淺談UPS的應(yīng)用與維護(hù)*

熊學(xué)敏

(咸寧市地方稅務(wù)局 技術(shù)管理科，湖北 咸寧 437000)

1 UPS工作原理

UPS系統(tǒng)是由輸入開關(guān)、輸入濾波器及保護(hù)電路、整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)、旁路開關(guān)、隔離變壓器、輸出濾波板、及電池組等組成(見圖1)．

圖1

(1)當(dāng)市電正常時(shí)，交流電經(jīng)過整流器轉(zhuǎn)換為直流電源，然后給逆變器供電，與此同時(shí)對(duì)電池組進(jìn)行充電．在將交流電轉(zhuǎn)換為直流電的過程中，整流器可以把市電中的噪聲、頻率不穩(wěn)定及異常雜波等問題消除，使逆變器為負(fù)載提供更加穩(wěn)定、純凈的電源．

(2)當(dāng)市電欠壓或者中斷時(shí)，連接在DC BUS上電池組提供電能給逆變器，向直流回路饋送電能，為負(fù)載提供持續(xù)電流，保證了設(shè)備不會(huì)因市電異常而宕機(jī)．

(3)當(dāng)逆變器出現(xiàn)異常(如高溫、短路、負(fù)載超載等情形)，逆變器會(huì)自動(dòng)停止輸出，靜態(tài)開關(guān)切換到旁路模式．

(4)當(dāng)UPS要進(jìn)行維修或更換電池而且負(fù)載供電又不能中斷時(shí)，可以先關(guān)閉逆變器開關(guān)，然后打開維修旁路開關(guān)，最后將整流器和旁路電源開關(guān)切斷．此時(shí)，交流電源經(jīng)由維護(hù)旁路開關(guān)繼續(xù)給負(fù)載供應(yīng)電源，UPS內(nèi)部將不存有電力，可以安全的進(jìn)行維護(hù)操作．

2 常用的UPS架構(gòu)

為了提高UPS的可靠性、熱維修，通常會(huì)利用多臺(tái)UPS采用N+m冗余并聯(lián)技術(shù)來進(jìn)行配置，而1+1冗余并聯(lián)結(jié)構(gòu)最為常用(圖2)．

采用這種方式的優(yōu)點(diǎn)是，在UPS正常工作的時(shí)候，毎臺(tái)UPS的逆變模塊都將平均分配負(fù)載電流．如果運(yùn)行中遇到某一臺(tái)UPS的逆變模塊出現(xiàn)故障，1+1冗余并聯(lián)系統(tǒng)自動(dòng)釋放有故障的UPS的逆變模塊．由剩下工作的一臺(tái)UPS的逆變模塊按照比例平均分配全部負(fù)載．如此UPS就保證了向用戶提供了既無(wú)供電時(shí)間中斷又無(wú)幅度均衡的高質(zhì)量電源．兩臺(tái)直接并聯(lián)冗余 UPS系統(tǒng)的可用性達(dá)到99．99947%，MTBF比單機(jī)UPS高4倍．

圖2

值得注意的是，UPS最好運(yùn)行在最佳負(fù)載范圍內(nèi)，所帶負(fù)載最好為標(biāo)稱容量的60% －80%．如果負(fù)載過輕，UPS使用效率變低，輸入電壓、電流的畸變率增大．而負(fù)載過重時(shí)，容易使UPS頻繁地轉(zhuǎn)旁路．如果需帶一些沖擊電流較大的負(fù)載時(shí)，UPS應(yīng)降額使用．具體到1+1并聯(lián)冗余備份設(shè)計(jì)時(shí)，輸出總負(fù)載應(yīng)不大于2倍的單機(jī)額定輸出．當(dāng)有一臺(tái)單機(jī)故障時(shí)，該單機(jī)可以自由投入、退出而不影響并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行．那么對(duì)應(yīng)正常工況下，每臺(tái)UPS的負(fù)載在30% －40%為宜．

3 UPS的維護(hù)保養(yǎng)

3．1 日常檢查

重視和加強(qiáng)對(duì)UPS的管理和維護(hù)，建立起日常檢查、維護(hù)制度，能夠確保UPS的可靠運(yùn)行．

日常檢查的主要內(nèi)容有：

(1)檢查機(jī)房精密空調(diào)運(yùn)行是否正常，以及機(jī)房的環(huán)境溫度、濕度是否符合要求．

(2)查看UPS主機(jī)面板有無(wú)故障告警燈閃爍，各種運(yùn)行指示燈是否處于正常狀態(tài)，查看UPS及配電柜輸入電流、電壓，輸出電流電壓是否正常，并且做好相應(yīng)的記錄．

(3)聞UPS是否有異味，檢查是否有器件燒糊．

(4)聽UPS噪聲是否有可疑的變化，特別注意聽UPS的輸入變壓器和逆變輸出變壓器的響聲．

(5)用手試探UPS散熱風(fēng)扇的風(fēng)量是否正常．

(6)建立了機(jī)房信息綜合監(jiān)控系統(tǒng)，可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控實(shí)時(shí)了解UPS機(jī)房?jī)?nèi)的各種信息參數(shù)．維護(hù)人員不必每天去現(xiàn)場(chǎng)觀察UPS的工作狀態(tài)及環(huán)境狀態(tài)，但周期性的巡視檢查必不可少．

