張彪

摘要：針對(duì)某空管局發(fā)生的UPS并機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)的宕機(jī)故障進(jìn)行剖析，論述1+1并機(jī)系統(tǒng)是否由于其中一臺(tái)故障而造成這個(gè)系統(tǒng)中斷供電。

關(guān)鍵詞：UPS;并機(jī)系統(tǒng);單機(jī)故障;系統(tǒng)中斷供電

Abstract： Analyze the downtime of the UPS parallel system that occurs in an air traffic control bureau， and discuss whether the 1+1 parallel system is interrupted due to one of the faults.

Key words： UPS; parallel system; single machine failure; system interrupted power supply

1、引 言

UPS電源采用并列運(yùn)行是為了保障通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)備平穩(wěn)持續(xù)運(yùn)行，在極端情況下有足夠的時(shí)間處理緊急情況，并且UPS并列運(yùn)行可以令并行組中有故障的一臺(tái)UPS退出工作而不影響另一臺(tái)UPS的正常工作。下面以實(shí)例論述為什么并列運(yùn)行UPS當(dāng)一臺(tái)UPS發(fā)生故障造成系統(tǒng)全部宕機(jī)。

2、故障現(xiàn)狀及設(shè)備運(yùn)行模式

從某局反饋信息了解：某日當(dāng)班人員聽到UPS告警聲，立即前往UPS間查看，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)UPS均已停機(jī)并告警。檢查機(jī)房設(shè)備均已斷電關(guān)機(jī)，柴油發(fā)電機(jī)沒有啟動(dòng)聲音;檢查低壓柜時(shí)，發(fā)現(xiàn)L1、 L3、L5和UPS2進(jìn)線相應(yīng)空氣斷路器均已跳閘，檢查低壓柜均無打火燒焦短路的痕跡、無異味;在UPS2上可以聞到有輕微的焦味，當(dāng)班人員初步確定故障原因?yàn)閁PS2發(fā)生故障，在退出#2故障機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)UPS2主路輸入開關(guān)Q1、旁路Q2無法斷開。

該系統(tǒng)采用是XX生的UL33系列容量60kva不間斷電源，采用1+1并機(jī)運(yùn)行模式;UPS輸入電源由兩路市電經(jīng)雙電源切換開關(guān)（ATS）切換一路，在與應(yīng)急電源（柴油發(fā)電機(jī)組）經(jīng)雙電源切換開關(guān)（ATS）切換一路供給1+1并機(jī)系統(tǒng)。

該套UPS持續(xù)運(yùn)行9年，一直未對(duì)該套UPS進(jìn)行任何深度的檢測(cè)維護(hù)。

3、UL33系列UPS產(chǎn)品性能、原理

UL33系列UPS采用高頻雙變換結(jié)構(gòu)和先進(jìn)的全數(shù)字控制技術(shù)，帶輸出隔離變壓器;輸入電壓范圍超寬（-45%～+15%）。主要包括由整流模塊（REC）和逆變模塊（INV）組成的AC-DC-AC變換主回路、由反向并聯(lián)的可控硅組成的旁路靜態(tài)開關(guān)、維修旁路空開Q3BP、輸出隔離變壓器和逆變靜態(tài)開關(guān)、蓄電池組以及輸入Q1、旁路Q2、輸出空開Q5等;其中，空氣斷路器Q1控制主路交流電源輸入，整流模塊將交流電源變成直流電源，逆變模塊進(jìn)行DC/AC變換，將整流模塊和蓄電池提供的直流電源變換成交流電源，經(jīng)過隔離變壓器輸出。蓄電池組在交流停電時(shí)通過逆變向負(fù)載供電。輸入電源也可以通過旁路靜態(tài)開關(guān)從旁路回路向負(fù)載供電。

