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聯(lián)系方式UPS電源系統(tǒng)故障實(shí)例分析
結(jié)合兩例具有代表性的UPS系統(tǒng)故障,通過對(duì)故障過程、故障原因的詳細(xì)分析,總結(jié)出需要吸取的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。在此基礎(chǔ)上,提出設(shè)計(jì)和維護(hù)UPS供電系統(tǒng)的一些建議。
UPS供電系統(tǒng)在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有動(dòng)力系統(tǒng)中占據(jù)主要地位。UPS供電的終端用電設(shè)備都是重要的通信設(shè)備,諸如BOSS系統(tǒng)、經(jīng)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器等。隨著軟交換、IP技術(shù)的發(fā)展,UPS的應(yīng)用范圍還將進(jìn)一步擴(kuò)大。因此,UPS供電系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性對(duì)于建立高品質(zhì)的電信級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)有著至關(guān)重要的作用。
1、兩例UPS系統(tǒng)故障介紹
1.1 PW9315-400kVA UPS系統(tǒng)宕機(jī)故障
(1)UPS系統(tǒng)故障現(xiàn)象
維護(hù)人員進(jìn)行例行柴油發(fā)電機(jī)(發(fā)電機(jī)容量為1650kVA)帶載試機(jī)工作。在市電中斷切換至柴油發(fā)電機(jī)供電過程中,有一套400kVA UPS系統(tǒng)發(fā)生輸出中斷故障。維護(hù)人員趕到后,將該套系統(tǒng)重新開機(jī)恢復(fù)供電。經(jīng)檢查,UPS沒有發(fā)現(xiàn)板件故障,而且此期間該機(jī)房其他動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行正常。
(2)UPS系統(tǒng)故障過程分析
查看并聯(lián)UPS的事件記錄,發(fā)現(xiàn)其中1號(hào)機(jī)的機(jī)內(nèi)時(shí)鐘比2號(hào)機(jī)快了約十幾秒。
(3)UPS系統(tǒng)故障原因分析
市電與柴油發(fā)電機(jī)的切換開關(guān)采用普通四極ATS是該起故障的主要原因。
四極ATS切換存在零線中斷問題，這種中斷對(duì)于采用DSP控制的UPS等需要零線來鉗位的設(shè)備有時(shí)候是十分嚴(yán)重的。本次故障發(fā)生瞬間，各種控制邏輯電源板異常中斷，很有可能是零線中斷造成的，因?yàn)楣收虾髮?duì)邏輯電源板檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)問題。
兩臺(tái)UPS主輸入和旁路不是來自同一電源,是該起UPS系統(tǒng)故障的另一個(gè)因素。
UPS1主輸入INPUT來自1#變壓器,UPS2主輸入INPUT和兩臺(tái)UPS旁路BYPASS來自2#變壓器。在做市電油機(jī)切換過程中,第一臺(tái)是在電池供電狀態(tài),第二臺(tái)是在柴油發(fā)電機(jī)供電(或市電)狀態(tài)。對(duì)于無線并機(jī),二臺(tái)UPS的旁路電源不相同,一臺(tái)有市電,一臺(tái)無市電。由于第二臺(tái)UPS有市電,會(huì)對(duì)市電中斷的第一臺(tái)UPS蓄電池進(jìn)行充電,同時(shí)承擔(dān)100%的負(fù)載,所以出現(xiàn)三相電源限流的可能性較大。也有可能在此瞬間,二臺(tái)UPS嚴(yán)重不同步,環(huán)流加劇,引起保護(hù)。
柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定也是引發(fā)本次故障的一個(gè)方面,這點(diǎn)可以從UPS告警記錄中多次監(jiān)測(cè)旁路沒有用得到驗(yàn)證。
(4)吸取教訓(xùn)
?、?低壓配電系統(tǒng)在選用ATS時(shí),一定關(guān)注零線是否中斷。