3．2 電池的保養(yǎng)

如果將主機(jī)比作UPS的大腦的話，那么電池組好比是UPS的心臟．當(dāng)市電異常是，電池組提供后備能量保證UPS輸出的連續(xù)性，如果電池的供電容量不足，則UPS會(huì)發(fā)生后備時(shí)間不足，造成負(fù)載宕機(jī)的危險(xiǎn)．所以說電池的性能直接影響UPS的可靠性．實(shí)踐表明，由于電池保養(yǎng)不當(dāng)所產(chǎn)生的問題是UPS問題中最常見的一種．

絕大多數(shù)UPS使用的是密封式免維護(hù)鉛酸蓄電池，所謂的免維護(hù)并非完全不需維護(hù)，而是指不需要象傳統(tǒng)鉛酸蓄電池那樣定期加水．由于結(jié)構(gòu)和材料的原因，電池的價(jià)格通常都比較高，因此為降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，延長(zhǎng)UPS使用壽命，必須正確對(duì)電池組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)．

常見電池的壽命為3－5年，但應(yīng)用中會(huì)有少量電池提前損壞．這是因?yàn)?，電池的壽命除了與內(nèi)部材料、化學(xué)組成有關(guān)外，還與溫度環(huán)境、電網(wǎng)環(huán)境、操作使用、維護(hù)保養(yǎng)等密切相關(guān)．

3．2．1 影響電池壽命的因素

(1)有關(guān)電池容量的標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于電池容量的定義，一般是以20HR來定義的，即在25℃條件下以0．05C放電可以放電20小時(shí)，屬于標(biāo)準(zhǔn)容量．關(guān)于電池壽命終止是以0．25C放電，25℃條件下放電容量?jī)H為額定容量的50%以下．

(2)浮充壽命

以NP型電池為例，浮充壽命一般在3－5年(25℃)，三年時(shí)，有一些電池壽命終止，五年時(shí)，NP電池壽命基本終止．電池浮充壽命受放電次數(shù)、放電深度、浮充充電的溫度、浮充充電的電壓等因素影響．

(3)電池未充飽、過放電對(duì)電池壽命的影響

電池未充飽情況下沒有及時(shí)進(jìn)行充電就放電，會(huì)造成電池極板硫化，使活性物質(zhì)不能還原，從而影響電池的容量，最終導(dǎo)致電池壽命提前終止．

因鉛酸電池放電后產(chǎn)物是硫酸鉛，在正常工作中，負(fù)極板上的PbSO4顆粒小，放電很容易恢復(fù)為絨狀鉛，但有的時(shí)候電池內(nèi)部生成了難以還原的硫酸鉛，稱為硫酸鹽化，從而導(dǎo)致蓄電池的內(nèi)阻增大，甚至使個(gè)別電池產(chǎn)生“反極性”現(xiàn)象．引起負(fù)極鹽化的原因很多，諸如放電后不能及時(shí)充電，長(zhǎng)期充電不足，電池長(zhǎng)期擱置，引起嚴(yán)重的自放電，高溫下長(zhǎng)期放電，這種硫酸鉛用常規(guī)方法很難還原，而活性物質(zhì)的減少勢(shì)必影響到電池的容量，最終影響電池的壽命．放電時(shí)，當(dāng)電池達(dá)到終止電壓1．80V(單格電壓)，此時(shí)若繼續(xù)放電，則放電速率加快，同時(shí)這期間也屬于電池的過放電過程，如果發(fā)生了過放電，則必須及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行補(bǔ)充電，否則會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)部硫酸鹽化，要恢復(fù)本來容量將有很大困難．電池的過放電會(huì)對(duì)電池的使用壽命造成很大的影響，一次深度的過放電可能會(huì)使電池的使用壽命減少1－2年，甚至造成電池的報(bào)廢．

3．2．2 維護(hù)建議

(1)在電池放電后必須盡快進(jìn)行充電，充電未結(jié)束或充電過程中不要停止充電．盡量避免電池組深放電，出線深放電后，更加不能長(zhǎng)時(shí)間不充電(特殊情況下不得超過24小時(shí))．

(2)建議將電池的欠壓保護(hù)點(diǎn)調(diào)高，這樣可能會(huì)使電池的放電時(shí)間縮短一些，但若在實(shí)際配置的時(shí)間范圍內(nèi)，一般也可以接受．若單節(jié)電池欠壓保護(hù)點(diǎn)若從10．5V調(diào)至10．8V或11．0V(該數(shù)據(jù)為參考值，具體應(yīng)在用戶許可的情況下進(jìn)行調(diào)整)，對(duì)供電時(shí)間相對(duì)影響不是很明顯，但對(duì)防止電池深度放電卻有積極的作用．

