单元220V交流不间断电源系统运行故障分析

[摘 要]：单元220V交流不间断电源系统（简称UPS），相当于发电机组的供血中心；UPS工作的可靠性直接关系着发电机组的安全、稳定运行。针对抚顺发电厂2号机UPS所发生三起典型的断电故障和异常运行情况，根据UPS装置的工作原理，对其故障现象和原因进行分析，并提出了解决办法和实施措施；可供同类用户参考、借鉴。

1.交流不间断电源系统概述
抚顺发电厂2号机为2002年6月投产的200MW采暖、凝汽两用式汽轮发电机组。其单元220V不间断电源系统选用由美国GUTOR公司生产，青岛整流器厂经销的PEW1000型UPS系统；该系统只供重要的调节、控制、保护仪表监测和重要信号电源，不做一般负荷电源。
1.1  设备规范及特性
整流器额定输入电压：380V±10%（三相电源）
旁路隔离变额定输入电压:  380V±10%（二相电源）
逆变器额定输入直流电压：220V
额定容量：40KVA
额定输出电流：182A
稳态电压特性：1%
动态电压特性：波峰小于8%，稳定时间小于40毫秒。
输出频率：与交流输入同步。
波形失真：小于5%。
1.2  运行方式
UPS正常运行时需三路输入电源，其一为主市电；其二为备用市电；其三为蓄电池。当主市电中断时，由电池经逆变后向负载供电，电池放电终了或UPS故障时，UPS系统由备用市电供电。
1.2.1  UPS系统正常运行方式：
    UPS正常运行时，由主回路向UPS系统供电，以380V厂用母线为电源，经自藕变压器后输入整流器（6脉冲晶闸管整流桥）将交流电压转换为直流电压，再经滤波电抗器滤除直流电压的谐波，输入脉宽调制逆变器（TSM半导体开关组件和IGBT功率器件）转换为交流电压，由滤波电抗器滤除来自逆变器输出中的谐波电压，以使逆变变压器输出端电压获得低非线性失真的正弦波，再经可选择的静态开关至Q050开关，将220V、50Hz交流电送到UPS配电屏。
1.2.2  UPS系统蓄电池供电运行方式：
    当系统停电或整流器输入电压超出允许范围时，UPS由蓄电池供电，直流电经直流隔离二极管（因我厂UPS系统未设置单独的电池组）和电池扼流圈（以减少单相逆变器在电池中产生的脉动），输入脉宽调制逆变器完成向负载供电。
1.2.3  UPS系统自动旁路运行方式：
当主回路失电或逆变器故障时，可以由备用市电向UPS系统供电，备用市电经隔离变压器（初/次级变比为380/230）将系统输出与电网完全隔离后，送到稳压调压器后将输出电压自动、电动或手动调整（调压范围：176~264V，超压：1~5%，超压精度：220V±10%，），经静态旁路开关（由自然换相的三组反向并联晶闸管组成）向负载供电。
1.2.4  UPS系统手动旁路运行方式：
    当UPS系统整机需要脱离电网运行时，即可利用先合后分手动旁路开关（Q050）完成UPS整机退出电网，关断备用市电至静态旁路供电开关，拆除F021、F028保险以便于UPS检修，同时旁路系统仍为负载供电。

