核電廠UPS 裝置故障跳閘原因分析及處理

趙德恒

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江三門 317112）

0 引言

某核電廠保衛(wèi)控制中心、應(yīng)急指揮中心和環(huán)境監(jiān)測(cè)站等BOP 子項(xiàng)區(qū)域選用GUTOR PDW 系列UPS 裝置，為控制區(qū)、要害區(qū)出入口等重要安保設(shè)施、應(yīng)急指揮操作站、環(huán)境監(jiān)測(cè)工作站等提供持續(xù)不間斷電源，使電廠重要負(fù)荷在失去交流電情況下可以正常穩(wěn)定的運(yùn)行[1]。本文主要介紹某核電廠UPS 故障停機(jī)且無(wú)法再次啟動(dòng)的原因分析及處理情況。

1 UPS 結(jié)構(gòu)及原理

1.1 UPS 結(jié)構(gòu)

UPS 裝置主要包括整流器、逆變器、蓄電池、靜態(tài)開關(guān)、手動(dòng)旁路開關(guān)、變壓器、熔斷器等。UPS 正常運(yùn)行時(shí)是將交流輸入通過變壓器送到整流器，整流器補(bǔ)償進(jìn)線電壓波動(dòng)及負(fù)載變化，保持直流電壓穩(wěn)定。整流器供電給逆變器，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行浮充電，使蓄電池保持備用狀態(tài)，逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流并通過靜態(tài)開關(guān)給負(fù)載供電見圖1。

當(dāng)整流器故障或上游交流電失去時(shí)，UPS 裝置通過所帶蓄電池為負(fù)載繼續(xù)供電；若逆變器故障，UPS 裝置將通過靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)切換至旁路并經(jīng)調(diào)壓變壓器繼續(xù)為負(fù)載供電；在UPS 裝置需要檢修時(shí)，通過手動(dòng)旁路開關(guān)將UPS 裝置旁路隔離，在保證負(fù)載繼續(xù)供電的前提下進(jìn)行UPS 裝置檢修。

1.2 UPS 工作原理

GUTOR PDW 系列UPS 裝置整流器采用三相全控整流電路，通過六脈沖晶閘管整流橋后，得到直流波形。經(jīng)過電容、電感濾波，可以得到較高品質(zhì)的直流，變壓器既可以將交流380V 變?yōu)?20 V，同時(shí)可以將外部高次諧波隔離并將整流產(chǎn)生的高次諧波隔離，以免影響外部電源。UPS 裝置逆變器使用帶有IGBT 的脈沖寬度調(diào)制（PWM）逆變器技術(shù)將直流轉(zhuǎn)換成交流的裝置，直流經(jīng)過IGBT 逆變電路，使輸出電壓、電流接近正弦波，但由于使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。通過電感、變壓器、電容濾除高次諧波，最終得到穩(wěn)定、可靠的380 VAC 電源。

圖1 UPS 結(jié)構(gòu)

2 UPS 故障跳閘原因分析及處理

2.1 故障現(xiàn)象描述

在對(duì)核電廠BOP 區(qū)域保衛(wèi)控制中心UPS 裝置檢查發(fā)現(xiàn)，UPS已自動(dòng)停機(jī)，其整流器未開啟為蓄電池浮充電，逆變器也未給負(fù)載供電，負(fù)載由旁路經(jīng)調(diào)壓變壓器帶載。經(jīng)確認(rèn)，上游斷路器閉合，證明靜態(tài)開關(guān)工作正常，排除因下游負(fù)荷短路或過載導(dǎo)致UPS 故障停機(jī)。聯(lián)系相關(guān)人員重新啟動(dòng)UPS 裝置，發(fā)現(xiàn)無(wú)法正常啟機(jī)，證明為非瞬時(shí)故障，此時(shí)故障依然存在，需要對(duì)UPS 裝置進(jìn)行故障排查分析。

2.2 故障原因分析

根據(jù)UPS 的結(jié)構(gòu)及原理接線圖，依次從供電電源、控制回路、整流/逆變功率單元、直流電壓等方面分析UPS 故障停機(jī)且無(wú)法啟機(jī)可能原因，具體包括以下方面：

（1）供電電源超出限值。供電電源主要是指UPS 的進(jìn)線電源，若其出現(xiàn)進(jìn)線相序不正確、電壓超限或頻率超限等問題，UPS 將無(wú)法整流出合適的直流電源，UPS 內(nèi)部檢測(cè)后將整流器自動(dòng)關(guān)斷。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，UPS 的正常輸入電壓調(diào)節(jié)范圍為AC 380 V±15%，頻率為50 Hz±8%。

（2）控制回路電源故障。線路板電源電壓故障或超限，會(huì)使控制回路無(wú)法工作，UPS 將自我保護(hù)停機(jī)。

（3）整流器或逆變器功率單元溫度高。整流器或逆變器功率單元溫度高，為保護(hù)功率單元不會(huì)因溫度過高而損壞，此時(shí)UPS 將停機(jī)。

（4）交流電容組件CB03 電流故障。交流電容組件是與濾波電抗器一起濾除來自逆變器的PWM 輸出中的諧波電壓，以在逆變變壓器輸出端獲得低失真的正弦波，若交流電容組件故障將無(wú)法為負(fù)荷提供正常交流電，此時(shí)逆變器將自動(dòng)關(guān)斷。

