淺談大中功率UPS的輸入配電改造(圖)
2005/7/5 11:53:16
艾默生網(wǎng)絡能源有限公司 供稿
摘 要：結合一起大中功率UPS雙機并聯(lián)冗余系統(tǒng)出現(xiàn)故障導致斷電事故的案例分析和隱患整改工作，主要介紹了大中功率UPS的輸入配電改造的必要性、可行性以及改造中應注意的細節(jié)問題。
關鍵詞：UPS；主路輸入和旁路輸入；隔離要求
一、一起典型案例的發(fā)生過程和技術分析
某日某電力機房發(fā)出“嗵”的一聲響，值班人員立即進行查看，發(fā)現(xiàn)該機房功率為130KVA的UPS電源并機冗余供電系統(tǒng)發(fā)生故障，供電系統(tǒng)框圖如下所示。兩臺UPS顯示屏無顯示、輸出指示燈熄滅，設備沒有運行聲音，所有負載設備已經(jīng)斷電停機。進一步檢查后發(fā)現(xiàn)UPS 2＃機Kb（315A）輸入空開、接UPS系統(tǒng)交流屏的Kc（400A）配電空開、交流屏上一級的低壓配電室Kd（400A）空開及UPS 2＃機蓄電池組CB2直流保護空開全部跳閘。
技術人員通過采取應急措施恢復供電后，打開機器的防護外殼，對電路逐一檢查,發(fā)現(xiàn)其整流器的正負半橋均有一只可控硅擊穿，逆變器的正負半橋均有一只IGBT擊穿，逆變器的熔斷器保險損壞，整流輸出直流母排有嚴重短路打火痕跡。更換損壞部件后，加電試機，設備恢復正常，故障處理結束。
此次故障從設備損壞的表象來看，整流輸出直流母排間隔非常小，所帶的都是直流高壓電，因此，機內(nèi)積塵引發(fā)此處短路、打火，造成主要功率部件燒壞、系統(tǒng)宕機。但是從UPS技術理論上講，UPS不應該因自身局部故障導致系統(tǒng)供電停止，尤其是并機冗余系統(tǒng)，是目前最科學、最安全、最可靠的供電方案。那么，是什么原因?qū)е孪到y(tǒng)輸出斷電呢？
不難看出，UPS 2＃機Kb（315A）輸入空開、接UPS系統(tǒng)的交流屏的Kc（400A）配電空開、接交流屏的配電室的Kd（400A）空開共三級相繼跳閘，尤其是接交流屏的配電室400A開關跳閘是導致并機冗余系統(tǒng)輸出斷電的直接原因。下面，根據(jù)UPS 1＃機當時的事件記錄作進一步分析。
a．18：08：22：290 NOTICE：OUTPUT AC UNDER VOLTAGE （出現(xiàn)輸出交流欠壓問題）其原因是因為所并聯(lián)的UPS 因逆變器短路造成并聯(lián)點輸出電壓下降。
b．18：08：22：356 NOTICE：INPUT AC UNDER VOLTAGE（出現(xiàn)輸入交流欠壓問題）其原因是因為圖1-1 400A開關跳閘引起UPS1、2輸入交流電壓丟失。
c．18：08：22：356 RECTIFIER OFF（整流器關機）原因是整流器因輸入無電而關機
d．18：08：22：374 NOTICE：BYPASS AC UNDER VOLTAGE（旁路電壓低）原因是UPS1、2發(fā)現(xiàn)旁路電壓丟失即輸入無市電。
根據(jù)UPS的工作原理，可以知道當?shù)谝粭l告警情況發(fā)生時，因為短路產(chǎn)生嚴重超載，UPS1＃機后備蓄電池組和逆變電路不可以投入工作，系統(tǒng)將無條件向市電旁路切換，但由于圖1-1 400A開關已跳開，旁路掉電，系統(tǒng)無法轉(zhuǎn)到旁路，導致斷電。
二、改造方案簡介
UPS輸入一般分為主路輸入和旁路輸入（旁路輸入具體由分自動旁路和手動旁路），在早期UPS工程中，由于未能充分理解UPS的工作原理與市電輸入方式的關系，沒有對UPS主輸入和自動旁路輸入作隔離要求，因而兩個輸入都是由同一個交流配電屏空開引入，機器內(nèi)部作連接處理，如圖1-1 的供電方式。此接法存在嚴重的“單點故障”隱患，當設備內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴重過載，導致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動旁路將同時失效，造成負載斷電事故。