關(guān)于低壓配電ATS選用四極還是三極這個(gè)問題在我國(guó)已經(jīng)討論多年了,一直未有定論。就本次故障來說,四極帶零切換ATS對(duì)UPS系統(tǒng)來說風(fēng)險(xiǎn)非常大,建議還是選擇三極ATS。對(duì)于現(xiàn)有四極ATS系統(tǒng)可以把原有部分四極空開換成三極或者對(duì)N極進(jìn)行短接處理。但最好還是選用零線先合后分的四極ATS,可以做到市電和油機(jī)在轉(zhuǎn)換完成后零線完全分開,而在整個(gè)轉(zhuǎn)換過程中這兩個(gè)零線是相通的,不中斷。
②多臺(tái)UPS并機(jī)系統(tǒng)主輸入旁路電源最好來自同一個(gè)電源。
一般認(rèn)為并機(jī)系統(tǒng)只要旁路來自同一電源,其他輸入電源就不是很重要了。但在實(shí)際運(yùn)行中,由于諸多因素的影響,主輸入和旁路來自不同電源的UPS并機(jī)系統(tǒng)可靠性降低,常引發(fā)很難查找原因的故障。
1.2 PW9315-130kVA UPS供電系統(tǒng)宕機(jī)故障
(1)UPS系統(tǒng)故障現(xiàn)象
市電停電,柴油發(fā)電機(jī)供電;市電來電，恢復(fù)市電供電。因柴油發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)，UPS系統(tǒng)整流器鎖死一直處于電池供電模式。維護(hù)人員在趕赴現(xiàn)場(chǎng)處理途中UPS系統(tǒng)發(fā)生宕機(jī)故障。需要說明的是電池性能良好，事后分析宕機(jī)時(shí)電池剩余容量在70%以上，理論計(jì)算至少還有1小時(shí)放電時(shí)間。
(2)UPS系統(tǒng)故障過程分析
① 市電恢復(fù)開始階段
APR 22 09:19:24.054(10:11) NOTICE: Bypass is Available 2388B 旁路可用
UPS由于整流器關(guān)斷,無法自動(dòng)啟動(dòng),繼續(xù)電池放電,UPS正常。
?、赨PS關(guān)閉前(該階段是關(guān)鍵)
UPS2情況
APR 22 10:01:43.930(10:54)NOTICE: Power Off Switch 325F1緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作(第一次動(dòng)作)
APR 22 10:01:44.086 ALARM: Inverter Cont. (K3) Open 24000 逆變器接觸器(K3)斷開
APR 22 10:01:44.086 STATUS: Inverter Off 25004 逆變器關(guān)閉
APR 22 10:01:44.094 ALARM:UPS Tripped 26000 UPS 保護(hù)關(guān)機(jī)
APR 22 10:01:44.110 STATUS: Inverter Contactor (K3) Open 27D00 逆變器接觸器(K3)斷開
APR 22 10:01:44.393 STATUS:Input Breaker (CB1) Open 28902 輸入斷路器(CB1)斷開
APR 22 10:01:44.436 STATUS:Inverter Shutdown 29000 逆變器關(guān)斷
APR 22 10:01:44.564 STATUS: Battery Disconnected 20101 電池脫離
APR 22 10:01:47.581 STATUS: Inverter On 2107F 逆變器開啟
逆變器關(guān)斷后,由于直流母線的電解電容還存有電荷,將再啟動(dòng)一次逆變器,對(duì)電容放電。
APR 22. 10:01:48.285 NOTICE:Power Off Switch 3360B 緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作 第二次動(dòng)作
APR 22 10:02:07.678 STATUS:Inverter Off 22000 逆變器關(guān)閉
APR 22 10:02:18.332 NOTICE: Battery Equalization Aborted 19600 電池均充放棄
