大型制造企業(yè)UPS安全隱患分析與管理技術要點

孫 耀,劉 瓊,董大亨,趙榮泳,陸劍峰,張 浩

(1.中國商用飛機有限責任公司,上海 200120；2.同濟大學電子與信息學院CIMS研究中心，上海 201804)

0 引言

不間斷電源系統(tǒng)(uninterruptible power supply,UPS)是IT快速發(fā)展和大數(shù)據(jù)時代重要的應急供電保障設備，應用日益廣泛。不間斷電源設備在系統(tǒng)電源故障時，在規(guī)定時間內(nèi)向用戶設備供電，從而可以保證用戶不因突發(fā)停電而影響工作或丟失數(shù)據(jù)[1-3]。然而，由于先進材料UPS設備維護保養(yǎng)的專業(yè)性要求高、使用工況差異性較大、行業(yè)標準和規(guī)范差別性大，以及安全管理措施缺失等原因，導致使用3年以上的UPS設備過沖電、短路和爆燃事故頻發(fā)[4]。該類安全事故隨機性和不確定性明顯，已日益成為大型制造企業(yè)安全管理的重點。為此，本文深入分析大型制造企業(yè)不間斷電源設備安全隱患，提出UPS設備管理技術要點，為規(guī)范UPS安全技術管理和大數(shù)據(jù)背景下大型制造企業(yè)智能制造規(guī)劃提供安全技術參考。

1 不間斷電源結構與原理

作為應急供電設備，為了保證運作系統(tǒng)在突然斷電時，能夠在規(guī)定時間內(nèi)正常工作，不間斷電源配有一套獨立的蓄電池組。在外部電源正常供電情況下，UPS通過外部電源給蓄電池組充電。當外部電源因故障斷開時，蓄電池組從充電狀態(tài)切換至放電狀態(tài)給負載供電。根據(jù)向負載供電時逆變電路是否保持在線工作，UPS可以分為兩大類：在線式UPS和離線式UPS。

1.1 在線式UPS設備結構與原理

在線式UPS由于線路簡單、設備要求低，日常生產(chǎn)生活中使用較為普遍。在線式UPS的工作原理是無論電網(wǎng)供電是否發(fā)生故障，逆變電路始終處于工作狀態(tài)[5]。在線式UPS工作原理如圖1所示。

圖1 在線式UPS工作原理圖

UPS正常工作時，旁路開關斷開。在這種情況下，如電網(wǎng)電壓供電正常，電網(wǎng)電壓輸入首先經(jīng)過噪聲濾波器濾除電網(wǎng)電能中的高頻干擾信號，獲得相對純凈的交流電壓；接著電能進入整流電路，將交流電整流變成直流電。之后電能分為兩路，一路電能給蓄電池組供電，保證UPS設備具有足夠的應急電能；另一路通過逆變器將直流電變成220 V、50 Hz的交流電，供給交流負載正常運行。同樣，在UPS正常工作的情況下，當電網(wǎng)電壓中斷時，市電輸入被切斷，整流器電路不再工作。這時蓄電池從充電狀態(tài)切換至放電狀態(tài)，蓄電池放出的直流電能，通過逆變電路轉換成交流電，供給負載正常運行。但是，當微處理器的傳感器檢測到UPS發(fā)生故障時，UPS利用繼電器原理實現(xiàn)旁路開關閉合，由市電應急供給負載電力，并發(fā)出故障報警[6]。

1.2 離線式UPS結構與原理

離線式UPS工作原理如圖2所示。

圖2 離線式UPS工作原理圖

當市電供電正常時，旁路開關l斷開，旁路開關2與上支路吸合。市電輸入后，通過濾波電路后，一路給用戶負載供電，另一路經(jīng)過整流交流電變成平滑的直流點后給蓄電池充電。通過圖2可以看出，當市電供電正常時，逆變器輸入和輸出電路皆斷開，故稱為離線式UPS設備[7]。當市電突然停電時，旁路開關l和開關2聯(lián)動，電池電流經(jīng)逆變器開始輸出供電，轉換供電所需時間主要取決于繼電器觸點開、合的時間(一般為3～9 ms)。所以嚴格地說，離線USP是間斷時間非常短的接續(xù)供電器。由于它輸人、輸出直通市電，而且繼電器開/合時有脈沖產(chǎn)生，故它不具穩(wěn)壓效果。

2 常見安全隱患

UPS設備是一種重要的蓄能和供電裝置。由于其技術發(fā)展相對較早，應用范圍十分廣泛，作為常見設備，人們常常忽視對其維護和監(jiān)管[8]，使用過程中容易存在一些常見的安全隱患，如不予以重視，會造成重大損失。由于不間斷電源系統(tǒng)由整流器、濾波器、逆變器、交流靜態(tài)開關和蓄電池組等組成，結構復雜，另外應用場所不一，所以USP設備在使用過程中存在的安全隱患也眾多復雜。為幫助使用者直觀清晰地獲取UPS設備的使用注意事項，本文利用魚骨圖因果分析法，將常見的UPS使用安全隱患進行圖解分析，使得隱患要素層次分明、條理清晰。其中包括十條典型要素。

