一起典型冗余UPS故障的原因分析及对策

中海浙江宁波液化天然气有限公司的研究人员周宇罕、徐菲菲等，在2015年第2期《电气技术》杂志上撰文，一起典型冗余UPS故障，引起仪表过程控制、安全仪表、火气系统失电，导致全厂生产停止，本文结合故障现象、UPS设备性能、设计线路进行分析，找出原因，提出有效的解决方案。

高可靠性、高安全性的不间断电源设备（UPS），是石化企业控制中心正常运转的基础。UPS供电系统方案设计时，要充分考虑并避免设计、选型或施工方面的缺陷与问题，以提高UPS系统正常运行时的安全性和可靠性。冗余方式设计的UPS在重要的供电系统中，已得到了广泛应用。

本次UPS故障发生在某石化企业，在应急发电机进行带负荷测试时，分别由事故段和市电所带的冗余UPS发生故障，引起负载控制系统PCS/SIS/FGS失电，导致全厂生产停止，并对企业所在地的能源供应造成了威胁。

1 故障前的情况

企业供电系统中，与事故相关的电气单线图，见图1。

图1 电气单线图

从图1可知：在正常运行，即发电机带负载测试前，K2、K3断开，柴油发电机在停止状态。

2.事故过程及故障情况

2.1事故过程

按计划对柴油发电机进行年度维护保养，对油路、空气过滤等做清洗更换。保养结束后，10:35柴油发电机空载运行开始，共30min，从发电机的控制盘上观察电压、频率稳定正常。13:30开始做发电机带负荷测试准备工作。13:52生产操作人员停3311线路上的负载（UPS/直流装置/EPS设备除外），14:19电气运行人员人工断开K0，无扰动装置正常切换，K1断开，K2闭合，延时10S后，发电机正常起动，延时20s后，K3闭合。

从发电机的控制盘上观察电压、频率稳定正常。14:20电气专业人员通知生产操作人员发电机正常，生产操作人员起动一台仪表风空压机，运行正常。14:22，中央控制室人员发现控制系统失电，此时，空压机仍在正常运行。电气、仪表专业人员检查中控冗余UPS，两台逆变器显示故障，无输出。

柴油发电机的带负荷测试，在以往的一年多时间内，多次按测试程序进行，一直正常，未出现上述故障情况。

2.2 紧急处理

在技术人员的指挥下，生产人员停止仪表风空压机，电仪专业人员手动停止发电机，断开K3，手动恢复无扰动装置，断开K2，闭合K1，闭合K0，恢复到发电机带负荷前的状态，复位中控冗余UPS，UPS正常后，逐步恢复控制系统PCS/SIS/FGS。

2.3 故障现象检查

在恢复控制系统过程中，对所有挂在3111 I段、3112 II段、3311事故段的UPS/直流电源装置/EPS检查发现：

1）EPS系统在发电机的测试前后，运行正常；

2）冗余的主变电站直流控制电源主变DC1#和2#运行正常。原理图见图2，冗余直流电源装置原理图。

图2 冗余直流电源装置原理图

3）消防站的UPS运行正常；

4）行政楼UPS1#/2#显示运行正常；

5）中控UPS2#、中控UPS1#；槽车UPS2#、槽车UPS1#；储罐UPS2#、储罐UPS1#逆变器显示没有运行，K1断开，逆变器输出静态开关断开，无输出。原理图见图3，冗余交流UPS原理图。

图3 冗余交流UPS原理图

3. 事故分析

3.1冗余UPS的特点

1)逆变与交流旁路的锁相同步、切换

单台UPS在运行过程中，会监控逆变输出和交流旁路是否同步。交流旁路的频率在UPS允许的频率范围内，逆变器会自动执行对交流旁路的频率跟踪和相位锁定，此时逆变输出和旁路输出是同步的。逆变输出和交流旁路的频率、相位完全一致、电压幅值基本相同。

如果旁路交流电源频率、电压等电气指标由于某些原因超出了UPS允许的范围，逆变器将不能完成锁相同步，转由内部时钟产生的频率来运行，在这种情况下，逆变器无法与旁路保持锁相同步。

在逆变输出与交流旁路电压不一致的情况下，UPS会主动调整逆变器的输出电压，此时逆变输出与交流旁路同时导通不会形成过大的环流，能够满足切换要求，所以正常工作时必须保证UPS的逆变输出与交流旁路的同步条件，以确保UPS系统运行的可靠性。

