UPS電池連接錯(cuò)誤導(dǎo)致通信故障的案例分析

張永紅，史彬哲

（中國(guó)聯(lián)通甘肅省分公司，甘肅 蘭州 730000）

1 案例描述

2019年*月*日，某通信運(yùn)營(yíng)商地市級(jí)樞紐樓因主供線路停電，備用電源自動(dòng)投入裝置（BZT）動(dòng)作不成功導(dǎo)致備供電源未及時(shí)投入，后備的柴油發(fā)電機(jī)組尚未啟動(dòng)，因UPS配套的電池組無(wú)法正常放電，導(dǎo)致下掛的部分重要大客戶設(shè)備停電。經(jīng)當(dāng)?shù)鼐S護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)處理，19 min后恢復(fù)供電，大客戶通信業(yè)務(wù)隨后逐步恢復(fù)。

2 電源系統(tǒng)基本配置

本次故障涉及的設(shè)備具體配置見圖1。

（1）UPS：2×200 kVA，按照2N方式布置；

（2）蓄電池：150 Ah/12 V，每組電池為40節(jié)，每臺(tái)UPS連接2組并聯(lián)的電池組，合計(jì)4組160節(jié)；

（3）備用電源自動(dòng)投入裝置（BZT）：安裝在3 Ah號(hào)高壓柜（分段開關(guān)），功能正常；

（4）油機(jī)：380 kVA，304 kW，能正常啟動(dòng)，未配置ATS。

3 故障現(xiàn)象及過程

2019年*月*日15:03分，**公司接到上級(jí)監(jiān)控中心的電話通知，告知當(dāng)?shù)睾诵臋C(jī)房15:01分停電。因該機(jī)房有兩路市電，監(jiān)控通知停電意味著BZT動(dòng)作不成功或者備供線路同時(shí)停電。該機(jī)房后備油機(jī)不具備自動(dòng)啟動(dòng)、自動(dòng)切換的功能，按照應(yīng)急預(yù)案維護(hù)人員緊急趕赴機(jī)房準(zhǔn)備手動(dòng)發(fā)電。15:19分維護(hù)人員趕到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)10 kV備供正常，立即手動(dòng)切換至備供線路，核心機(jī)房恢復(fù)供電，停電歷時(shí)19 min。

圖1 電源系統(tǒng)配置示意圖

經(jīng)核對(duì)，這次故障導(dǎo)致通信業(yè)務(wù)受到嚴(yán)重影響。在15:01分停電后，緊接著于15:02分，當(dāng)?shù)厥种匾腎DC業(yè)務(wù)中斷。IDC業(yè)務(wù)都經(jīng)由UPS供電，UPS電池放電不到1 min。初步判定UPS系統(tǒng)故障，導(dǎo)致市電停電后通信業(yè)務(wù)直接中斷。

4 故障的原因分析

本次故障有兩個(gè)值得深思的問題。一是市電停電本來(lái)是正?，F(xiàn)象，為提高供電可靠性，一般都配置BZT裝置。對(duì)于雙路供電的核心機(jī)房配電室，一般情況下當(dāng)主供線路停電后，BZT動(dòng)作，自動(dòng)投切，備用線路為核心機(jī)房供電，且切換時(shí)間較短。二是IDC機(jī)房配置了足夠容量的UPS系統(tǒng)，且按照規(guī)范要求，UPS配套的電池后備時(shí)長(zhǎng)必須在30 min以上[1]。而本次故障中UPS放電時(shí)長(zhǎng)卻不到1 s，顯然UPS供電系統(tǒng)工作不正常。

經(jīng)核查故障期間的UPS歷史告警記錄發(fā)現(xiàn)，2019年*月*日，UPS系統(tǒng)先后發(fā)出：（1）次要告警，15:00:18旁路電壓異常；（2）次要告警，15:00:19電池逆變供電；（3）次要告警，15:00:23主路電壓異常；（4）緊急告警，15:01:14電池放電終止；（5）次要告警，15:01:16輸出禁止；（6）提示，15:01:16均不供電等6個(gè)告警，UPS維護(hù)界面顯示“次要告警：SOH電池容量異常”。據(jù)此判斷，該UPS電池狀態(tài)異常，在本次停電中僅放電55 s后終止。

經(jīng)測(cè)量電池單體電壓，每組40節(jié)電池的單體電壓基本落在兩個(gè)區(qū)域：21節(jié)落在區(qū)間一12.87～12.91 V；19節(jié)落在區(qū)間二14.18～14.22 V，且4組電池結(jié)果基本一致。測(cè)量結(jié)果見表1。