①安裝位置不合理。UPS的安裝位置非常重要，未能合理選擇安裝位置會導致潛在風險，常見的安裝位置錯誤有：UPS電源側放；放置位置通風效果差，臨近水、可燃性氣體或腐蝕劑；使用環(huán)境溫度低于0 ℃或者高于40 ℃，在低溫環(huán)境下拆裝，由于會有水滴凝結現(xiàn)象，易引起觸電，在高溫環(huán)境下電池壽命易縮短；未選用有過流保護裝置的供電插座，插座未接保護地端，易造成人員觸電。

②UPS長期閑置。蓄電池組作為UPS設備中重要的儲能設備，當設備長期閑置不用時，蓄電池的內(nèi)阻會增大，造成電池的可充和放電性性能變差。加之維護保養(yǎng)不當，蓄電池容易起火。

③錯誤操作UPS開機和關機順序。開機時應該先打開UPS設備，再接負載。但是如果使用人員錯誤操作開機順序，開機瞬間電流的沖擊會給UPS造成很大損害；關機時順序正好相反，不然會造成負載損傷。

④UPS負載不匹配。使用人員為了縮減成本或者一時應急，過載使用UPS。然而過載所造成的設備超負荷運行會嚴重縮短UPS設備使用壽命；另外，長期供給過小的負載也會造成UPS設備過電流等不正常狀態(tài)。合理的負載應該控制在50%～80%。

⑤人員操作不當。UPS設備正常是220 V的市壓供電，一旦操作人員忽視UPS的輸出電壓和電流較大，易發(fā)生嚴重的觸電事故。常見的不安全操作有：對電池進行維修保養(yǎng)時，操作人員使用的螺絲刀等工具不帶有絕緣手柄；將工具或其他金屬物品放在電池上；接線時，出現(xiàn)短接或是蓄電池組的正負極反接現(xiàn)象；將不同規(guī)格、不同品牌的電池隨意組合。

⑥首次充電不當。由于UPS設備采用老式的鉛酸電池居多，新購置的設備需要進行不低于12 h的首次充電。如首次充電時長不夠或電網(wǎng)電壓不滿足220 V等不正確的充電行為，會導致設備充電不足，從而導致蓄電池的容量大大低于標定容量。

⑦無實時監(jiān)控。目前市場上UPS電源多采用閥控式鉛酸電池，因此廠家便聲稱其為免維護電池，造成用戶誤解所買的UPS設備既耐用又不用維護。這導致許多用戶在使用UPS設備時都疏于對設備的實時監(jiān)控及定期維護。

⑧錯誤使用交流穩(wěn)壓器。使用UPS電源后無需在使用交流穩(wěn)壓設備，如用戶錯誤再用穩(wěn)壓器會影響蓄電池壽命。加之維護保養(yǎng)不當，會引起蓄電池起火。若必須使用交流穩(wěn)壓器，應加在UPS 的前級，USP后級接負載。

⑨蓄電池未均衡充電。UPS設備在使用過程中，如發(fā)生以下情況，會造成蓄電池組不均衡充電：使用過程中過量放電，會導致端電壓低于蓄電池規(guī)定的標定電壓；蓄電池放電使用后，未能及時對蓄電池組進行充電；電池組長期閑置不用；市電中斷，連續(xù)浮充的電池；放出近一半容量的電池。

⑩錯誤使用柴油發(fā)電機。因柴油發(fā)電機供電頻率不太穩(wěn)定，所以錯誤使用柴油發(fā)電機為UPS供電，會影響UPS的正常運行，容易導致發(fā)生意外事故。

安全隱患魚骨圖如圖3所示。

圖3 安全隱患魚骨圖

3 相關行業(yè)標準

UPS系統(tǒng)作為所有設備運作的供電基礎，被廣泛應用于各個行業(yè)鄰域。1996年，我國國家標準GB/T 14715-93 《信息技術設備用不間斷電源通用技術條件》出臺。此標準是UPS產(chǎn)品的通用技術條件(簡稱“通用技術條件”)[9]。由于當時我國UPS技術開發(fā)和制造業(yè)信息管理處于起步階段，無論是技術水平或單機容量與國外產(chǎn)品相比尚存在較大差距。所以在一些標準制定上存在缺陷。隨著我國UPS設備的應用普及，不同行業(yè)分開始制定UPS設備行業(yè)標準。以下就一些典型標準進行分析。

