一起雙機(jī)并聯(lián)UPS同時(shí)失電故障分析

謝向楠

（河南省中原大化集團(tuán)有限責(zé)任公司，河南濮陽(yáng) 457000）

0 引言

隨著化工裝置自動(dòng)化水平的不斷提高，DCS控制系統(tǒng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，涉及化工生產(chǎn)的各個(gè)操作環(huán)節(jié)，DCS控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行成為化工安全生產(chǎn)的重要保障，因此為DCS供電的UPS電源的重要性愈加凸顯。近年來(lái)，我國(guó)把自動(dòng)化控制系統(tǒng)未設(shè)置不間斷電源定義為化工行業(yè)重大隱患，化工裝置也更加重視UPS電源的配置，多采用雙機(jī)或多機(jī)并聯(lián)的冗余式結(jié)構(gòu)，以期確保供電安全可靠。本文針對(duì)一套雙機(jī)并聯(lián)UPS電源系統(tǒng)，在外部環(huán)境、設(shè)計(jì)缺陷、設(shè)備缺陷等多個(gè)因素影響下，導(dǎo)致DCS系統(tǒng)失電的故障，通過(guò)找出問(wèn)題根本原因，提出了預(yù)防故障再次發(fā)生的方法，以保障裝置后續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 低壓變電所及UPS運(yùn)行方式

1.1 低壓變電所運(yùn)行方式

該化工裝置主要負(fù)荷為一、二級(jí)重要負(fù)荷，變電所進(jìn)線采用雙重電源進(jìn)線，每條進(jìn)線都能帶本裝置全部負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行。詳細(xì)情況如圖1所示，變電所電壓等級(jí)為0.4 kV，1#進(jìn)線帶PMCC1 段，2#進(jìn) 線 帶PMCC2段，母聯(lián)分段，母聯(lián)備自投投入。事故段采用雙電源自動(dòng)投切裝置，其中，正常電源來(lái)自本所市電PMCC2-6-F抽屜，應(yīng)急電源來(lái)自事故發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)有功負(fù)載300 kW。事故段正常時(shí)由市電供電。

圖1 變電所系統(tǒng)單線示意圖

1.2 UPS連接方式

UPS采用冗余式雙機(jī)并聯(lián)的連接方式，如圖2所示。UPS主機(jī)兩臺(tái)，型號(hào)與容量相同，均是30 kVA，單臺(tái)主機(jī)能獨(dú)立承擔(dān)負(fù)載所需容量；1#主機(jī)主路市電來(lái)自本所低壓一段PMCC1-7-A抽屜，2#主機(jī)主路市電來(lái)自本所低壓二段PMCC2-8-D抽屜；兩臺(tái)主機(jī)共用旁路電源引自本所穩(wěn)壓電源柜，穩(wěn)壓電源柜電源引自本所事故段事故電源1-F抽屜；兩臺(tái)主機(jī)輸出經(jīng)并聯(lián)接入U(xiǎn)PS輸出柜母排，經(jīng)饋線開(kāi)關(guān)分配給負(fù)載用戶(hù)（主控DCS機(jī)柜）；兩臺(tái)主機(jī)分別由一組電池組提供后備時(shí)間，其中1#電池組接入1#UPS，2#電池組接入2#UPS。

圖2 UPS雙機(jī)并聯(lián)一次接線示意圖

1.3 UPS運(yùn)行方式

正常工作時(shí)，兩臺(tái)UPS分別由各自的主路市電供電，經(jīng)整流逆變后經(jīng)輸出柜共同承擔(dān)負(fù)載用電，兩臺(tái)UPS通過(guò)跟蹤監(jiān)測(cè)共用旁路電源的電壓及頻率實(shí)現(xiàn)同步輸出，此時(shí)電池處于浮充狀態(tài)。