技術人員已經(jīng)及時就此進行了配電整改工作，將UPS內(nèi)部整流輸入與自動旁路輸入的跳線拆掉，使UPS由單輸入變?yōu)殡p輸入，即使UPS的送電線路由一路改為二路，分別通過兩只空開向UPS整流和自動旁路送電，見圖1-2 所示。從而避免整流輸入開關故障跳閘后UPS不能轉(zhuǎn)旁路的問題。
為了規(guī)范UPS的配電系統(tǒng)，使其更為合理，同時解決UPS內(nèi)部短路故障后旁路同時失效問題，從而提高系統(tǒng)的安全性，我們認為應對在網(wǎng)運行的所有大中功率UPS實施輸入配電改造，包括單機、雙機并機、雙機串機。
三、具體改造方案介紹
1、單機UPS系統(tǒng)改造方案
UPS單機系統(tǒng)如圖3-1所示，標準配置的UPS只有一路電纜輸入，其主路輸入和旁路輸入是并接在一起的：
改造后的接線如圖3-2所示，系統(tǒng)改造需多加一路3相輸入電纜，作為主路輸入，多加一個輸入開關，作為主路輸入開關，原三相四線輸入電纜留作為旁路輸入�？梢钥闯觯脑旌蟮慕泳�方式切斷了主、旁路輸入的直接聯(lián)系，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
2、并機UPS系統(tǒng)改造方案
UPS并機系統(tǒng)如圖3-4所示：兩臺UPS輸入均取自市電電網(wǎng)，因此兩臺UPS均需要進行改造，每臺UPS的改造方式與UPS單機系統(tǒng)相同。
系統(tǒng)改造需系統(tǒng)改造需多加兩路3相輸入電纜，作為兩臺UPS主路輸入，多加兩個輸入開關，作為兩臺UPS的主路輸入開關，原兩路三相四線輸入電纜留作為旁路輸入。圖3-3 并聯(lián)UPS接線原理圖
3、串聯(lián)熱備份UPS系統(tǒng)改造方案
串聯(lián)熱備份UPS系統(tǒng)接線如圖3-4所示：主機與從機的主路輸入均取自市電電網(wǎng)，但主機旁路輸入取自從機的輸出。因此主機不需要改造，從機的改造方式與UPS單機系統(tǒng)相同。
系統(tǒng)改造需多加一路3相輸入電纜，作為從機主路輸入，多加一個輸入開關，作為兩臺UPS的主路輸入開關，原三相四線輸入電纜及輸入開關仍作為旁路輸入�？紤]到UPS串機系統(tǒng)將來要改造成并機系統(tǒng)，需再多加一組三相輸入電纜及輸入開關，以做備用。
四、配電改造的實施情況和效果
我公司在各級領導的支持和廠家的密切配合下，所有大中功率UPS配電均按預定方案實施了配電改造。工程涉及UPS系統(tǒng)24個，共計41臺UPS，其中25臺需進行主、旁路分離改造，另14臺為串聯(lián)熱備份系統(tǒng)的主機，本工程提供備用輸入回路，作為串機系統(tǒng)改為并機系統(tǒng)后使用。改造所涉及的UPS品牌型號如下：
EXIDE 9305 20K單機系統(tǒng)
EXIDE 9305 20K 1+1串機系統(tǒng)
EXIDE 9305 20K 1+1并機系統(tǒng)
LIEBERT UL33-0300L 1+1并機系統(tǒng)
LIEBERT UL33-0600L 1+1并機系統(tǒng)
雷諾士80KVA單機系統(tǒng)
景龍 20KVA 1+1并機系統(tǒng)
先控20K 1+1并機系統(tǒng)
改造的成功實施，將大大增強網(wǎng)絡能源設備的穩(wěn)定和安全性，對網(wǎng)絡配電安全有著深遠的意義。
此項工作屬于對在網(wǎng)運行設備實施帶電改造，安全責任重大，實施難度大，分工界面復雜，而且據(jù)了解在業(yè)界尚屬首次，沒有經(jīng)驗可借鑒，艾默生公司承接了此項改造任務后，經(jīng)過周密勘察、精心設計，出臺了科學的實施方案，改造中付出了辛苦勞動，所有改造都是一次成功！
