化工企業(yè)UPS電源故障處置對(duì)策研究及應(yīng)用

摘要：首先介紹了UPS電源的作用及維護(hù)要點(diǎn)，其次分析了導(dǎo)致UPS電源運(yùn)行不穩(wěn)定的原因，然后闡述了某高含硫天然氣凈化廠UPS電源運(yùn)行狀況，在此基礎(chǔ)上提出了增加脫機(jī)維修旁路和蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)兩種改造方法。應(yīng)用結(jié)果表明，該改造方法能快速解決UPS電源故障問(wèn)題，顯著提高UPS電源的可靠性和運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：UPS；控制靈活性；故障處置；在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TE68" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2025）03-0078-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.03.020

0" " 引言

某高含硫天然氣凈化廠（以下簡(jiǎn)稱“凈化廠”）是一家主要從事天然氣凈化（含硫磺加工）的化工企業(yè)，凈化之后的天然氣通過(guò)龐大的西氣東輸管道網(wǎng)絡(luò)，輸送到國(guó)內(nèi)能源需求旺盛的中東部地區(qū)。天然氣凈化是一個(gè)不間斷的生產(chǎn)過(guò)程，其關(guān)鍵負(fù)載在日常運(yùn)行中對(duì)電力連續(xù)性的要求極高[1]，斷電可能引發(fā)數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)崩潰甚至硬件損壞等問(wèn)題，從而對(duì)生產(chǎn)工作帶來(lái)嚴(yán)重影響[2]。所以，亟需對(duì)增強(qiáng)UPS電源的運(yùn)行控制靈活性，提高運(yùn)維效率，實(shí)現(xiàn)故障的便捷診斷與快速恢復(fù)等方面展開(kāi)研究。

本文以該凈化廠為例，分析UPS電源運(yùn)行不穩(wěn)定原因，然后進(jìn)一步對(duì)UPS電源故障處置方法和如何提高UPS電源運(yùn)維效率進(jìn)行探討。

1" " UPS電源基本概況

1.1" " UPS電源的作用

不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）內(nèi)部配置足夠容量的固定型蓄電池組，當(dāng)市電輸入正常時(shí)，它能穩(wěn)定電壓并同時(shí)為內(nèi)部電池充電[3]；當(dāng)市電出現(xiàn)中斷或異常（電壓浪涌、瞬態(tài)尖峰、諧波干擾、頻率漂移等）時(shí)，UPS電源會(huì)立即通過(guò)逆變器將內(nèi)部電池儲(chǔ)存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，主要為電力系統(tǒng)及儀表系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)預(yù)警裝置、關(guān)鍵設(shè)備和儀器等重要設(shè)備提供連續(xù)、無(wú)間斷且穩(wěn)定的電源，從而避免因電力問(wèn)題導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失、硬件損壞和業(yè)務(wù)中斷。所以，UPS系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和運(yùn)行效能直接影響到企業(yè)安全生產(chǎn)的平穩(wěn)進(jìn)行。

1.2" " UPS維護(hù)要點(diǎn)及溫度對(duì)蓄電池壽命的影響

UPS設(shè)備應(yīng)保持穩(wěn)定，避免劇烈震動(dòng)和沖擊，并遠(yuǎn)離導(dǎo)電性、爆炸性塵埃，明顯腐蝕性氣體以及熱源，且UPS室應(yīng)保持清潔，尤其是UPS設(shè)備的表面、散熱風(fēng)口、風(fēng)扇及風(fēng)道[4]。為減少因UPS設(shè)備失效而導(dǎo)致UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況發(fā)生，在UPS設(shè)備的日常使用維護(hù)中，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行定期檢查，如監(jiān)測(cè)UPS輸入/輸出參數(shù)和電性能指標(biāo)，觀察蓄電池外觀有無(wú)鼓脹漏液，注意其工作溫度和通風(fēng)散熱情況等。根據(jù)維護(hù)計(jì)劃，定期進(jìn)行蓄電池放電活化操作，一般每6個(gè)月至1年進(jìn)行一次放電操作，以便評(píng)估蓄電池狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并更換性能衰退的蓄電池單元。

1.3" " 導(dǎo)致UPS電源運(yùn)行不穩(wěn)定的原因分析

UPS電源主要組件包括整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和控制單元等，主要由電力電子器件構(gòu)成。與一般的電氣器件相比，可控硅、晶體管、大規(guī)模集成電路、IGBT等電力電子器件的壽命較短，因此造成UPS電源故障的概率相對(duì)較高，超過(guò)一般的電氣設(shè)備。