看記錄是緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作了,后面的記錄也和緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作后的表現(xiàn)相吻合,尤其是CB1也斷開了。奇怪的是10:01:48緊急關(guān)斷按鈕又動(dòng)作了一次。
UPS1情況
APR 22 10:13:59.902 (11:09)NOTICE: Power Off Switch 335E0 緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作(第一次動(dòng)作)
APR 22 10:14:00.058 ALARM: Selective Trip 21028 選擇性保護(hù)關(guān)機(jī)
APR 22 10:14:00.058 STATUS:Load Transferred to Bypass 22D20 負(fù)載轉(zhuǎn)旁路
APR 22 10:14:00.016 NOTICE:Output AC Under Voltage 34908 輸出交流電壓低
APR 22 10:14:00.058 STATUS:Inverter Off 23000 逆變器關(guān)斷
APR 22 10:14:00.061 ALARM:UPS Tripped 24000 UPS UPS保護(hù)關(guān)機(jī)
APR 22 10:14:00.077 STATUS:Inverter Contactor (K3) Open 25D00 逆變器接觸器(K3)斷開
APR 22 10:14:00.251 ALARM:UPS Off 26902 UPS關(guān)閉
APR 22 10:14:00.465 STATUS:Battery Disconnected 27902 電池脫離
APR 22 10:14:00.465 STATUS:Input Breaker(CB1)Open 28802 輸入斷路器(CB1)斷開
APR 22 10:14:00.446 STATUS:UPS/Load Off 35FD2 UPS/負(fù)載關(guān)閉
APR 22 10:14:00.507 STATUS:Inverter Shutdown 29000 逆變器關(guān)斷
APR 22 10:14:03.665 STATUS:Inverter On 20CA7 逆變器開啟
逆變器關(guān)斷后,由于直流母線的電解電容還存有電荷,將再啟動(dòng)一次逆變器,對(duì)電容放電。
APR 22 10:14:23.572 STATUS: Inverter Off 21000 逆變器關(guān)閉
APR 22 10:14:33.652 NOTICE: Battery Equalization Aborted 184C0 電池均充放棄
APR 22 10:15:45.720 NOTICE:Power Off Switch 3600F 緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作(又來了一次動(dòng)作?)
看記錄也是緊急關(guān)斷按鈕動(dòng)作了,奇怪的是和UPS2一樣,10:15:45緊急關(guān)斷按鈕又動(dòng)作了一次。
圖1 EPO的簡(jiǎn)單原理圖
(3)UPS系統(tǒng)故障原因分析
造成UPS供電系統(tǒng)輸出中斷的直接原因是EPO異常動(dòng)作,EPO為什么會(huì)出現(xiàn)異常動(dòng)作呢?
EPO(emergency power off)是緊急關(guān)機(jī)按鍵(該按鍵專為火災(zāi)、地震等緊急情況下使用而設(shè)置)，按了EPO后,UPS的輸出馬上關(guān)斷，負(fù)載隨即掉電。UPS上的其他特征是:整流器輸入開關(guān)CB1跳開在中間位置、S5開關(guān)彈出，輸出接觸器K3、旁路接觸器K4、電池接觸器K2、輸入濾波器接觸器K6全部跳開。EPO的簡(jiǎn)單原理圖如圖1所示。
圖中ST(控制CB1)和S5(控制K3、K2、K6)是電磁鐵線圈,線圈的右邊接DC24V,左邊接EPO按鍵的D點(diǎn),正常情況下D點(diǎn)的電壓是DC24V,由于線圈兩端沒有電壓差,線圈就沒有電流流過,只有當(dāng)D點(diǎn)電壓為0V時(shí)(即按下EPO按鈕使C、D點(diǎn)短接)線圈兩端才有24V電壓,線圈中就有電流流過,電磁鐵就動(dòng)作,ST動(dòng)作的結(jié)果是使CB1跳閘在中間位置,S5動(dòng)作的結(jié)果S5-1斷開,從而使K3、K2、K6的線圈失電而跳開。