作者：河北移動通信有限責任公司網(wǎng)絡部 高健
關鍵詞：UPS；主路輸入和旁路輸入；隔離要求
一、一起典型案例的發(fā)生過程和技術分析
某日某電力機房發(fā)出“嗵”的一聲響，值班人員立即進行查看，發(fā)現(xiàn)該機房功率為130KVA的UPS電源并機冗余供電系統(tǒng)發(fā)生故障，供電系統(tǒng)框圖如下所示。兩臺UPS顯示屏無顯示、輸出指示燈熄滅，設備沒有運行聲音，所有負載設備已經(jīng)斷電停機。進一步檢查后發(fā)現(xiàn)UPS 2＃機Kb（315A）輸入空開、接UPS系統(tǒng)交流屏的Kc（400A）配電空開、交流屏上一級的低壓配電室Kd（400A）空開及UPS 2＃機蓄電池組CB2直流保護空開全部跳閘。
技術人員通過采取應急措施恢復供電后，打開機器的防護外殼，對電路逐一檢查,發(fā)現(xiàn)其整流器的正負半橋均有一只可控硅擊穿，逆變器的正負半橋均有一只IGBT擊穿，逆變器的熔斷器保險損壞，整流輸出直流母排有嚴重短路打火痕跡。更換損壞部件后，加電試機，設備恢復正常，故障處理結束。
此次故障從設備損壞的表象來看，整流輸出直流母排間隔非常小，所帶的都是直流高壓電，因此，機內(nèi)積塵引發(fā)此處短路、打火，造成主要功率部件燒壞、系統(tǒng)宕機。但是從UPS技術理論上講，UPS不應該因自身局部故障導致系統(tǒng)供電停止，尤其是并機冗余系統(tǒng)，是目前最科學、最安全、最可靠的供電方案。那么，是什么原因?qū)е孪到y(tǒng)輸出斷電呢？
不難看出，UPS 2＃機Kb（315A）輸入空開、接UPS系統(tǒng)的交流屏的Kc（400A）配電空開、接交流屏的配電室的Kd（400A）空開共三級相繼跳閘，尤其是接交流屏的配電室400A開關跳閘是導致并機冗余系統(tǒng)輸出斷電的直接原因。下面，根據(jù)UPS 1＃機當時的事件記錄作進一步分析。
a．18：08：22：290 NOTICE：OUTPUT AC UNDER VOLTAGE （出現(xiàn)輸出交流欠壓問題）其原因是因為所并聯(lián)的UPS 因逆變器短路造成并聯(lián)點輸出電壓下降。
b．18：08：22：356 NOTICE：INPUT AC UNDER VOLTAGE（出現(xiàn)輸入交流欠壓問題）其原因是因為圖1-1 400A開關跳閘引起UPS1、2輸入交流電壓丟失。
c．18：08：22：356 RECTIFIER OFF（整流器關機）原因是整流器因輸入無電而關機
d．18：08：22：374 NOTICE：BYPASS AC UNDER VOLTAGE（旁路電壓低）原因是UPS1、2發(fā)現(xiàn)旁路電壓丟失即輸入無市電。
根據(jù)UPS的工作原理，可以知道當?shù)谝粭l告警情況發(fā)生時，因為短路產(chǎn)生嚴重超載，UPS1＃機后備蓄電池組和逆變電路不可以投入工作，系統(tǒng)將無條件向市電旁路切換，但由于圖1-1 400A開關已跳開，旁路掉電，系統(tǒng)無法轉(zhuǎn)到旁路，導致斷電。
二、改造方案簡介
UPS輸入一般分為主路輸入和旁路輸入（旁路輸入具體由分自動旁路和手動旁路），在早期UPS工程中，由于未能充分理解UPS的工作原理與市電輸入方式的關系，沒有對UPS主輸入和自動旁路輸入作隔離要求，因而兩個輸入都是由同一個交流配電屏空開引入，機器內(nèi)部作連接處理，如圖1-1 的供電方式。此接法存在嚴重的“單點故障”隱患，當設備內(nèi)部短路，產(chǎn)生嚴重過載，導致主輸入空開跳閘，共用同一空開的自動旁路將同時失效，造成負載斷電事故。