1）輸入電源質(zhì)量問(wèn)題及其影響。輸入電源質(zhì)量是影響UPS穩(wěn)定性的首要因素。現(xiàn)代電網(wǎng)中的電壓波動(dòng)、頻率漂移、諧波污染和瞬態(tài)脈沖等現(xiàn)象，對(duì)UPS的正常工作構(gòu)成嚴(yán)重挑戰(zhàn)。電壓波動(dòng)可能導(dǎo)致UPS頻繁切換至旁路或電池模式，不僅增加了電池的負(fù)擔(dān)，還可能引起電壓輸出不穩(wěn)定。諧波電流會(huì)增加UPS逆變器的損耗，降低效率，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱或保護(hù)裝置誤動(dòng)作。此外，雷電沖擊或電壓突變等瞬態(tài)事件，雖然發(fā)生概率較低，但一旦發(fā)生，若防護(hù)措施不足，將直接損害UPS內(nèi)部敏感元件。

2）溫度對(duì)UPS電解電容的影響。高溫是導(dǎo)致絕緣老化的直接原因，隨著絕緣材料溫度升高，其氧化速率也會(huì)加快，從而加速了絕緣老化過(guò)程。UPS的蓄電池在運(yùn)行溫度20～25 ℃條件下浮充壽命為10年，根據(jù)阿侖尼烏斯理論，蓄電池運(yùn)行溫度越高，壽命越短。當(dāng)運(yùn)行溫度超過(guò)25 ℃時(shí)，每增加10 ℃，密封閥控鉛酸蓄電池的實(shí)際使用壽命將縮短約一半。電解電容的故障可能會(huì)導(dǎo)致UPS系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時(shí)還存在諸如漏液、絕緣擊穿甚至爆炸等安全隱患。因此，在其使用壽命到期之前，必須對(duì)整個(gè)電解電容進(jìn)行更換。

3）浮充電壓過(guò)高對(duì)UPS蓄電池的影響。UPS新的蓄電池投用一般要經(jīng)過(guò)初充電、放電、再充電、浮充電和并入使用等環(huán)節(jié)，當(dāng)蓄電池經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，會(huì)產(chǎn)生一系列問(wèn)題，如蓄電池內(nèi)部浮充電壓過(guò)高，會(huì)使電池內(nèi)氣體排放的速度加快，導(dǎo)致電池干涸[5]；由于電池缺水，會(huì)導(dǎo)致電池容量極速下降。

2" " 凈化廠UPS電源運(yùn)行狀況

凈化廠自成立至今近10年，其UPS電源設(shè)計(jì)使用壽命為10年，現(xiàn)已投用9年，UPS電源接近其使用壽命。如今蓄電池老化情況逐步嚴(yán)重，近幾年更換已損壞和容量不足的蓄電池?cái)?shù)量逐步上升。

2.1" " 無(wú)法對(duì)UPS實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

凈化廠的UPS設(shè)備安裝在10 kV變電所和儀表機(jī)柜間，這些區(qū)域分布廣泛且無(wú)人值守。隨著設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，配件部分如電容器板件老化速度較快，蓄電池容量會(huì)減小，但運(yùn)維人員無(wú)法實(shí)時(shí)了解UPS運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)的變化，一旦發(fā)生故障，只有通過(guò)運(yùn)維工作人員每天一次的巡檢才能發(fā)現(xiàn)，然后再進(jìn)行處置。2023年共發(fā)生9次UPS故障，各次故障從發(fā)生至處理完畢的時(shí)長(zhǎng)如圖1所示，經(jīng)計(jì)算，平均恢復(fù)正常運(yùn)行的時(shí)長(zhǎng)高達(dá)10.1 h。故障情況常常因?yàn)闇笮詥?wèn)題不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此無(wú)法滿足快速處理故障的需求，致使為變電所五防、通信，儀表機(jī)柜間DCS等系統(tǒng)供電的可靠性不足，繼而因UPS供電不穩(wěn)定還增加了電力系統(tǒng)誤動(dòng)作以及儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖停機(jī)停泵的可能性。

2.2" " UPS不能時(shí)刻為負(fù)載提供電力保障

當(dāng)UPS需要更換靜態(tài)開(kāi)關(guān)、整體固件升級(jí)時(shí)，在執(zhí)行更換、升級(jí)操作和維修的過(guò)程中[6]，UPS將暫時(shí)無(wú)法履行其核心功能，即無(wú)法為依賴穩(wěn)定電力供應(yīng)的關(guān)鍵負(fù)載提供不間斷的電力保障。此外，因輸出濾波板介于輸出開(kāi)關(guān)QF5、儀表柜QF6開(kāi)關(guān)之間，當(dāng)輸出濾波板故障時(shí)，必須將UPS完全停機(jī)才能對(duì)其進(jìn)行更換。UPS原理如圖2所示。

