GUTOR UPS系統(tǒng)關(guān)機后無法切旁路的解決方案

曹祖庭，查衛(wèi)華

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

瑞士GUTOR電子有限公司成立于1946年，該公司的UPS、充電器等在中國的核工業(yè)設(shè)施中廣泛應(yīng)用。據(jù)不完全統(tǒng)計，在包括秦山核電、田灣核電、寧德核電、原子能院、清華大學高溫氣冷堆等24個單位擁有879套設(shè)備(截至2019年)。

GUTOR UPS雖然在容量上有所區(qū)別，但原理基本相同，以國內(nèi)某核電常規(guī)島UPS為例(型號為PEW 1080-220/230-EAN)，該UPS由市電進線開關(guān)(Q001)、市電隔離變壓器(T001)、6脈沖整流模塊(A030)、整流輸出側(cè)濾波組件—電感器(L001)電容器(CB002)、逆變模塊(A032)、逆變輸出濾波組件—交流電感(L002)電容(CB003)、逆變輸出隔離變(T002)、旁路輸入斷路器(Q090)、旁路輸入自動調(diào)壓器(T090)、IGBT靜態(tài)開關(guān)模塊(A035/036)、三位置手動維護開關(guān)(Q050)、蓄電池進線斷路器(Q004)、輸出開關(guān)(Q100)和各種功能控制板組成，其系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 GUTOR UPS單線圖Fig.1 The single diagram of the GUTOR UPS

按照工作原理，該系列UPS屬于在線式UPS，其功能主要可分為以下4個工作模式[1]：

1)正常供電模式：正常情況下，380 V交流主電源經(jīng)過隔離變壓器(T001)、整流器(A030)、濾波電抗電容器(L001/CB02)、逆變器(A032)、濾波電抗器(L002)、輸出隔離變壓器(T002)、靜態(tài)開關(guān)(A036)和輸出切換開關(guān)Q090(處于AUTO位置)，最后送至下游負荷。

2)蓄電池供電模式：當主輸入電源出現(xiàn)異常時，電流經(jīng)過蓄電池、濾波電容(CB02)、逆變器(A032)、濾波電抗器(L002)、輸出隔離變壓器(T002)、靜態(tài)開關(guān)(A036)和輸出切換開關(guān)Q090(處于AUTO位置)，最后送至下游負荷。

3)旁路供電模式：當主輸入380 V交流電以及蓄電池出現(xiàn)異常時，電流通過旁路調(diào)壓變壓器(T090)、旁路靜態(tài)開關(guān)EN(A035)和輸出切換開關(guān)Q090(處于AUTO位置)至下游負荷。

4)手動檢修旁路供電模式：當UPS主機需要進行檢修，但是負荷又不能失電的情況下，電流直接通過旁路調(diào)壓變壓器(T090)和輸出切換開關(guān)Q090(處于BYPASS位置)送至下游負荷。

理論上上述4中供電模式能夠確保所有意外工況下，負荷供電的連續(xù)性，但是近幾年秦山核電、田灣核電等很多地方發(fā)生了多起由于UPS意外關(guān)機或者死機后，導(dǎo)致負荷失電的事件。

1 失電事件調(diào)查

經(jīng)過詳細調(diào)查，GUTOR UPS從2012年至今發(fā)生了多起莫名失電的故障，下面介紹3起典型事件。

(1)失電事件1

2012年3月、6月、9月連續(xù)國內(nèi)某核電3號機組LNQ001DL/LNR001DL/LNQ001DL接連系統(tǒng)關(guān)機，關(guān)機后UPS無法切換旁路導(dǎo)致負荷失電，其中3月與6月的這兩次導(dǎo)致的機組的停機，反應(yīng)堆停堆。