當(dāng)其中一臺(tái)UPS主路失電時(shí)，主路失電UPS由電池放電保持直流母排電壓，經(jīng)逆變后與另一臺(tái)UPS共同承擔(dān)負(fù)載用電。如果在電池后備時(shí)間耗盡前主路市電恢復(fù)，則自動(dòng)恢復(fù)至正常工作方式，并給電池充電。如果電池后備時(shí)間耗盡，主路市電仍未恢復(fù)，則UPS因母線電壓低關(guān)機(jī)，全部負(fù)荷由另一臺(tái)UPS承擔(dān)。

當(dāng)兩臺(tái)UPS主路同時(shí)失電時(shí)，兩臺(tái)主機(jī)均由電池放電保持直流母排電壓，經(jīng)逆變共同承擔(dān)負(fù)荷。在電池后備時(shí)間耗盡前，其切換方式與單機(jī)主路失電相同，可以實(shí)現(xiàn)電池與主路市電供電方式的切換。如果電池后備時(shí)間耗盡，則自動(dòng)切換至旁路供電，不再經(jīng)過(guò)主機(jī)整流和逆變，此時(shí)如需切換至主路供電或電池供電方式需手動(dòng)操作。

即正常工作的UPS，當(dāng)出現(xiàn)外網(wǎng)市電異常時(shí)，優(yōu)先切換電池供電模式，當(dāng)且僅當(dāng)所有市電電源和電池電源均不滿足電壓需要時(shí)，UPS才會(huì)切換至旁路模式[1]。

2 事故描述

2.1 事故經(jīng)過(guò)

某年6月14日凌晨00：03，主控DCS突然失電。接主控通知后，電氣值班員初步判斷發(fā)生晃電事故，立即檢查供電系統(tǒng)并通知當(dāng)班領(lǐng)導(dǎo)。

凌晨00：10，電氣值班員檢查確認(rèn)供電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為：0.4 kV低壓兩條進(jìn)線分段運(yùn)行，母聯(lián)分段，母聯(lián)備自投投入，低壓供電系統(tǒng)在正常運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)主控傳來(lái)消息DCS供電仍然沒(méi)有恢復(fù)。繼續(xù)檢查UPS電源，發(fā)現(xiàn)兩臺(tái)UPS液晶屏顯示“旁路逆變均不供電”，兩臺(tái)UPS主機(jī)均處于停機(jī)狀態(tài)。通過(guò)萬(wàn)用表測(cè)量UPS主路供電正常，電氣值班員立即通過(guò)鍵盤(pán)開(kāi)機(jī)，按壓UPS面板上“逆變啟動(dòng)”鍵，UPS恢復(fù)“主路逆變供電”，此時(shí)DCS恢復(fù)供電。經(jīng)進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)UPS主機(jī)旁路開(kāi)關(guān)上側(cè)無(wú)電壓，旁路穩(wěn)壓電源柜無(wú)饋線輸出，手動(dòng)啟動(dòng)后UPS故障報(bào)警消除。值班員繼續(xù)恢復(fù)其他受晃電影響設(shè)備。

2.2 事故中的異?，F(xiàn)象

兩臺(tái)UPS在0.4 kV供電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下同時(shí)報(bào)主路電源不供電；主路電源丟失后，蓄電池沒(méi)有正常投入；旁路電源同主路電源同時(shí)丟失，UPS沒(méi)有切換至旁路供電。

3 事故原因分析

3.1 通過(guò)事故中的異?，F(xiàn)象分析事故原因

（1）并聯(lián)的兩臺(tái)UPS為何在0.4 kV供電系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下同時(shí)報(bào)主路電源不供電？

經(jīng)事后調(diào)查了解到當(dāng)天外電網(wǎng)存在兩項(xiàng)非正常運(yùn)行狀態(tài)：一是當(dāng)天因外電網(wǎng)檢修需要，本所的兩條進(jìn)線由外電網(wǎng)一臺(tái)主變壓器供電，這就造成本所當(dāng)天不再滿足雙重電源供電條件，一旦外網(wǎng)主變壓器饋線電壓波動(dòng)，就會(huì)造成本所兩條進(jìn)線電壓同時(shí)波動(dòng)；二是當(dāng)天突發(fā)惡劣天氣，查后臺(tái)保護(hù)故障記錄，共有晃電記錄12次，壓降幅度在30%～80%。