在EPO的接點(diǎn)上并聯(lián)有兩組線,一組線接到UPS左下方的TB2端子的1、2腳,1、2腳是懸空的并留有安全間距,中間還有塑料隔開,不可能有短路的情況;另一組線接到監(jiān)控板上,在按下EPO的時(shí)候,給監(jiān)控板一個(gè)信號(hào),讓監(jiān)控板記下這一動(dòng)作的信息。
假設(shè)監(jiān)控板的A點(diǎn)為低電位,由于A和D之間有二極管(單向?qū)щ娦?只能從正到負(fù)極導(dǎo)通)隔離,A點(diǎn)的低電位不會(huì)把D點(diǎn)電位拉低,D點(diǎn)還是高電位,線圈不會(huì)動(dòng)作。
假設(shè)由于監(jiān)控板的故障使D點(diǎn)變成高電位,這個(gè)高電位最大值為DC24V,因?yàn)榻o監(jiān)控板供電的電源為24V,A點(diǎn)不可能產(chǎn)生高于24V的電壓,這樣二極管也不會(huì)導(dǎo)通,D點(diǎn)還是高電位24V,線圈也不會(huì)動(dòng)作。B點(diǎn)是和電源的低電位接在一起的,不可能有電位的變化。
在EPO沒有按下的情況下，要使EPO動(dòng)作,就只有使D點(diǎn)變成低電位，如果和D點(diǎn)的連接線在UPS的內(nèi)部破皮裸露，和UPS的外殼碰到一起或者拉弧打火，EPO就動(dòng)作了。由于機(jī)器內(nèi)部的連接線全都是抗干擾的雙絞式高溫線，且插頭處都有絕緣套管套牢，從線的一端到另一端看不到裸露的金屬部分，因此這種可能性極小?，F(xiàn)場(chǎng)的兩臺(tái)機(jī)器都有兩次EPO動(dòng)作的記錄，兩臺(tái)機(jī)器在很短的時(shí)間間隔都發(fā)生2次EPO異常短路的情況是不可能的。
從上述分析可以排除其他因素導(dǎo)致EPO動(dòng)作,只能是人工誤操作觸發(fā)EPO造成的,大致過程應(yīng)該是:市電油機(jī)電切換→UPS發(fā)出聲光緊急告警→機(jī)房巡檢人員趕到現(xiàn)場(chǎng)→認(rèn)為太吵→按消音鍵,誤按緊急停機(jī)按鈕→UPS系統(tǒng)掉電。
(4)吸取教訓(xùn)
對(duì)UPS緊急停機(jī)按鈕外加保護(hù)處理,防止非專業(yè)人員誤操作,引發(fā)重大故障。
設(shè)計(jì)和維護(hù)UPS供電系統(tǒng)的一些建議
設(shè)計(jì)高可靠UPS供電系統(tǒng)
(1)設(shè)計(jì)把關(guān)
在UPS設(shè)計(jì)前期,要求設(shè)計(jì)部門和工程建設(shè)部門關(guān)注UPS主輸入和旁路電源的接法,同時(shí)檢查低壓配電系統(tǒng)ATS切換方式,從源頭上降低故障發(fā)生的機(jī)率。
(2)建設(shè)UPS雙母線系統(tǒng),提高供電系統(tǒng)可靠性
隨著通信技術(shù)信息化程度越來越高,UPS的性能和供電方式及其網(wǎng)絡(luò)組成逐漸成為了備受關(guān)注的兩個(gè)問題。目前普遍采用的并機(jī)冗余UPS供電方式,已經(jīng)不能滿足通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性要求。UPS主機(jī)故障和供電回路的故障都會(huì)對(duì)重要通信負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大影響。近年來,業(yè)內(nèi)每年都發(fā)生幾起并機(jī)冗余UPS系統(tǒng)輸出中斷故障。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況,應(yīng)根據(jù)不同負(fù)載終端設(shè)備提出UPS雙母線系統(tǒng)使用的建議,如表1所示。
維護(hù)好UPS系統(tǒng)
(1) EPO的保護(hù)
對(duì)UPS緊急停機(jī)按鈕須外加保護(hù)處理,防止非專業(yè)人員誤操作引發(fā)重大故障。
(2)重視UPS電池的維護(hù)