事件原因：該事件發(fā)生后，經(jīng)過通過多方聯(lián)合查找，最終確定導(dǎo)致這次系統(tǒng)關(guān)機的原因為UPS功能上未使用卻長期配置的A075接口板改變了主控板A070控制地(GND)的接地方式(正常為RC高阻接地)，從而導(dǎo)致控制地與大地直接連通；再疊加上強電回路的接地形式的不符合規(guī)范導(dǎo)致干擾容易通過傳導(dǎo)耦合的方式進入設(shè)備，降低了設(shè)備的抗干擾能力。兩方面共同作用下，外部干擾信號通過薄弱的A075接口板的接地點，進入了主控板中，拉低了主控板(A070)的5 V的工作電壓，導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)機(試驗證明5 V電壓存在ms級的0.5 V的壓降，就會導(dǎo)致關(guān)機)[2]。

(2)失電事件2

2018年5月，國內(nèi)某核電4號機組40BRU62、40BSU43兩臺UPS設(shè)備接連故障停機。停機造成設(shè)備下游母線失電。UPS所帶負荷均為涉及核安全的重要控制設(shè)備，母線失電會造成設(shè)備無法使用，影響機組安全運行。

事件原因：UPS的邏輯與控制的核心部件均在其主控板(A070)，2012年瑞士GUTOR將主控板進行過一次全部升級，用一塊主邏輯板替代了原來的3塊程序塊。如圖2所示，主邏輯板通過長插針固定于主控板上。經(jīng)過分析，導(dǎo)致故障關(guān)機的根本的原因是可插拔部件與主控板之間的間歇性接觸問題。

圖2 主邏輯板的安裝位置圖Fig.2 The installation location drawing of the main logic board

除此之外，主控板PSU端輸送到邏輯板的末端電壓低于設(shè)定的+5 V也是失電事件的促成原因。設(shè)備控制邏輯中，當主控板電壓低于4.76 V的，會觸發(fā)主控板MPU復(fù)位，系統(tǒng)關(guān)機，從而導(dǎo)致負荷失電。

(3)失電事件3

2020年8月，國內(nèi)某核電8LNF001DL逆變器負荷失電，面板顯示異常，現(xiàn)場操作面板按鈕，無任何反應(yīng)，處于死機狀態(tài)。

事件原因：經(jīng)過各方分析，最終原因為由于逆變器所在房間通風系統(tǒng)異常導(dǎo)致房間溫度較平時溫度略高，逆變器內(nèi)部熱量無法及時排出導(dǎo)致主控板溫度異常而出現(xiàn)死機的情況。

造成上述失電事件的原因各異，但是最后均影響到了主控板(A070)的正常工作，誘發(fā)主控板功能失效或者發(fā)出了錯誤的指令，最終導(dǎo)致關(guān)機或者死機，引起了負荷的失電。

2 主控板(A070)分析

GUTOR UPS的主控板(A070)是整個設(shè)備的核心部件，類似于一個神經(jīng)中樞，它與各個功能板件均有接口，直接或者間接控制著UPS的運行狀態(tài)。其與各個板件的關(guān)系圖如圖3所示。

從圖3中可以看出，主控制板的主要功能是整流器控制、逆變器控制、監(jiān)測電壓，電流監(jiān)測，溫度監(jiān)測、靜態(tài)開關(guān)切換、告警、通訊、保護邏輯實施等。主控板的核心部件就是主邏輯板A701，靜態(tài)開關(guān)的切換邏輯也在這塊芯片中。

GUTOR主控板的設(shè)計將所有控制功能全部集成在一塊板子上，無冗余邏輯，若主控板出現(xiàn)5 V控制電壓波動(低于4.76 V)，或者其插針松動等小概率事件，就會導(dǎo)致主控板的失效、負荷失電。因此通過設(shè)計一個帶獨立電源的旁路邏輯板，在主控板失效的情況下，強制導(dǎo)通靜態(tài)開關(guān)變的十分重要。

3 強制靜態(tài)旁路設(shè)計

3.1 靜態(tài)開關(guān)原理

靜態(tài)開關(guān)是由自然換相的三組反向并聯(lián)晶閘管組成，其導(dǎo)通需要通過高電平觸發(fā)，其才能導(dǎo)通。其切換的原理如圖4所示。