電池的單體電壓分布區(qū)間見圖2。根據(jù)圖2中測(cè)得的電池單體電壓，顯見整組40節(jié)電池性能呈“臺(tái)階式”分成兩段，初步判斷電池中性線接錯(cuò)。因?yàn)檎顟B(tài)下因制造工藝的限制，每節(jié)電池之間必然存在性能的細(xì)小差異[2]，單體電壓也在一個(gè)偏差范圍內(nèi)波動(dòng)，但是絕對(duì)不可能有約1.3 V的臺(tái)階差。

按照UPS主機(jī)廠家的系統(tǒng)設(shè)備安裝指導(dǎo)書所示（見圖3），電池中性線按照規(guī)范應(yīng)該有兩根電纜，分別從第20節(jié)的負(fù)樁頭、第21節(jié)的正樁頭引接至BCB的N端口。但是，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)經(jīng)常為節(jié)省線纜材料僅用一根電纜，而是將第20、21節(jié)電池同向串聯(lián)，然后將電池中性線直連在第20節(jié)負(fù)樁頭或者第21節(jié)的正樁頭（該兩個(gè)樁頭為等電位點(diǎn)）。本次故障現(xiàn)場(chǎng)，因施工人員疏忽大意，將中性線錯(cuò)誤地連接在第20節(jié)電池的正樁頭，導(dǎo)致“中性線沒有接在中性點(diǎn)”。

按照該電池產(chǎn)品手冊(cè)中規(guī)定的充放電參數(shù)[3]：25 ℃條件下浮充電壓13.50～13.80 V，均充電壓14.10～14.40 V，UPS按照電池參數(shù)設(shè)置的單邊20節(jié)電池充電電壓13.5 V×20=270 V。當(dāng)如圖3所示電池連接錯(cuò)誤時(shí)，單邊的19節(jié)的電池每一節(jié)承受的電壓為270 V/19=14.2 V，大于浮充電壓的上限13.80 V，處于均充電壓14.10～14.40 V區(qū)間，即本組的19節(jié)電池從UPS開機(jī)至今一直處于過壓充電狀態(tài)，電池已經(jīng)嚴(yán)重?fù)p毀。而單邊為21節(jié)的電池的浮充電壓為270 V/21=12.9 V，小于浮充電壓13.5 V，即21節(jié)電池一直處于欠壓充電狀態(tài)。綜上原因，該UPS系統(tǒng)安裝開通后至今一年多，電池性能已經(jīng)嚴(yán)重劣化。

表1 每組40節(jié)電池的單體電壓

本次市電停電后，因?yàn)閁PS電池部分性能劣化，導(dǎo)致整組無(wú)法承載后備供電的功能，放電時(shí)間不到1 min。后續(xù)的市電倒閘、油機(jī)啟動(dòng)等操作，因自身固有的延時(shí)（BZT充電時(shí)間15 s、保護(hù)延時(shí)、合閘時(shí)間等）[4]都已經(jīng)無(wú)法保證系統(tǒng)不掉電。

圖2 電池的單體電壓分布區(qū)間

本次故障中的10 kV分段開關(guān)BZT動(dòng)作不成功，是一種常見的電磁現(xiàn)象，原因是冷備用的變壓器在空載合閘時(shí)很容易受剩磁的影響發(fā)生“勵(lì)磁涌流”現(xiàn)象，而變壓器的保護(hù)裝置會(huì)把遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常電流的“勵(lì)磁涌流”當(dāng)作過負(fù)荷電流甚至是短路電流予以切除。一般的操作是手動(dòng)重復(fù)操作，總會(huì)有一次躲過勵(lì)磁涌流后即可投入成功。

5 討 論

重要的通信樞紐機(jī)房、數(shù)據(jù)中心、IDC機(jī)房等，最大程度提高供電系統(tǒng)的可靠性是根本的目標(biāo)。為此，在建設(shè)初期要配置獨(dú)立的兩路市電引入，另配雙臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組作為市電故障的最后保障電源。在機(jī)房?jī)?nèi)部的開關(guān)電源系統(tǒng)和UPS系統(tǒng)，一般也都是配置獨(dú)立的2套以上，相互備份，提高系統(tǒng)的整體可靠性。