2)冗余UPS的同步

均流控制、并联运行的两台冗余UPS，在正常工作时，输出要保持同步工作，除应用集中旁路的措施外，两台UPS之间通过总线方式实现相互同步。如果此功能不足或消失，同样会产生环流，导致逆变器过载，而且环流过大就会产生短路效应。

3.2 UPS设备的主要数据及特点

整流器输入电压范围为380V±15%，输入频率范围为50Hz±5%；逆变器输入电压范围为178-280V，频率范围为缺省值±1%，可以调节到±1%，同步速度1Hz/s，过载150% 60s，125% 10min。旁路输入电压范围220V±10%，输入频率范围 50Hz，偏差值同逆变器设定。

逆变器可以供给负载150%的额定功率60S，125%的额定功率10min。在更严重的过载情况下，输出电流会限制为150%额定电流。如果在输出端的电压降低到了允许的范围，它会自动切换到旁路。如果这时旁路电源无法供电，则逆变器在3S后断电。

在下一级负载端发生短路，则该负载电源必须在10ms内关断以保证其他负载的供电不受中断。

如果短路不能消除，UPS系统会立刻切换到以便上一级保险迅速熔断切断短路的负载。在电池供电时发生短路，输出电流会被限制到二倍的额定电流（标准值）。

在正常运行时，逆变器同旁路电源同步。旁路电源频率超过±1%时，逆变器会切换到自同步状态。当电网电源恢复正常后逆变器系统会切换回正常状态。

当整流器出现故障时，系统会切换到电池供电，当电池电压过低后自动切换到旁路状态。

如果逆变器发生故障，系统会无中断自动切换到旁路状态。

由于发电机的频率稳定性通常不足以直接供给敏感负载，推荐发电机接在整流器输入上，旁路接到常规电源上。

3.3 分析

1）从故障现象分析

行政楼UPS1#/2#逆变器显示运行正常，集中旁路接市电TS-SWBD-3113段的行政楼。中控UPS2#/UPS1#；槽车UPS2#/UPS1#；储罐UPS2#/UPS1#输出发生故障，且现象一致，集中旁路接在TS-SWBD-3311事故段的。

调用故障UPS的记录：

其他故障UPS的记录，与以上一致。无故障的UPS有报警记录，无动作记录。

从以上的记录发现输入的电压、频率、同步出现故障，也就是事故段的柴油发电机的供出的电源频率和电压出现了问题。从时间和现场操作的情况看，生产操作人员起动一台仪表风空压机时，造成了电源的波动。电压和频率超出了UPS所接受的范围，跟踪、锁相、同步功能失去效果，产生环流，逆变器过载过大而导致短路效应。初步分析认为旁路的发电机电源是引起故障的主要原因。

2）UPS厂家试验

UPS的同步速度有二种模式：

模式1：慢同步。此模式适用旁路频率过于波动，以及旁路不稳定的模式，此模式的同步频率是0.15Hz/s。

模式2：快同步。此模式适用旁路频率比较稳定，市电模式下工作，此模式的同步频率是1Hz/s。UPS出厂时标准设置是快同步。

UPS厂家在实验室进行试验，模拟现场的所有基本条件，并且模拟了频率超限的波动，结果和现场基本相似，认为故障是旁路频率范围超出基准范围过大造成的。修改同步模式为慢同步后，再次模拟10次，未出现问题。

最终认为此次故障波动凑巧在UPS的临界监测点上。两台设备之间同步信号通讯需要时间，调整需要过程，如果只是过大过小或者丢失，不会影响设备正常输出。如果震荡点赶巧到临界监测点，设备会出现内部通讯来不及调整。

对于旁路接发电机的情况，应设置为慢同步，市电的频率范围再变化，也不会出现油机震荡的情况，建议修改为同步模式。

4.防范措施

4.1经过综合分析，认为冗余的UPS集中旁路，接稳定性不高的发电机输出电源是不合理的，改集中旁路接到稳定的市电电源。

4.2旁路同步速度仍为模式2快同步。改进后的UPS系统，在以后的全厂停电时进行了测试，运行正常。

5.结论

冗余的UPS在各个行业应用广泛，避免交流的环流、短路、不同步等故障隐患的发生，尤为重要。在系统设计时，设计人员与设备厂家必须对冗余UPS的应用场所要有充分的理解和考虑，提高UPS系统的可靠性，为安全生产提供保障。否则会留下巨大的安全隐患，后果是不仅仅影响一个生产装置和一个企业的生产。通过本次故障的分析，给有类似的UPS运行装置的应用场所，提供参考。