正常情況下，市電通過整流逆變后向負載供電，在運行過程中，逆變器輸出電壓與旁路電壓保持同步，UPS若發(fā)生故障，比如逆變器故障、超溫等，主控板發(fā)出高電平指令驅(qū)動旁路靜態(tài)開關(guān)EN導(dǎo)通，發(fā)出低電平給靜態(tài)開關(guān)EA，使其關(guān)閉，此時由旁路向負載供電。

3.2 FSBS(Forced Static Bypass Switch)強制靜態(tài)旁路方案

既然主控板的失效導(dǎo)致了無法切換旁路，那么若新增一個獨立的靜態(tài)旁路邏輯模塊IML(Independent Master Logic)，其主要邏輯為在主控板失效情況下，替代主控板的功能，強制導(dǎo)通靜態(tài)旁路，這樣就能保證負荷供電的連續(xù)性。該套方案主要能實現(xiàn)功能如表1所示。

圖3 主控制板與各個板件的關(guān)系圖Fig.3 The relation between main board and other board

圖4 靜態(tài)開關(guān)原理圖Fig.4 The principle of the static switch

表1 強制靜態(tài)旁路動作邏輯表Table 1 The action logic of FSBS

其中強制靜態(tài)旁路激活的邏輯為：旁路電壓在-50%到+15%的范圍內(nèi)，在監(jiān)測到EA/EN均關(guān)斷(如UPS 主控板故障、失電或“系統(tǒng)關(guān)機”)的情況下，激活靜態(tài)旁路開關(guān)EN，使負荷供電連續(xù)。

邏輯上通過監(jiān)測EA/EN是否閉合，而不采用判斷輸出電壓是否存在來激活強制靜態(tài)旁路的原因為，前者是一個直接量，能夠直接獲取，后者是一個間接量，是在EA/EN均未導(dǎo)通的情況，才會導(dǎo)致負荷失電，由于是交流電，準確判斷失電由需要至少一個周波(20 ms)，因此采用監(jiān)測EA/EN在切換速度上會比檢測輸出電壓快很多，同時UPS技術(shù)規(guī)格書規(guī)定，切換時間小于5 ms，所以采用監(jiān)測EA/EN是否閉合來判斷更合適。

實現(xiàn)強制靜態(tài)旁路的原理如圖5所示，該方案的特點有：

1)獨立邏輯模塊IML采用獨立的旁路電源，與主控板電源分開，避免主控板電源異常而引起該模塊的功能異常，正常工況下該模塊不起作用，但是可以通過綠色指示燈判斷是否可用，通過其紅色指示燈判斷強制靜態(tài)旁路是否被激活；

2)獨立的邏輯模塊能夠采集旁路電壓信號、輸出電壓信號，主控板的驅(qū)動EA/EN的信號，通過表1的邏輯表來輸出額外的驅(qū)動信號，導(dǎo)通EN，避免負荷失電；

3)主控板驅(qū)動EN的信號與獨立的邏輯模塊驅(qū)動EN的信號并聯(lián)后再輸出到EN，實現(xiàn)原有靜態(tài)旁路開關(guān)EN同時受主控板和獨立邏輯模塊控制，不需要增加額外的靜態(tài)開關(guān)。

圖5 FSBS原理圖Fig.5 The schematic of FSBS

該強制靜態(tài)旁路(FSBS)已經(jīng)經(jīng)過了實驗驗證，能夠滿足切換要求，以較小的改進，提高設(shè)備的可靠性。

4 結(jié)論

GUTOR UPS在核工業(yè)應(yīng)用廣泛，但是都存在系統(tǒng)關(guān)機后無法切旁路的邏輯，因此FSBS強制靜態(tài)旁路方案能夠在小改動的情況下，能夠大大提高GUTOR UPS的可靠性，實現(xiàn)在UPS系統(tǒng)關(guān)機后無法切旁路的缺陷，該方案也能夠?qū)ζ渌放芔PS的可靠性改進提供一個很好的思路。