3.1 信息行業(yè)國際標準

信息機房安全管理規(guī)范(ISO 45001-2017)中，多處對UPS設備工作環(huán)境與維護作了詳細的規(guī)定[10]。

3.1.1 運行環(huán)境

機房維護保養(yǎng)人員應該定期檢查機房的溫度、濕度和空調(diào)運作狀況，并制定《信息中心機房記錄表》，維護或者使用情況按時記錄。機房溫濕度保持在合適范圍，機房的適宜溫度為18～28 ℃，適宜濕度為40%～70%，并保證機房不發(fā)生結露現(xiàn)象；機房內(nèi)嚴禁存放易燃、易爆、腐蝕品、放射性及強磁場物品；機房中應配備防塵、防火、防水、防鼠等設施,以及消防報警系統(tǒng)[11]。

3.1.2 使用與維護要求

機房內(nèi)精密運行設備必須由UPS不間斷電源進行供電，保證設備電源供電質(zhì)量；UPS設備作為市電運行設備，必須防止突發(fā)觸電情況，設備必須配有接地設施，接地電阻符合規(guī)范標準；機房管理員應每周一次對UPS運行設備、運行環(huán)境進行檢查，并嚴格記錄運行情況。

3.2 郵電行業(yè)標準

2001年，我國通信行業(yè)針對UPS設備使用規(guī)范問題，制定了YD/T 1095-2000《通信不間斷電源-UPS》 行業(yè)標準，為通信行業(yè)UPS電源生產(chǎn)、使用和監(jiān)督等工作提供了技術依據(jù)，規(guī)范了通信領域中的UPS市場[12]。通過YD/T 1095-2000行業(yè)標，我們可以獲取到郵電行業(yè)UPS設備的一些使用規(guī)范。其中包括正常使用條件環(huán)境溫度為5～40 ℃：相對濕度≤93%{(40±2)℃,無凝露}；海拔高度應不超過1 000 m；貯存運輸環(huán)境及機楲條件溫度:-25～+55 ℃(不含電池)；UPS設備在正常使用環(huán)境條件下,平均無故障間隔時間(mean time between failures,MTBF)應不大于100 000 h(不含蓄電池)，超過使用期限應及時更換設備。

3.3 鐵路行業(yè)標準

為規(guī)定鐵路通信用不間斷電源設備環(huán)境、技術要求和檢驗方法，我國出臺了TB/T 2993.3-2016《鐵路通信電源第3部分：通信用不間斷電源設備》標準[13]。以下重點解讀鐵路通信用不間斷電源設備的環(huán)境要求和技術要求，從中可以獲取鐵路行業(yè)使用UPS設備規(guī)范。

3.3.1 環(huán)境要求

在鐵路行業(yè)，為適應不同的運行環(huán)境，UPS設備類型分為室內(nèi)型和室外型。要求運行環(huán)境防低溫、高溫，防濕防潮等，由于鐵路行業(yè)運行環(huán)境相對惡劣，尤其對于室外型UPS設備，所以在制造過程中已經(jīng)很大程度上提高了環(huán)境耐受度。對于室外型UPS設備的制造有多種分類。按運行環(huán)境溫度分為I型(-40～+45 ℃)和II 型(-10～+45 ℃)；工作相對濕度為不大于95% (不結露) 。

支出標準體系建設初見成效。在山東省各級財政評審機構的共同努力下，項目支出預算編制規(guī)范和項目支出標準漸成體系，在全面規(guī)范財政預算管理、提高財政資金分配效益等方面發(fā)揮了重要作用。如，省財政出臺了辦公業(yè)務用房維修改造支出標準，制定了政務信息化軟件開發(fā)項目支出評審標準，著手開展政務信息化項目運行維護費用支出預算標準制定。

3.3.2 技術要求

為了保證UPS設備蓄電池組正常運行，依據(jù)UPS設備規(guī)格型號的不同，設備的輸入電壓范圍可選擇±10%、±15%、±20%、±25%等[13]。在鐵路通信中，一般室內(nèi)型UPS設備應用在鐵路沿線車站和區(qū)間機房的外供電情況下，其輸入電阻一般可變范圍在±20%；室外型 UPS設備應用在區(qū)間室外或隧道內(nèi)，由于外供交流電形式多樣，參考TB/T 2169-2002的規(guī)定，室外型UPS設備的可變范圍規(guī)定在±30%。為了保證設備運行安全，使用時應嚴格按照要求。

并機冗余是提高系統(tǒng)安全運行的有利方法，在GSM-R核心網(wǎng)機房的交流不間斷電源供電系統(tǒng)中，常采用并機冗余方式運行。并機冗余是將同型號、同容量并具有并機功能的2臺或者多臺UPS設備的輸出端并聯(lián)，進一步提高負載電壓的穩(wěn)定性。