主路輸入電源從Q1輸入，通過熔斷器，經(jīng)自耦變壓器降壓，通過輸入電感進(jìn)入高頻六管整流單元，高頻整流將三相交流電變換為穩(wěn)定的直流電源，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，整流器同時(shí)具有充電器的功能。蓄電池通過接觸器接入，只有在直流母線電壓達(dá)到一定閥值時(shí)接觸器才能將蓄電池組與直流母線并聯(lián)接通，蓄電池通過直流濾波電路向逆變器提供直流電源。逆變器采用DSP實(shí)時(shí)處理的全數(shù)字矢量控制技術(shù)，通過SVPWM調(diào)制六只IGBT功率開關(guān)器件，把直流母線電源變換成三相交流。輸出經(jīng)過△/Z0變壓器、靜態(tài)開關(guān)、快速熔斷器、空氣斷路器等功能單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載端與輸入側(cè)的隔離。旁路輸入電源從空氣斷路器Q2輸入，通過旁路靜態(tài)開關(guān)的控制后輸出。通過控制旁路靜態(tài)開關(guān)和逆變器輸出靜態(tài)開關(guān)的通斷狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)多種工作模式的切換。

4、1+1冗余并機(jī)系統(tǒng)工作模式

為了正確判別引起設(shè)備故障原因，首先必須準(zhǔn)確知道1+1冗余并機(jī)系統(tǒng)工作方式。

并機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行條件：系統(tǒng)最大穩(wěn)態(tài)負(fù)載功率應(yīng)等于或者小于一臺(tái)單機(jī)額定輸出功率。

正常運(yùn)行狀態(tài)：兩臺(tái)UPS的輸入端接在同一路市電上，因有兩路市電輸入，可以通過ATS開關(guān)切換為一路，這樣可避免UPS在工作頻率跟蹤和鎖相問題上的麻煩，在每臺(tái)UPS的控制板上配置好“并機(jī)邏輯控制板”，并且做好兩臺(tái)UPS間的并機(jī)通信連接;兩臺(tái)UPS同頻、同相、同輸出電壓幅值運(yùn)行，將輸出直接并接在一起，兩臺(tái)UPS各承擔(dān)50%的負(fù)載均流運(yùn)行向負(fù)載供電。

市電斷電或市電電壓超過范圍：兩臺(tái)UPS同時(shí)轉(zhuǎn)電池逆變運(yùn)行，并保持均分給負(fù)載供電。此時(shí)若其中一臺(tái)發(fā)生故障，在并機(jī)控制程序命令下自動(dòng)將該UPS退出運(yùn)行，另一臺(tái)UPS繼續(xù)正常運(yùn)行，并承擔(dān)100%負(fù)載功率。系統(tǒng)給出不具備冗余功能告警提示

其中一臺(tái)UPS發(fā)生輸入環(huán)節(jié)故障（圖中IRP＼IRE環(huán)節(jié)故障），另一路UPS將繼續(xù)在市電提供的交流電源的支持下承擔(dān)100%負(fù)載功率，系統(tǒng)給出不具備冗余功能告警提示，與此同時(shí)，輸入環(huán)節(jié)故障的UPS由于失去可跟蹤市電信號(hào)，它會(huì)在并機(jī)程序控制命令下，轉(zhuǎn)電池逆變運(yùn)行工作狀態(tài)，直到電池放電到極限保護(hù)值后退出運(yùn)行。

如果一臺(tái)UPS在逆變部分出現(xiàn)故障，在并機(jī)控制程序命令下自動(dòng)將該UPS退出運(yùn)行，其負(fù)載由另一臺(tái)UPS承擔(dān)100負(fù)載功率，系統(tǒng)給出不具備冗余功能告警提示，這就是并機(jī)系統(tǒng)所謂的"選擇性自動(dòng)脫機(jī)"，故并機(jī)系統(tǒng)有能力識(shí)別出究竟是哪臺(tái) UPS單機(jī)出現(xiàn)故障，并將該出現(xiàn)故障的UPS從并機(jī)系統(tǒng)完全脫開，以免影響并機(jī)系統(tǒng)的正常工作。在一臺(tái)UPS因故障而脫機(jī)的情況下，運(yùn)行中UPS再發(fā)生過負(fù)載或發(fā)生逆變部分故障時(shí)，則此臺(tái)UPS自動(dòng)轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路運(yùn)行，此時(shí)，只要市電端沒有斷電，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不間斷供電;