(3)如果處于停電較為嚴(yán)重的地區(qū)，建議在配備電池的基礎(chǔ)上，最好再配備發(fā)電機(jī)，以便及時(shí)對(duì)剛放完電的電池進(jìn)行回充，避免電池容量提前下降．但應(yīng)保證發(fā)電機(jī)的輸出電壓、頻率在UPS的市電輸入電壓、頻率檢測(cè)范圍內(nèi)．若為節(jié)省發(fā)電機(jī)耗油量而調(diào)低油門，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，會(huì)因UPS檢測(cè)不到發(fā)電機(jī)的輸出電壓、頻率，使UPS仍工作在電池逆變狀態(tài)，還是無(wú)法起到補(bǔ)充的作用．

4 并機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用過程中故障排除一例

故障現(xiàn)象：日常檢查過程中發(fā)現(xiàn)，UPS1負(fù)載突變?yōu)?3%，而UPS2為6%，UPS1出現(xiàn)半載告警，但兩臺(tái)設(shè)備仍正常工作，由逆變輸出．

故障排除方法：在機(jī)器調(diào)試狀態(tài)，按照維修流程，在面板還沒逆變開機(jī)前，基準(zhǔn)電源測(cè)量，各相關(guān)電源電壓正常，于是采取UPS主機(jī)逆變開機(jī)，發(fā)現(xiàn)故障燈亮，蜂鳴器長(zhǎng)鳴，并且逆變燈閃爍，伴隨著逆變燈閃爍時(shí)其顯示板上有一個(gè)繼電器來回切換的“啪啪”聲．分析逆變燈閃爍，并伴隨著顯示板的繼電器的來回切換，是否是電源板功率不夠，導(dǎo)致電壓下降，使得繼電器不能完全吸合，從而使得UPS相關(guān)信號(hào)電路不能穩(wěn)定工作．于是在調(diào)試狀態(tài)下面板逆變開機(jī)后測(cè)試相關(guān)工作電源，萬(wàn)用表檢測(cè)發(fā)現(xiàn)其電源電壓不穩(wěn)定，上下波動(dòng)．驗(yàn)證了前面的分析有一定道理，遂將電源板電容C06(50V/220uf)更換成新的，然后將電容 C12、C15、C28、C59、C45也做更換(50V/1000 uf)．將拆下來的這6個(gè)電容進(jìn)行容值測(cè)量，發(fā)現(xiàn)這些電容均已老化，容值下降嚴(yán)重．更換電容后要并機(jī)時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)主機(jī)逆變輸出壓差過大，高于10V，此時(shí)無(wú)法并機(jī)，于是進(jìn)入了下一步并機(jī)均流調(diào)試．

其調(diào)整方法如下：該調(diào)試需要在維修旁路或關(guān)閉負(fù)載的情況下，此時(shí)直流母線電壓必須為0V，因?yàn)榇藭r(shí)在測(cè)試其準(zhǔn)正弦，同測(cè)驅(qū)動(dòng)一樣，需要面板開機(jī)，但不能讓逆變器工作．如有示波器，也可用示波器調(diào)整這兩臺(tái)機(jī)器正弦波的峰－峰一致．先以UPS1為基準(zhǔn)，用萬(wàn)用表的交流電壓毫伏檔測(cè)R83的右端與R121右端的交流電壓值．記錄該數(shù)值后，調(diào)整UPS2該相調(diào)制板的RP3，使得兩臺(tái)UPS此相R83右端與R121右端間的電壓與前一臺(tái)測(cè)量值保持一致;再測(cè)UPS1機(jī)的0V與R50右端間的交流電壓值，記下該值后，調(diào)整UPS2對(duì)應(yīng)該相的RP2，使得兩臺(tái)UPS此相0V與R50右端間的電壓值保持一致．接下來以此方法調(diào)整其他兩相，當(dāng)兩臺(tái)UPS的動(dòng)態(tài)正弦幅值一致后，就可以成功實(shí)現(xiàn)兩機(jī)并聯(lián)．

此故障為電源板電容老化致使設(shè)備調(diào)制板并機(jī)參數(shù)漂移．

5 使用UPS應(yīng)注意的其他事項(xiàng)

(1)切勿將UPS設(shè)備上的開關(guān)當(dāng)作負(fù)載的電源開關(guān)來使用，避免對(duì)UPS的頻繁啟動(dòng)．

(2)在UPS工作穩(wěn)定之后，方可開啟負(fù)載．某些設(shè)備在啟動(dòng)時(shí)電流很大，有可能造成UPS發(fā)生過載保護(hù)，因此最好將這類設(shè)備先于其它設(shè)備啟動(dòng)．

(3)操作UPS時(shí)嚴(yán)禁佩帶手表、手鏈、手鐲、戒指等易導(dǎo)電物體．

［1］于鳳霞．電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的保障—UPS不間斷電源［J］．電站系統(tǒng)工程，2009，(1)．

［2］關(guān)寧強(qiáng)．淺析交流不停電系統(tǒng)在發(fā)電廠中的應(yīng)用［J］．山西焦煤科技，2010，(7)．

［2］喬延坤．巖灘水電廠UPS接線及運(yùn)行方式探討［J］．機(jī)電信息，2012，(3)．