4 UPS性能指標速算模型

為了便于安全管理，本文梳理行業(yè)內(nèi)通用UPS性能指標速算模型。在UPS蓄電池組放電過程中，衡量UPS電池組性能的指標有：滿載時蓄電池放電時間、帶載不足時蓄電池放電時間、負載容量、UPS運行中內(nèi)部溫度[12-15]。本文假設溫度對電池組性能影響最小，且UPS運行溫度基本維持在合理范圍，即溫度影響不予討論。

4.1 滿載放電時間

設UPS設備標準功率為P(VA)，用直流電池組時轉換電壓為UZ，轉換電流為IE，蓄電池容量為N。則電池組放電時間F計算公式如下。

(1)

式中:0.8為電池組放電時將化學能轉換為電能的功率因素。

滿載時放電時長為：

(2)

式(2)表明：當一組電池放電時間為0.88 h時，如想延長放電時間，則需多并聯(lián)幾組電池；每多并聯(lián)一組，放電時間對應延長1倍。

4.2 電池組性能優(yōu)劣計算與分析

設滿載放電時間為tm，放電過程平均負載R% ，放電時長為tr，則該UPS電池組性能因子Per運算公式為：

(3)

tm÷R表示該UPS電池組無損耗時帶R負載的放電時長，tr為帶R負載時實際放電時長，兩者相減則為該UPS電池組減少的放電時長，應放時長除以實放時長則為性能因子Per。Per越大，電池組性能越差；反之，Per越小性能越好。Per可以作為維護人員維護電池組時重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 無人值守機房UPS安全管理技術要點

根據(jù)人防為本、技防為主和技術驅動的管理原則，結合各類行業(yè)標準，本文提出制造企業(yè)機房不間斷電源安全管理的技術要點。

①環(huán)境條件。通風散熱條件良好，室內(nèi)性UPS環(huán)境溫度40 ℃，相對濕度≤93% (40±2)℃，無凝露；室外型UPS 極寒條件下，采用I型(-40～+45 ℃)，普通條件下，采用II型(-10～+45 ℃)；工作相對濕度為≤95% ，并保證不結露，無強磁場干擾。

②運行條件。輸入電壓可變范圍確定為±20%，交流電頻率波動范圍為50×(1±1%)Hz。

③操作與保養(yǎng)要點。對于長期閑置的UPS設備，在再次使用前，需將設備充電12 h后再接負荷。若UPS電源長期不用，應每隔2～3個月開機24 h，讓其充電充分以保證電池的正常壽命。對于離線式UPS設備，逆變電路上時間不運轉會設備老舊，因此每隔一個月讓逆變器工作2～3 min，以激活長期閑置的蓄電池。

④淘汰更新機制。一般正常使用的UPS，其電池壽命不超過3年。使用UPS性能指標速算模型評估電池性能，及時保養(yǎng)或更換舊電池。

⑤多模式監(jiān)控。配備UPS自監(jiān)控型設備，自動監(jiān)控充電電流、放電電流、充電電壓、放電電壓、電池容量等主性能。對于異常情況，及時進行屏幕提示和短信提醒；建設機房UPS柜外監(jiān)控系統(tǒng)，包括視頻監(jiān)控、溫度場監(jiān)控、煙霧監(jiān)控、敏感泄漏氣體監(jiān)控等功能，實現(xiàn)及時屏幕和警笛聲光報警、短信和手機APP報警消息推送。

⑥應急處置要點。收到或者現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)UPS故障報警后，第一時間確認警情，斷開UPS供電電路；救援現(xiàn)場工作人員及時報警(廠內(nèi)或者廠外)；如遇電池突發(fā)起火情況，應選用干粉滅火器滅火。

6 結束語

制造企業(yè)各類生產(chǎn)站點UPS設備為保障生產(chǎn)核心邏輯和存儲單元連續(xù)運行提供了可靠電源供給，UPS這類特屬于電源設備的重要性日益突出。隨著新型電池材料的發(fā)展，UPS設備性能也會不斷提高。這就要求根據(jù)不間斷電源系統(tǒng)的技術要求，動態(tài)監(jiān)控UPS系統(tǒng)運行；合理評估電池性能，及時保養(yǎng)和維護UPS電池等各主要模塊。在安全管理方面，也要求技術防范措施緊密復合UPS設備自身的操作和維保要求。對操作人員進行專業(yè)培訓，杜絕各類誤操作事故。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)和智能感知技術的發(fā)展，新型UPS的性能將實現(xiàn)動態(tài)、可預見的評測。這就要求打破傳統(tǒng)的定時或者定期維護保養(yǎng)的管理模式，發(fā)展成按照UPS供電性能和帶載性能動態(tài)維保的管理模式，科學保障應急電力供應，同時也將有效節(jié)約電池等材料資源，實現(xiàn)不間斷供電系統(tǒng)的智能高效運行。