在供電系統(tǒng)的控制部分，為了提高可靠性，一般在高壓側(cè)都配置了備用電源自動(dòng)投入裝置（BZT）。當(dāng)主供市電線路停電的時(shí)候，能在第一時(shí)間自動(dòng)將備供線路投入運(yùn)行，保障機(jī)房供電。BZT從主供線路停電開始到投切成功，裝置內(nèi)部必要的工作延時(shí)即T1一般為0.1～2 s。同時(shí)，因柴油發(fā)電機(jī)組屬于機(jī)械系統(tǒng)，響應(yīng)過程相對(duì)要緩慢得多，從冷機(jī)啟動(dòng)到能帶全載一般要3～8 min。另外，油機(jī)市電之間的自動(dòng)切換系統(tǒng)（ATS）負(fù)責(zé)先斷開市電開關(guān)、后合閘油機(jī)開關(guān)的兩個(gè)方向操作，所以也需要一定的延時(shí)。合并計(jì)算后，從油機(jī)接收、啟動(dòng)指令到經(jīng)過ATS切換后油機(jī)向機(jī)房負(fù)荷供電，整個(gè)時(shí)長(zhǎng)為T2一般為3～8 min。

圖3 電池組接線示意圖

作為核心機(jī)房的供電系統(tǒng)，各部分之間的協(xié)調(diào)動(dòng)作十分重要，如圖4所示。市電的BZT、油機(jī)及ATS、UPS（或者是開關(guān)電源）各系統(tǒng)之間需要按照規(guī)定的時(shí)序嚴(yán)密配合，才能在不同的工況下總能保證終端的通信設(shè)備不掉電，通信業(yè)務(wù)不中斷。

如圖4所示，市電停電后，因?yàn)锽ZT的啟動(dòng)到動(dòng)作完成，中間有T1的時(shí)間段內(nèi)需要UPS電池放電、逆變后為所有的通信設(shè)備供電，且在線式UPS的工況切換是真正“零時(shí)延”，所以對(duì)于終端的通信設(shè)備感受不到前端的市電變化。若BZT動(dòng)作成功，備供線路向機(jī)房供電，則UPS轉(zhuǎn)為對(duì)電池充電狀態(tài)，即圖4中的“第一種情況”。

圖4 機(jī)房供電系統(tǒng)之間的時(shí)序配合示意圖

如同本文中的案例，因?yàn)殡S機(jī)遇到又無(wú)法杜絕的勵(lì)磁涌流很容易將BZT的效果歸零，即BZT動(dòng)作卻不成功。此時(shí)，BZT已經(jīng)按照規(guī)定程序?qū)⒅鞴┚€路開關(guān)斷開，而備供開關(guān)又沒有合閘成功，主、備兩路市電都已經(jīng)斷開，而BZT一般都不允許自動(dòng)復(fù)位操作，所以此時(shí)即使主供線路恢復(fù)供電，但是因主供線路開關(guān)已經(jīng)斷開，若非維護(hù)人員現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，市電無(wú)法向通信設(shè)備供電。因此，僅僅配置BZT對(duì)于系統(tǒng)的可靠性來(lái)說(shuō)根本不能滿足要求。

BZT啟動(dòng)但是動(dòng)作不成功，兩路市電均不能供電，此時(shí)ATS立即向油機(jī)發(fā)出啟動(dòng)指令，油機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)、暖機(jī)、空載運(yùn)行，經(jīng)過約T2的時(shí)長(zhǎng)才具備帶載能力。在此期間，全部通信設(shè)備的供電仍然全靠UPS的電池放電、逆變來(lái)負(fù)責(zé)。BZT動(dòng)作不成功，ATS啟動(dòng)油機(jī)經(jīng)T2后向機(jī)房供電，此時(shí)UPS才轉(zhuǎn)為對(duì)電池充電狀態(tài)，即圖4中的“第二種情況”。

6 結(jié) 論

可見，在機(jī)房供電的各種切換過程中，為保證實(shí)現(xiàn)最終目的即通信設(shè)備不掉電，UPS電池最終都是起到了最堅(jiān)實(shí)可靠的保障作用。本案例中因電池連線錯(cuò)誤導(dǎo)致電池性能嚴(yán)重劣化，不能為BZT、油機(jī)及ATS等的切換過程提供后備支持，導(dǎo)致發(fā)生嚴(yán)重的通信故障。因此，核心機(jī)房的UPS電池配置的基本原則，理論依據(jù)是后備電池的后備時(shí)長(zhǎng)Tcell＞T1+T2。鑒于T2'T1，所以一般以T2為基準(zhǔn)加一定的安全裕量后，即可確定UPS后備電池的后備時(shí)長(zhǎng)。