淺談火電廠不間斷電源切換試驗

許庭升

（華陽電業(yè)有限公司廈門分公司，福建 廈門 361013）

1 UPS切換試驗的目的

在線式交流不間斷電源裝置（以下簡稱UPS）一般由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)等部件組成，在外部交流輸入電源故障或消失時能維持下游負載供電連續(xù)性的電源設(shè)備。

國內(nèi)某沿海7×600MW大型燃煤火力發(fā)電廠各機組依設(shè)計要求配置2臺及以上在線式UPS，主要為機組80kVA UPS（專供除DCS系統(tǒng)外重要負荷使用）和熱工30kVA UPS（專供DCS系統(tǒng)使用），均采用中達電通產(chǎn)品，型號分別為GESNT80K（80kVA，輸出電壓380VAC、配置200AH蓄電池組）、GES-NT30K（30kVA，輸出電壓220VAC、配置100AH蓄電池組），UPS正常供電模式如圖1所示。這2臺UPS接帶機組重要控制系統(tǒng)負荷如分散式控制系統(tǒng)DCS、重要PLC系統(tǒng)、重要計算機類及其他控制系統(tǒng)等，UPS的可靠安全運行顯得尤為重要，因此電廠專門要求結(jié)合各機組定檢須進行各機組UPS切換測試，驗證UPS各項性能完好性，如果發(fā)現(xiàn)異常及時排查處理，降低機組運行中突發(fā)重要UPS故障風(fēng)險，保障機組安全運行。

圖1 UPS正常供電模式圖

2 UPS切換試驗及異常處理

UPS試驗前各項準備工作說明如下。1） 由試驗單位人員提交試驗方案給各方并進行技術(shù)交底。2） 檢修部門開立發(fā)電廠電氣第二種工作票，并經(jīng)運行部門做好安全措施許可后方可進行。3） 運行部在許可前通知UPS負載各用戶試驗的時間及可能存在短時失電的風(fēng)險，做好各項風(fēng)險預(yù)防措施。4） 由試驗單位人員將要試驗的UPS主電源輸入電壓、整流器輸出直流電壓、UPS輸出交流電壓、UPS輸出交流電流4個模擬量接入錄波器準備就緒，為便于及時錄波，各步試驗開始指令由試驗單位人員下達給運行人員操作。5）UPS上的操作由運行人員在操作前跟DCS盤上運行監(jiān)視人員共同確認后操作，并核對UPS操作后的DCS畫面報警信息是否跟現(xiàn)場一致，并做好記錄。6） 記錄UPS輸出各相帶載情況（各相負載電流及百分比）。下面以2021年3號機組定檢時機組80kVA UPS（輸入輸出均為3相4線制）切換試驗為例進行試驗方法說明及相關(guān)異常情況分析。

2.1 UPS控制面板上手動切換試驗

圖2 （手動）主電源切換至備用電源

旁路備用電源供電切回至主電源供電試驗：啟動錄在儀器上觀察波形，如圖3所示。UPS切換過程輸出電壓波形連續(xù)無間斷，輸出電流波形略有波動、現(xiàn)場設(shè)備無相關(guān)失電異常、DCS畫面無相關(guān)設(shè)備失電報警異常，此時UPS送至DCS報警應(yīng)均復(fù)位即無報警。

圖3 （手動）備用電源切回主電源

2.2 自動切換試驗及異常處理

UPS主電源自動切至蓄電組供電：啟動錄波器，斷開UPS主電源開關(guān)CB1，整流器停止工作，自動切換至直流側(cè)蓄電池組帶逆變器供電，錄波后在儀器上觀察波形，如圖4所示。UPS切換過程輸出電壓和電流波形均連續(xù)無間斷，現(xiàn)場設(shè)備無相關(guān)失電異常、DCS畫面無相關(guān)設(shè)備失電報警異常，此時UPS送至DCS報警應(yīng)為：UPS異常、UPS電池供電。

UPS蓄電組供電自動切至旁路備用電源供電及異常處理：接上步，斷開蓄電池組開關(guān)CB5，逆變器停止工作自動切換至旁路備用電源供電，因UPS內(nèi)部DC電容（內(nèi)有9個3300μF電容）作用，直流DC電壓波形是緩慢下降并影響切換至旁路備用電源前電壓波形的變化，錄波器截圖抓取切換至備用電源前的電壓變化幅值及持續(xù)時間（可記錄直流DC電容性能變化趨勢），切換波形如圖5所示。UPS切換過程輸出電壓波形連續(xù)無間斷，輸出線電壓峰值由525.6V降至465.5V，換算至相電壓有效值由214.6V降至190.1V（下降-11.4%），持續(xù)340.58ms后輸出電壓波形轉(zhuǎn)為旁路備用電源電壓波形，輸出電流波形略有波動，檢查發(fā)現(xiàn)精處理PLC系統(tǒng)出現(xiàn)宕機現(xiàn)象，且DCS畫面報出多條精處理PLC系統(tǒng)相關(guān)異常報警，現(xiàn)場及DCS畫面上其他設(shè)備無相關(guān)失電異常及報警，此時UPS送至DCS報警應(yīng)為UPS異常、UPS旁路市電供電、UPS電池低電壓。