根據(jù)以上記錄，判斷當(dāng)天動(dòng)作過(guò)程為：該變電所兩條進(jìn)線同時(shí)發(fā)生晃電，兩條進(jìn)線的低電壓繼電器同時(shí)向母聯(lián)備自投發(fā)出低電壓信號(hào)，當(dāng)母聯(lián)備自投同時(shí)接到兩個(gè)進(jìn)線的低電壓信號(hào)時(shí)，母聯(lián)備自投處于閉鎖狀態(tài)，不會(huì)完成投切?；坞娺^(guò)程結(jié)束后，變電所兩段母線隨外網(wǎng)電壓恢復(fù)供電，繼續(xù)保持正常工作方式。在這一過(guò)程中，因主路電壓下降，兩臺(tái)UPS同時(shí)切換至電池逆變供電[2]。

（2）蓄電池為何沒(méi)有正常投入？

經(jīng)查，UPS所使用的電池為每組30節(jié)，共兩組，采用的是某廠家6-GFM-65AH-12V型免維護(hù)鉛酸蓄電池。該電池于兩年前在一次UPS維修過(guò)程中更換，在當(dāng)年冬季大修的蓄電池考核中，考核結(jié)果合格。

在事故發(fā)生后對(duì)蓄電池的檢查中，在連接UPS的浮充狀態(tài)下，兩端電壓400 V，單節(jié)蓄電池電壓均在13 V，符合設(shè)計(jì)要求。斷開(kāi)UPS連接，測(cè)兩端電壓400 V，單節(jié)蓄電池電壓均在13 V，同樣符合設(shè)計(jì)要求。但是當(dāng)接通試驗(yàn)負(fù)載后，整組蓄電池發(fā)電電流為0 A，即蓄電池存在內(nèi)部開(kāi)路，整組蓄電池沒(méi)有帶負(fù)載能力，無(wú)法保持UPS直流母線電壓，不能實(shí)現(xiàn)UPS電池供電功能。

UPS動(dòng)作過(guò)程為：當(dāng)兩臺(tái)UPS由主路逆變供電模式切換到電池逆變供電模式后，因電池?zé)o法保持直流母線電壓，UPS逆變器停機(jī)，按照動(dòng)作邏輯切換旁路供電模式。

（3）UPS為何沒(méi)有切換至旁路供電？

一是檢查旁路穩(wěn)壓柜上側(cè)線路，發(fā)現(xiàn)事故段雙電源切換裝置處在正常工作狀態(tài)，指示燈指示正常，上側(cè)線路未發(fā)現(xiàn)動(dòng)作現(xiàn)象。經(jīng)試驗(yàn)，雙電源切換裝置能夠正常完成切換。因此，判斷晃電時(shí)事故段電壓隨市電電壓波動(dòng)。二是檢查旁路穩(wěn)壓柜（圖3），發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓柜啟動(dòng)接觸器（KM）線圈控制電源來(lái)自市電，正常啟動(dòng)后靠自保持接點(diǎn)保持主路接點(diǎn)閉合?；坞姇r(shí)因電壓下降，造成接觸器釋放，自保持接點(diǎn)斷開(kāi)，且穩(wěn)壓柜未設(shè)置自啟動(dòng)回路，事件過(guò)程中最終是由電氣值班員手動(dòng)啟動(dòng)旁路穩(wěn)壓柜。

圖3 旁路穩(wěn)壓柜接線原理圖

動(dòng)作過(guò)程為：在UPS檢測(cè)到主路失電的同時(shí)，穩(wěn)壓電源柜內(nèi)因市電電壓低，KM接觸器釋放，此時(shí)兩臺(tái)UPS已經(jīng)檢測(cè)不到旁路電源電壓，因此UPS無(wú)法切換到旁路供電，最終兩臺(tái)主機(jī)報(bào)“旁路逆變均不供電”信息。雖然此后隨著晃電過(guò)程的結(jié)束，主路市電恢復(fù)，但是由于逆變器啟動(dòng)需人為手動(dòng)操作，兩臺(tái)UPS電源就保持停機(jī)狀態(tài)，并造成DCS較長(zhǎng)時(shí)間的停電。