在市電和兩臺(tái)UPS證常運(yùn)行時(shí)，負(fù)載發(fā)生過載或短路現(xiàn)象。當(dāng)過載量大于一臺(tái)UPS單機(jī)輸出功率，但小于兩臺(tái)UPS的輸出功率的總功率時(shí)，并機(jī)系統(tǒng)繼續(xù)向負(fù)載供電，但此時(shí)的并機(jī)系統(tǒng)將從具有容錯(cuò)功能的冗余工作狀態(tài)進(jìn)入沒有任何容錯(cuò)功能的非冗余工作狀態(tài)。并且系統(tǒng)給出不具備冗余功能告警提示。當(dāng)過載量超過兩臺(tái)UPS的總輸出功率或者負(fù)載端發(fā)生短路，短路電流未及時(shí)使負(fù)載通路中相應(yīng)的保險(xiǎn)絲熔斷（斷路器開關(guān)跳閘），系統(tǒng)檢測(cè)到危及并機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)行時(shí)，在并機(jī)控制程序命令下，同時(shí)將兩臺(tái)UPS自動(dòng)轉(zhuǎn)靜態(tài)旁路運(yùn)行。

5、廠家故障檢查報(bào)告

根據(jù)廠家故障檢查報(bào)告，本次雷達(dá)站UPS故障的直接誘因是由于交流輸入電壓超限，造成UPS EMI板短路拉弧，進(jìn)而引發(fā)臺(tái)站設(shè)備掉電事件;

6、剖析故障發(fā)生原因

此次故障從廠家故障檢查報(bào)告表象來看，是由于交流輸入電壓超限，造成UPS2#機(jī)EMI板短路拉弧，進(jìn)而引發(fā)臺(tái)站設(shè)備掉電事件。但是從UPS技術(shù)理論上講，UPS不應(yīng)該因自身局部故障導(dǎo)致系統(tǒng)供電停止，尤其是并機(jī)冗余系統(tǒng)，是目前可靠系數(shù)達(dá)到99.85%的供電方案。那么，是什么原因?qū)е孪到y(tǒng)輸出斷電呢？

6.1設(shè)備維護(hù)檢測(cè)不到位

根據(jù)廠家故障檢查報(bào)告，本次故障的直接誘因是由于交流輸入電壓超限，造成UPS2#機(jī) EMI板短路拉弧，進(jìn)而引發(fā)臺(tái)站設(shè)備掉電事件;按照并機(jī)系統(tǒng)工作運(yùn)行方式，如果是交流輸入電壓超限，應(yīng)該二臺(tái)機(jī)都應(yīng)該轉(zhuǎn)電池逆變運(yùn)行，從反饋信息里沒有，由此估判是由于故障機(jī)EMI板電子元器件老化，無法承受正常電壓，造成擊穿、短路拉弧，同時(shí)燒損旁路輔助電源板，短路并產(chǎn)生的大電流反串到直流母線抬高母線電位造成旁路輔助電源板短路，同時(shí)UPS2#機(jī)旁路Q1、主輸入Q2、L1、L3、L5開關(guān)相繼跳閘，使UPS輸出電壓降突降，檢測(cè)電路識(shí)別是過載且無法承受，立即關(guān)閉逆變轉(zhuǎn)到旁路，而此時(shí)市電端因開關(guān)跳閘已經(jīng)中斷供電至此，并機(jī)系統(tǒng)宕機(jī)斷電