3" " UPS電源改造方法

3.1" " 增加脫機(jī)維修旁路

在UPS的儀表柜QF6開(kāi)關(guān)后方增加一個(gè)QF7開(kāi)關(guān)，然后從旁路柜的備用開(kāi)關(guān)QF3處連接一根電纜至儀表柜QF7開(kāi)關(guān)處，如圖3所示。此時(shí)，當(dāng)UPS因更換輸出濾波板、更換靜態(tài)開(kāi)關(guān)等必須將UPS設(shè)備完全退出、停機(jī)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)UPS在線脫機(jī)檢修。通過(guò)增加脫機(jī)維修旁路的措施，可滿足為變電所五防、通信，儀表機(jī)柜間DCS系統(tǒng)等關(guān)鍵負(fù)載連續(xù)供電的要求。

3.2" " 增加蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的蓄電池端電壓測(cè)量方法是在蓄電池浮充狀態(tài)下使用電壓表來(lái)測(cè)量各個(gè)蓄電池的端電壓。對(duì)于開(kāi)口式鉛酸蓄電池，還需要測(cè)量其液體比重。然而，在浮充狀態(tài)下，端電壓實(shí)際上只是化學(xué)勢(shì)，無(wú)法準(zhǔn)確反映出容量已極度縮小的蓄電池的當(dāng)前狀況。因此，僅通過(guò)在浮充狀態(tài)下測(cè)量蓄電池端電壓來(lái)判斷其好壞并不可行。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由收斂模塊（監(jiān)控主機(jī)）、TA模塊（單電池檢測(cè)模塊）、TC模塊（電流檢測(cè)模塊）以及相應(yīng)安裝附件組成。收斂模塊配備LCD顯示，并通過(guò)RS485接口或網(wǎng)絡(luò)端口上傳數(shù)據(jù)。蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置端口號(hào)、IP等，并在機(jī)柜內(nèi)的網(wǎng)口進(jìn)行映射，同時(shí)利用后臺(tái)軟件完成配置和調(diào)試工作，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)檢測(cè)模塊收集蓄電池單體的電壓、電流等信息，收集到的信息通過(guò)收斂模塊的COM5或LAN上傳接口，采用MODBUS/TCP通信協(xié)議及RS-485（兩線制）通信模式的有線通信技術(shù)，與配電自動(dòng)化主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)接入電力調(diào)度中心的SCADA系統(tǒng)，使得計(jì)算機(jī)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)或串口與蓄電池監(jiān)測(cè)設(shè)備連接，獲取包括單體電池電壓、內(nèi)阻、溫度以及總電壓、充放電電流、環(huán)境溫度在內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖4所示。同時(shí)，它還能實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池單體故障進(jìn)行報(bào)警并定位的功能。

4" " UPS電源改造效果

上述措施的實(shí)施，顯著提高了凈化廠UPS供電可靠性，具體改造效果如下：

1）實(shí)現(xiàn)了全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)UPS電池狀態(tài)，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)，減少了意外停機(jī)時(shí)間和維修成本。

2）實(shí)現(xiàn)了故障報(bào)警，在電池?cái)?shù)據(jù)異常時(shí)能自動(dòng)觸發(fā)聲光報(bào)警，方便值班人員及時(shí)判斷并采取應(yīng)急措施。2024年，凈化廠UPS電源共發(fā)生4次故障，單次故障的平均處理時(shí)長(zhǎng)從10.1 h縮短至1.7 h，如圖5所示，極大地減少了故障次數(shù)和處理時(shí)長(zhǎng)。

3）在更換靜態(tài)開(kāi)關(guān)、輸出濾波板此類配件時(shí)，UPS不再需要停機(jī)處置，顯著提升了變電所五防、通信及儀表機(jī)柜間DCS等關(guān)鍵系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。

4）實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)管理的便利性，UPS電池正常和異常數(shù)據(jù)會(huì)被記錄在服務(wù)器中，方便運(yùn)維人員查看和調(diào)用歷史數(shù)據(jù)。

5" " 結(jié)束語(yǔ)

本文以某高含硫天然氣凈化廠為例，針對(duì)UPS可靠運(yùn)行的難點(diǎn)，采取了增設(shè)脫機(jī)維修旁路與增加蓄電池在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的雙重優(yōu)化策略。這兩個(gè)優(yōu)化策略設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、便于施工，且后期維護(hù)便利，可為類似場(chǎng)景的公司UPS電源設(shè)備故障處理提供參考。

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收稿日期：2024-11-05

作者簡(jiǎn)介：劉田波（2000—），男，重慶長(zhǎng)壽人，助理工程師，主要從事含硫天然氣凈化廠的電氣設(shè)備維護(hù)工作。