UPS后備蓄電池出現(xiàn)質(zhì)量問題而沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到妥善處理,由此引起的通信事故將造成難以估量的損失,并且類似故障在業(yè)內(nèi)年年發(fā)生?，F(xiàn)有的維護(hù)規(guī)程對(duì)于UPS后備蓄電池的容量測(cè)試要求是參照開關(guān)電源后備蓄電池,要求如下:每年應(yīng)以實(shí)際負(fù)荷做一次核對(duì)性放電試驗(yàn),放出額定容量的30%～40%;每三年應(yīng)做一次容量試驗(yàn),使用六年后宜每年一次。此容量測(cè)試要求對(duì)于大容量UPS后備蓄電池在實(shí)際維護(hù)中面臨不少困難,如:由于大容量UPS系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷相對(duì)后備蓄電池往往大于10小時(shí)率,而且后備蓄電池在放電試驗(yàn)前的實(shí)際剩余容量往往是不清楚的,因此以實(shí)際負(fù)荷做核對(duì)性放電試驗(yàn)并要求放出額定容量的30%～40%的規(guī)定,在實(shí)際維護(hù)中對(duì)于一般的維護(hù)人員來說是難以掌握的。實(shí)際狀態(tài)是維護(hù)人員關(guān)閉整流器,放電10分鐘左右就結(jié)束,并不能達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)落后電池的預(yù)定目標(biāo)。
另外，容量試驗(yàn)一般要求進(jìn)行離線放電，而高壓的UPS后備蓄電池拆線離線是一項(xiàng)危險(xiǎn)的工作,離線放電結(jié)束后并聯(lián)恢復(fù)不僅危險(xiǎn)而且困難，并且大容量UPS系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷很大，離線容量試驗(yàn)將使系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于后備蓄電池狀態(tài)，在后備蓄電池離線狀態(tài)下UPS供電系統(tǒng)的安全保障性大大降低，所以維護(hù)人員對(duì)于大容量UPS后備蓄電池的容量試驗(yàn)需要承擔(dān)巨大的壓力，對(duì)此項(xiàng)操作往往望而卻步。
由于存在以上的困難,導(dǎo)致大容量UPS后備蓄電池的容量測(cè)試工作雖有規(guī)程的明確規(guī)定,但是很難得到徹底地貫徹落實(shí),甚至有些地方根本就沒有做容量測(cè)試,更談不上對(duì)大容量UPS后備蓄電池剩余容量狀況的了解,埋下了巨大的安全隱患。
因此必須找出一種切實(shí)可行的大容量UPS后備蓄電池容量測(cè)試方案,以解決其在維護(hù)工作中存在的問題。
(3)定期校正UPS并機(jī)系統(tǒng)中每臺(tái)UPS的內(nèi)部時(shí)鐘,便于出現(xiàn)故障時(shí)分析
UPS時(shí)鐘運(yùn)行一段時(shí)間需重新校正,否則對(duì)故障原因分析造成諸多不便。嚴(yán)格校正方法不是通常按照鐘表上的時(shí)間分別調(diào)整,應(yīng)參照專用時(shí)刻表校正不同UPS上的時(shí)鐘。
(4)需定期對(duì)UPS系統(tǒng)進(jìn)行深度維護(hù)
目前，大多數(shù)的UPS系統(tǒng)維護(hù)現(xiàn)狀只是清潔UPS的表面衛(wèi)生、定期抄錄有關(guān)參數(shù)等,很少定期校正并機(jī)系統(tǒng)參數(shù)及做板件檢查。每半年對(duì)UPS的并機(jī)性能進(jìn)行檢查已成為國(guó)外UPS維護(hù)的一項(xiàng)常規(guī)維護(hù)要求,但在國(guó)內(nèi)兩年甚至更長(zhǎng)時(shí)間都不會(huì)做,只到發(fā)生重大故障時(shí)才做深度維護(hù)。
(5)重視有些品牌整流器封鎖問題
有些廠商的UPS具有在市電質(zhì)量惡劣的情況下保護(hù)UPS設(shè)備的功能。有兩種模式,分別是市電模式和柴油發(fā)電機(jī)模式(默認(rèn)設(shè)置為市電模式),市電模式要求UPS輸入電源有較高的質(zhì)量(電壓和頻率變化范圍要求較小),才能保持正常工作,柴油發(fā)電機(jī)模式允許UPS在輸入電源質(zhì)量較差的情況下(比如更寬的電壓和頻率變化),保持正常工作。在10分鐘內(nèi)如果檢測(cè)到20次市電質(zhì)量超出設(shè)置限值,即啟動(dòng)整流器關(guān)閉鎖死功能,由蓄電池通過逆變器向負(fù)載供電。
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