經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)該PLC為早期進口AB-PLC5系列、已投用超20年、電源模塊內(nèi)的電容等器件可能存在性能下降情形，該電源模塊適應(yīng)性差（查模塊銘牌僅標明220 VAC），若遇電源電壓波動易引起控制器、I/O模塊宕機。經(jīng)整改該PLC系統(tǒng)升級更換為進口ControLigx5000新款PLC，配置的電源模塊輸入電壓范圍為120VAC~240VAC，重新進行上述UPS試驗，UPS錄波波形跟上次比較無基本變化，現(xiàn)場設(shè)備無相關(guān)失電異常。通過該試驗可發(fā)現(xiàn)UPS負載設(shè)備電源模塊適應(yīng)性變差等異常。

主電源送電后的UPS自恢復(fù)功能試驗：在完成上述切換試驗后，依次合上UPS主電源開關(guān)CB1、待UPS直流DC母線電壓恢復(fù)后再合上蓄電池組開關(guān)CB5，啟動整流器和逆變器，靜態(tài)開關(guān)STS自動將UPS從旁路備用電源切換至正常逆變器輸出供電。UPS切換過程輸出電壓波形連續(xù)無間斷，輸出電流波形略有波動、現(xiàn)場設(shè)備無相關(guān)失電異常，DCS畫面無相關(guān)設(shè)備失電報警異常。

3 UPS切換試驗規(guī)范要求

上述廠牌UPS切換試驗中在斷開UPS主電源情況下，UPS蓄電組供電自動切至旁路備用電源供電，輸出電壓波形連續(xù)無間斷（即切換時間0ms），但出現(xiàn)-11.4%較大瞬時電壓變化，應(yīng)注意各負載運行情況，其他切換情形輸出電壓波形連續(xù)無間斷（即切換時間0ms）且幅值變化較小，符合UPS相關(guān)規(guī)程、規(guī)范以及廠家要求：逆變器供電切換至旁路供電（如圖2~圖5所示，均為0ms）或從旁路供電切換至逆變器供電時輸出電壓波形（如圖3，0ms）測算切換時間小于5ms；主電源切換至蓄電池供電的切換時間符合0ms要求（如圖4，0ms）。結(jié)合標準、規(guī)范、廠家資料及參考文獻，說明如下。

圖4 （自動）主電源切至蓄電池

圖5 （自動）蓄電池切至備用電源

根據(jù)《DLT 5491-2014電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（第2.0.7、2.0.10及9.3.1條）和《GB50660-2011大中型火力發(fā)電廠設(shè)計規(guī)范》（第16.4.11條）相關(guān)UPS要求，逆變器供電切換至旁路備用電源供電的電子快速轉(zhuǎn)換開關(guān)切換時間不應(yīng)大于5ms（1/4周波），切換時間指從逆變器供電切換至旁路供電或從旁路供電切換至逆變器供電所需要的時間。

根據(jù)《YD/T 1095-2018 通信用交流不間斷電源（UPS）》相關(guān)UPS要求（第4.3.14），通過示波器UPS輸出電壓波形變化情況測量切換時間：在線式UPS主電源切換至蓄電池切換時間要求在0ms；容量大于10kVA通信類UPS要求逆變器與旁路電源間切換時間要小于4ms，要求高于火電廠設(shè)計規(guī)范5ms標準。

通過聯(lián)系廠家了解到該型號UPS實測信息為主電源與蓄電池之間供電切換時間均為0ms（廠家標準要求小于4ms；主電源輸入為額定電壓且負載率為50%情況下測試，現(xiàn)場測試該情形比較難模擬）；逆變器切旁路備用電源供電切換時間為0.64ms（廠家標準要求小于4ms）、旁路備用電源切逆變器供電時間為0ms（廠家標準要求小于4ms）。

通過查詢相關(guān)參考文獻，在線式UPS在主電源供電和蓄電池供電情況下，都是將上述上級電源電壓轉(zhuǎn)為中間直流DC電壓，且UPS內(nèi)部正常均配置有較大的多個DC直流電解電容，因此UPS一般主電源與蓄電池之間切換時間均為0ms。當逆變器轉(zhuǎn)旁路備用電源時，在線式UPS輸出電壓波形一般不會有斷點，但輸出電壓波形幅值會有瞬時變化，測試時可采用手動控制切換至旁路（如圖5切換方式）或者模擬超載，不應(yīng)采用關(guān)斷逆變器方式切換至旁路。當旁路備用電源轉(zhuǎn)逆變器供電時，相當于UPS內(nèi)部逆變器突然加載，UPS輸出電壓波形可能會有約±10%的變化。

4 結(jié)語

上述電廠機組UPS切換試驗方法及注意事項還需要在后續(xù)實踐過程中不斷持續(xù)修正和完善，試驗過程盡量多抓取輸入及輸出電壓、輸出電流波形變化幅值及持續(xù)時間，并建立好各臺UPS歷次切換試驗報告臺賬（附錄波波形相關(guān)數(shù)據(jù)分析）。同時也有利于UPS針對性保養(yǎng)，如分析切換過程中UPS直流電壓及輸出電壓幅值和持續(xù)時間變化情況，側(cè)面表征出UPS切換性能的變化趨勢，同時提醒設(shè)備保養(yǎng)人員加強UPS內(nèi)部DC電解電容定期性能測試及更換、冷卻風(fēng)扇等部件定期更換、內(nèi)部清灰等定保措施，這一項目建議委托專業(yè)設(shè)備廠家執(zhí)行，以及后續(xù)適時進行UPS汰舊更新升級等。另外UPS切換試驗盡量采用具備存儲功能的錄波型儀器，便于試驗后數(shù)據(jù)快速分析并節(jié)省測試時間。