3.2 事故直接原因

在外電網(wǎng)檢修期間，惡劣天氣造成本所兩條進(jìn)線同時(shí)發(fā)生多次晃電。UPS因主路與旁路電壓波動(dòng)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換至電池逆變供電模式。本應(yīng)為UPS提供后備時(shí)間的電池組，因質(zhì)量問(wèn)題不具備帶負(fù)載能力，造成UPS關(guān)機(jī)，主控DCS機(jī)柜失電[3]。

3.3 事故間接原因

3.3.1 未能提前發(fā)現(xiàn)蓄電池已開(kāi)路

事故發(fā)生的上一年度，受裝置運(yùn)行周期影響，蓄電池未停機(jī)考核，沒(méi)能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電池組的故障。

3.3.2 旁路穩(wěn)壓柜存在設(shè)計(jì)缺陷

穩(wěn)壓電源作為最后的備用電源，其回路應(yīng)當(dāng)時(shí)刻保持閉合。主回路上元器件應(yīng)盡量精簡(jiǎn)，不需要復(fù)雜控制，只需配置必要的過(guò)流保護(hù)功能。在本次事故中，旁路穩(wěn)壓電源柜中接觸器的設(shè)計(jì)造成了UPS旁路電源丟失，屬于設(shè)計(jì)缺陷[4]。

4 改進(jìn)建議及事故隱患整改前后對(duì)比

4.1 改進(jìn)建議

一是拆除旁路穩(wěn)壓柜中接觸器及其啟動(dòng)回路，并將旁路穩(wěn)壓柜進(jìn)線斷路器下側(cè)電纜直接連接至原接觸器下側(cè)回路，由進(jìn)線斷路器直接控制穩(wěn)壓柜的啟停。二是鑒于該蓄電池組的重要性，采購(gòu)時(shí)選擇國(guó)內(nèi)一線品牌，并要求生產(chǎn)廠家具備該系列蓄電池的泰爾認(rèn)證；同時(shí)，增加蓄電池在線巡檢儀。三是要求對(duì)于雙機(jī)并聯(lián)UPS，即使在裝置正常生產(chǎn)期間，也要交替將蓄電池退出進(jìn)行檢測(cè)。

4.2 事故隱患整改前后對(duì)比

隱患整改后，UPS可靠性得到提升。其中在某年冬季檢修期間，因保護(hù)調(diào)試造成本所兩條進(jìn)線同時(shí)失電約5 min，UPS仍能夠正常供電，DCS系統(tǒng)未受停電影響。

5 結(jié)論及建議

通過(guò)本次事件，得到以下三點(diǎn)教訓(xùn)：一是不可因應(yīng)急設(shè)備日常處于備用狀態(tài)而忽略其維護(hù)，要針對(duì)這類(lèi)設(shè)備，建立合理的定期試驗(yàn)和檢測(cè)周期，保證其全部功能正常，使其能夠在裝置異常狀態(tài)下避免發(fā)生重大安全事故；二是電氣設(shè)備的全壽命周期需要被重視，各行各業(yè)應(yīng)充分考慮自身電氣設(shè)備使用狀況，估算符合實(shí)際的電氣設(shè)備周期壽命，定期完成設(shè)備更新；三是在新建、改建、擴(kuò)建項(xiàng)目初期，要重視圖紙審核環(huán)節(jié)，避免旁路穩(wěn)壓柜這種設(shè)計(jì)缺陷給后期生產(chǎn)造成損失。

最后，建議電氣設(shè)備更多采用在線監(jiān)控設(shè)備代替人工巡檢，應(yīng)用信息化思維，減少人為因素影響，以提高電氣設(shè)備的穩(wěn)定性。