技術人員已經(jīng)及時就此進行了配電整改工作，將UPS內(nèi)部整流輸入與自動旁路輸入的跳線拆掉，使UPS由單輸入變?yōu)殡p輸入，即使UPS的送電線路由一路改為二路，分別通過兩只空開向UPS整流和自動旁路送電，見圖1-2 所示。從而避免整流輸入開關故障跳閘后UPS不能轉(zhuǎn)旁路的問題。
為了規(guī)范UPS的配電系統(tǒng)，使其更為合理，同時解決UPS內(nèi)部短路故障后旁路同時失效問題，從而提高系統(tǒng)的安全性，我們認為應對在網(wǎng)運行的所有大中功率UPS實施輸入配電改造，包括單機、雙機并機、雙機串機。
三、具體改造方案介紹
1、單機UPS系統(tǒng)改造方案
UPS單機系統(tǒng)如圖3-1所示，標準配置的UPS只有一路電纜輸入，其主路輸入和旁路輸入是并接在一起的：
改造后的接線如圖3-2所示，系統(tǒng)改造需多加一路3相輸入電纜，作為主路輸入，多加一個輸入開關，作為主路輸入開關，原三相四線輸入電纜留作為旁路輸入�？梢钥闯觯脑旌蟮慕泳�方式切斷了主、旁路輸入的直接聯(lián)系，從而大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
2、并機UPS系統(tǒng)改造方案
UPS并機系統(tǒng)如圖3-4所示：兩臺UPS輸入均取自市電電網(wǎng)，因此兩臺UPS均需要進行改造，每臺UPS的改造方式與UPS單機系統(tǒng)相同。
系統(tǒng)改造需系統(tǒng)改造需多加兩路3相輸入電纜，作為兩臺UPS主路輸入，多加兩個輸入開關，作為兩臺UPS的主路輸入開關，原兩路三相四線輸入電纜留作為旁路輸入。圖3-3 并聯(lián)UPS接線原理圖
3、串聯(lián)熱備份UPS系統(tǒng)改造方案
串聯(lián)熱備份UPS系統(tǒng)接線如圖3-4所示：主機與從機的主路輸入均取自市電電網(wǎng)，但主機旁路輸入取自從機的輸出。因此主機不需要改造，從機的改造方式與UPS單機系統(tǒng)相同。
系統(tǒng)改造需多加一路3相輸入電纜，作為從機主路輸入，多加一個輸入開關，作為兩臺UPS的主路輸入開關，原三相四線輸入電纜及輸入開關仍作為旁路輸入�？紤]到UPS串機系統(tǒng)將來要改造成并機系統(tǒng)，需再多加一組三相輸入電纜及輸入開關，以做備用。
四、配電改造的實施情況和效果
我公司在各級領導的支持和廠家的密切配合下，所有大中功率UPS配電均按預定方案實施了配電改造。工程涉及UPS系統(tǒng)24個，共計41臺UPS，其中25臺需進行主、旁路分離改造，另14臺為串聯(lián)熱備份系統(tǒng)的主機，本工程提供備用輸入回路，作為串機系統(tǒng)改為并機系統(tǒng)后使用。改造所涉及的UPS品牌型號如下：
EXIDE 9305 20K單機系統(tǒng)
EXIDE 9305 20K 1+1串機系統(tǒng)
EXIDE 9305 20K 1+1并機系統(tǒng)
LIEBERT UL33-0300L 1+1并機系統(tǒng)
LIEBERT UL33-0600L 1+1并機系統(tǒng)
雷諾士80KVA單機系統(tǒng)
景龍 20KVA 1+1并機系統(tǒng)
先控20K 1+1并機系統(tǒng)
改造的成功實施，將大大增強網(wǎng)絡能源設備的穩(wěn)定和安全性，對網(wǎng)絡配電安全有著深遠的意義。
此項工作屬于對在網(wǎng)運行設備實施帶電改造，安全責任重大，實施難度大，分工界面復雜，而且據(jù)了解在業(yè)界尚屬首次，沒有經(jīng)驗可借鑒，艾默生公司承接了此項改造任務后，經(jīng)過周密勘察、精心設計，出臺了科學的實施方案，改造中付出了辛苦勞動，所有改造都是一次成功！
作者：河北移動通信有限責任公司網(wǎng)絡部 高健
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