6.2主輸入與旁路共用一路開關(guān)

根據(jù)UPS的工作原理，當(dāng)并機(jī)系統(tǒng)檢測(cè)到短路產(chǎn)生嚴(yán)重超載，UPS1#機(jī)后備蓄電池組和逆變電路不可以投入工作，系統(tǒng)將無條件向旁路切換，但由于＼L1＼L3＼L5開關(guān)相繼跳閘開關(guān)已跳開，旁路掉電，系統(tǒng)無法轉(zhuǎn)到旁路，導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)斷電。廠家在設(shè)計(jì)時(shí)是將UPS輸入分為主路輸入和旁路輸入，就是為了防止當(dāng)設(shè)備內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴(yán)重過載，導(dǎo)致主輸入開關(guān)跳閘，保證旁路有電源，避免造成負(fù)載斷電事故發(fā)生。然而在UPS安裝中，由于施工人員未能充分理解UPS的工作原理與市電輸入方式的關(guān)系，沒有對(duì)UPS主輸入和自動(dòng)旁路輸入作隔離要求，因而兩個(gè)輸入都是由同一個(gè)開關(guān)引入，機(jī)器內(nèi)部作連接處理，此接法存在嚴(yán)重的“單點(diǎn)故障”隱患，所以當(dāng)設(shè)備內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴(yán)重過載，導(dǎo)致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動(dòng)旁路將同時(shí)失效，造成負(fù)載斷電事故發(fā)生。

6.3上、下級(jí)開關(guān)層級(jí)和上、下級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)保護(hù)配置失誤

從電力專業(yè)角度，力求系統(tǒng)簡單;上、下級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)少;線路斷點(diǎn)少，盡量避免由于斷點(diǎn)而產(chǎn)生的斷電事故發(fā)生。從反饋系統(tǒng)圖看，從市電到UPS輸入開關(guān)盡然設(shè)置了五級(jí)開關(guān)（除去ATS切換開關(guān)），可以肯定這樣的配置上、下級(jí)開關(guān)級(jí)聯(lián)保護(hù)是無法設(shè)定;從事故反饋信息看也驗(yàn)證判斷，此次短路使五級(jí)開關(guān)（除去ATS切換開關(guān)）全部跳閘。

7、整改建議

7.1針對(duì)運(yùn)行5年以上的UPS設(shè)備進(jìn)行易損件的預(yù)防性更換，防止類似故障再次出現(xiàn)，易損件包括：交流濾波電容、直流母線濾波電容、風(fēng)扇、輔助電源板等，以提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和延長UPS使用壽命。

7.2針對(duì)運(yùn)行5年以上的UPS設(shè)備進(jìn)行定期巡檢及深度維護(hù)，關(guān)注內(nèi)部元器件性能，定期對(duì)UPS風(fēng)扇、電容、板件接插情況進(jìn)行檢查，維護(hù)周期：UPS運(yùn)行1-5年：每3年深度檢測(cè)一次;運(yùn)行6-10年：每2年深度檢測(cè)一次;運(yùn)行10年以上：每年檢測(cè)一次。

7.3單位內(nèi)部沒有專業(yè)技術(shù)人員時(shí)，建議對(duì)UPS電源產(chǎn)品進(jìn)行原廠維保，以保證UPS設(shè)備維護(hù)的深度，同時(shí)可以提前預(yù)防和排除類似的設(shè)備隱患，提高故障響應(yīng)度，加快故障現(xiàn)場處理時(shí)限。

7.4重新調(diào)整市電側(cè)開關(guān)層級(jí)，最多少不超過三級(jí)（不包含ATS），重新調(diào)節(jié)開關(guān)保護(hù)整定值，實(shí)現(xiàn)前后級(jí)的級(jí)間匹配。

7.5主輸入與旁路分開，避免同時(shí)斷電

7.6盡快修訂空管系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)專業(yè)維護(hù)維修規(guī)范。