4）旁路需求：静态开关通过自动和手动操作，以达到不中断的转换。旁路工作方式中，要想改善电力系统的供电品质，就需要采用隔离变压器和和调压稳压器来消除旁路的干扰。旁路也要定期维护，在旁路检修时，要确保UPS的输出不中断。

5）直流（DC）需求：电厂UPS直流系统可以接入自带蓄电池组，同时整流器也会给电池组进行充电。在电厂中，UPS的直流输入电压一般为220 V或110 V，为了减少投资和延长后备时间，通常将厂用直流系统接入UPS做为UPS的直流输入。为了减小UPS整流后的直流对厂用直流系统的影响，通常会在UPS的直流母线和厂用直流输入间安装一个逆止二极管。

6）通讯需求：随着电厂自动化程序的提高和监控系统的完善，要求UPS主机具备通讯接口，能够通过通讯将UPS的状态传送到电厂后台监控系统，实现实时监测，并能在UPS出现故障时及时发出警报。

2 电厂UPS系统常见故障

一期2×350 MW机组，选用美国MAX公司生产的逆变电源，电气原理单线图，如图2所示。在验收和使用初期，能保证系统的稳定运转，满足有关技术指标。然而，随着设备寿命的增加，逆变电源的供电出现多次故障，目前的逆变电源供电已不能满足供电的可靠性需要。结合当前设备状况，归纳出电厂UPS系统在改造之前存在的不足和故障。

图2 美国MAX公司逆变电源电气原理单线图

2.1 主机接入电源方式和运行方式不完善

原使用的美国MAX公司生产的单台逆变电源只能接入一路交流电源和一路直流电源，在运行方式上可有三种情况：主路直流经逆变器逆变输；旁路交流输出；检修模式。这种电源接入方式和现在主流的工业级UPS相比较，已不具备优势；同时，其运行方式也较现在主流的工业级UPS少。

2.2 主机元器件故障率较高

从2000年投运到设备改造的2016年，运行时间长达16年。由于长期使用，缺少专业的定期养护和维修，随着电器部件的寿命越来越短，性能越来越差，交流信号的收集和处理能力出现多次问题，板件级别的缺陷增幅明显。当交流信号发生不可调整的偏移时，不得不更换主要控制板件，由于美国MAX公司产品的特殊性，专业级别的定期养护、备品备件的采购很难及时到位，UPS的供电可靠性大幅降低，发电机组的安全运行风险与日俱增。

3 改进方案

3.1 对原逆变电源系统升级改造

为了解决1号机组原使用的美国MAX公司生产的逆变电源存在的问题，于2016年提出了对原逆变电源系统的升级改造：保留1号机组逆变电源系统原有负荷配电柜，拆除原有主机柜与旁路柜，更换为与原逆变电源柜和旁路柜容量一致、电压等级一致、供电方式一致、主接线方式一致、满足电力行业要求且安全性能可靠的工业级UPS并机系统。

这种并机系统允许不同的三路交流电源接入，两路直流电源接入，较美国MAX公司生产的逆变电源在电源的接入上路数要多，它的运行方式也更加灵活。正常运行时，UPS A和UPS B均能通过主电源进行双变换后各带50%负载；当其中1台UPS故障退出运行时，可由另一台UPS无扰动承担100%负载；当其中1台UPS主电源故障时，故障UPS主机还能切换到直流运行模式，而另一台UPS主机依然是双变换运行模式；并机系统还可以通过硬件和软件设定，实现拆分成单机运行；当UPS主机故障不能双变换运行时，还能切换到旁路运行模式。

3.2 建立UPS系统定期维护、检修制度

UPS系统中大部分器件是半导体器件，是维护的主要对象，为了保证最佳的运行状态，进行定期检查和保护性维护非常必要。根据用户手册和咨询生产厂家，整理出月检和半年检内容。

3.2.1 月检

检查内容有电池电压、逆变器输出电压、逆变器输出电流、告警信息和不正常的运行状态。如果电路板需要调节，必须记录；检查所有开启式电池液的液面高度，如果需要可加水；检查电池内阻测试。

3.2.2 半年检查

检查内容有：月检同上；检查所有的开关与仪表具有正确的功能；检查风扇运行情况；在整流器开机时，检查电池，测量和记录每节电池的电压，对于开启式铅电池，必须检查和记录规定的比重；检查电池运行（关断整流器电源，然后再合上电源）；如果可能，进行一次电池容量测试；检查所有连接器件连接牢固，装置上所有螺丝和螺母无脱落（在无电压状态系统隔离）；如果发生严重的污染（灰尘太多），清除系统的灰尘（注意：将手动旁路开关打到旁路位置，然后关断整个系统）；仅用于带过滤网的系统；检查过滤网是否变脏，如果过滤网污损严重，必须更换（高度污损的过滤网，将会使空气速度减少，而速度是通风所必需的，否则将不会有足够的冷却）；系统涉及的其他检查。

3.3 落实UPS系统的开关机制度

虽然目前的很多工业级UPS都有无序化开机设计，在无序化开机的过程中虽然不能对设备造成直接的损坏，但对设备的某些部件还是有一定的冲击作用，所以在平常的操作过程中应遵循用户手册的操作顺序来进行操作。在系统启动期间，要确保各相关子系统在启动时处于应有的工作状态，以避免启动瞬间系统出现过大的电流。

4 结语

展望今后数十年，我国的电力工业将从高速发展向平稳发展转变，但电力需求依然保持平稳增长。今后的能源形势要求我们在生产和管理方面继续改进和改进。UPS供电是电厂中低压设备的重要组成部分。因此，今后UPS供电的可靠性和安全性必须持续改进，并持续改进现有UPS的供电品质。通过对UPS供电系统进行改进，将最佳的解决方案用于今后的设备更新。随着电力设备的稳定需求和新技术的不断发展和推广，传统的UPS电源系统的技术改造，迫切需要节能和高效并重。