（5）連接到整流橋或逆變回路插頭松動(dòng)，將使整流或逆變回路無(wú)法實(shí)現(xiàn)其整流或逆變功能。

（6）逆變器輸入直流電壓故障。若逆變器輸入直流電壓超限或直流熔斷器熔斷，將導(dǎo)致UPS 自動(dòng)停機(jī)。UPS 低電壓停機(jī)定值為DC 173 V，高電壓停機(jī)定值為DC 302 V。

此外，對(duì)于其他如冗余電源故障、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速緩慢、直流接地故障等將使UPS 告警，不會(huì)導(dǎo)致UPS 停機(jī)或無(wú)法開機(jī)的問題。

2.3 故障處理

根據(jù)以上幾方面可能的故障原因分析，依次對(duì)故障UPS 裝置進(jìn)行檢查。

（1）供電電源測(cè)量。通過對(duì)進(jìn)線電壓測(cè)試，UPS 上游供電電壓AB段為394 V、AC 和BC 段為394 V，頻率為50.0 Hz，均滿足相關(guān)要求。檢查該設(shè)備歷史工作記錄，并無(wú)停電拆解本體進(jìn)線及上游開關(guān)出線工作，經(jīng)測(cè)量UPS 進(jìn)線電壓為正相序，由此排除供電電源故障。

（2）主回路及控制回路接線核對(duì)。根據(jù)GUTOR UPS 廠家原理圖，對(duì)主回路及控制回路的每一路接線進(jìn)行核對(duì)，重點(diǎn)檢查連接到整流橋、逆變回路插頭松動(dòng)，對(duì)整流器、逆變器功率單元檢查有無(wú)發(fā)黑變色情況，結(jié)果為接線正確、導(dǎo)通正常、無(wú)斷線及發(fā)黑變色情況發(fā)生，由此排除主路及控制回路故障。

（3）對(duì)交流電容組件CB03 進(jìn)行檢查。電容外觀良好，無(wú)漏酸、漏液情況發(fā)生，接觸良好，CB03 交流電容組共包括27 個(gè)電容，電容標(biāo)稱值為55 μF（表1）。經(jīng)計(jì)算，電容總?cè)萘肯陆导s5.5%，屬正常范圍。

表1 CB03 電容組測(cè)試數(shù)據(jù) μF

（4）在停機(jī)狀態(tài)下檢查并無(wú)問題，故嘗試重新啟機(jī)，閉合UPS 進(jìn)線斷路器，按照啟機(jī)步驟嘗試開機(jī)，經(jīng)多次嘗試無(wú)法開機(jī)；將主控板復(fù)位嘗試開機(jī)，此時(shí)面板顯示進(jìn)線電壓為AC 367 V、AC 333 V、AC 424 V，面板指示燈有異常告警為市電檢測(cè)電壓超限。此時(shí)，測(cè)量A071 接口板監(jiān)測(cè)電壓為AC 393 V、AC 394 V、AC 393 V 與上游電源相同，故判斷A071 接口板故障導(dǎo)致內(nèi)部監(jiān)測(cè)偏差。

（5）對(duì)接口板上與PSU 電源板接口變壓器、內(nèi)部電容進(jìn)行測(cè)試，變壓器一次線圈為5.2 kΩ，二次線圈為14.4 Ω，阻值正常；對(duì)接口板3 個(gè)電容容量進(jìn)行測(cè)量，分別為41 nF、163 nF、136 nF，而電容標(biāo)稱值為220 nF，故判斷為接口板上電容故障。

（6）重新更換新電容，新電容容量分別為209 nF、213 nF、207 nF。UPS 重新上電，并對(duì)其重新校準(zhǔn)，將進(jìn)線電壓、旁路電壓、逆變器輸出電壓調(diào)整至380 V。

圖2 UPS 進(jìn)線電壓顯示值

（7）啟動(dòng)UPS 主機(jī)柜，檢查充電器、逆變器啟動(dòng)正常，測(cè)量主路電源電壓實(shí)際值，并與監(jiān)測(cè)值比較，數(shù)據(jù)較為一致，并滿足85%～115%的要求（表2）。

3 結(jié)語(yǔ)

圖3 UPS 面板狀態(tài)

表2 UPS 故障處理后顯示值和測(cè)量值

本次UPS 故障停機(jī)且無(wú)法啟動(dòng)原因?yàn)閁PS 接口板中3 個(gè)電容老化導(dǎo)致容量降低進(jìn)而觸發(fā)進(jìn)線電源電壓超限，使整流器關(guān)斷，待蓄電池放電至低關(guān)機(jī)值后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)至旁路運(yùn)行，因進(jìn)線電壓超限一直存在，使UPS 無(wú)法重新啟動(dòng)。建議后續(xù)加強(qiáng)核電廠BOP 子項(xiàng)區(qū)域UPS 設(shè)備的巡檢力度，在故障初期提早發(fā)現(xiàn)并容易定位故障點(diǎn)。此外，在處理過程中，因缺少備件對(duì)整個(gè)處理過程產(chǎn)生一定的影響，建議對(duì)UPS 設(shè)備中的電容類易老化件提高定額儲(chǔ)備，同時(shí)針對(duì)UPS 裝置內(nèi)小的元器件增加定期檢查及更換的預(yù)防性維修策略，使UPS 設(shè)備得以安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行。