2.故障发生及分析
2.1  发现问题
2号机投产以来共发生UPS电源中断事故三起，一次引起保护动作跳闸停机，两次造成机组被迫打闸停运；其故障性质恶劣，严重影响机组安全、稳定运行。下面将对事故过程进行叙述、分析。
事件1： 2002年7月29日14点37分，启动2号给水泵时，UPS电源中断，造成DCS系统及工业监视器电源消失；机组失去所有远方监视及控制手段，远方打闸不良，运行人员立即就地打闸停机。到UPS室就地检查时发现不停电段电压消失，立即手切Q050开关至BYPASS位置（手动旁路），由备用市电经手动旁路向负载供电。UPS系统恢复供电后，机组再次启动；同时查UPS事故追忆，有以下报警：
a.逆变器输出熔断或逆变器输入开关断开；
b.系统一个或多个风扇故障；
c.逆变器输出电压超限或逆变器单元温度高。
原因分析：由于2号给水泵电源取至6KVⅡA段，而2号低工变（带380V厂用ⅡB段运行）也取至6KVⅡA 段，并且UPS主回路市电和保安段工作电源均取至380V厂用ⅡB段；所以在对6KV母线电压监视不足时，启动给水泵，因瞬间启动电流，而引起UPS系统输入端两路电源电压均大幅度降低，而转为蓄电池供电同时逆变器输出熔断器F021熔断，造成UPS供电中断。
事件2： 2002年8月18日1点5分，380V厂用ⅡB段工作电源812B开关跳闸，备自投装置未动作造成380V厂用ⅡB段失电；保安段工作电源052开关跳闸，备自投动作正确，保安段工作正常；而UPS系统母线电压降至177V造成DCS系统计算机死机，此时处在备用状态的EH油泵误启动，造成EH油泵出口油管路漏泄，EH油箱油位低，EH油泵跳闸，EH油压低保护动作机组跳闸。
原因分析：因为稳压调压器调压电机电源接于主回路，所以UPS系统处于“自动控制”方式工作，当稳压调压器输入电源突然中断时，控制系统即发出指令，使调压器输出自动降到下限值；并发出报警，等待电源再度恢复时，控制系统再度将调压器输出自动调节到整定值。而转为蓄电池供电同时逆变器输出熔断器F021再次熔断，由于电压波动较大致使静态开关自动关断，造成UPS供电中断。
事件3： 2003年5月23日6点18分，启动2号给水泵时，UPS电源再次中断，造成监视与控制系统断电，运行人员失去监控手段，远方打闸不良，则就地打闸停机。
此次事件前，5月19日5点10分，UPS母线电压下降至207V，经检查发现逆变器输出熔断器断、逆变器输出与旁路不同步、系统风扇故障报警，UPS自动由主回路切至静态旁路供电，同时发现旁路电压调整装置失灵，稳压调压器手动、自动均不可调。
原因分析： 由于主回路供电的故障和F021保险多次不正常的熔断， 而保安段（即备用市电电源）由380V厂用ⅡB段供电，因为2号低工变（是380V厂用ⅡB段的工作电源）和2号给水泵都是6KVⅡA段负荷，所以启动2号给水泵造成6KV母线电压下降，导致保安段电压下降，而稳压调压器调压电机电源取至主回路，使稳压调压器自动调压失灵造成静态旁路的可控硅静态开关在电压波动超过±10%自动关断，从而使UPS失电。
2.2  总结问题
经过上述事件及对系统工件原理分析，抚顺发电厂2号机UPS系统运行问题总结如下：
第一，UPS供电中断或故障，均发现F021保险熔断，并有UPS系统同步故障报警。F021为逆变器输出熔断器，只有当逆变器出现严重故障时保护负载，几次就地测量旁路电压和旁路与输出间电压及频率均未超限；因而怀疑UPS主控板是否有故障或程序缺陷。
第二，一旦逆变器出现故障（即F021熔断），系统将转换至静态旁路运行，而静态旁路供电稳定性差的因素在此过程逐渐被暴露出来；因为稳压调压器不能保证备用市电电压在±10%以内波动，所以电压超限后，静态开关自动关断。
第三，由稳压调压器稳压精度与投产前试验数据（如下表）比较结果证明稳压调压器工作失稳，导致电压波动不稳定使静态开关自动关断；所以稳压调压器需严格检修、检查。
2001年4月24日：稳压调压器自动稳压性能测试：

第四，为防止稳压调压器在“自动”方式下由于故障而失控，使调压器输出电压远离整定值，特设有过压、欠压保护电路。当输出电压超出整定值±10%时，保护环节立即切断调压电机电源，此时只可以手动调压。
第五，当电池放电终了或UPS故障时，UPS向负载供电电源只有备用市电。若备电电压超出标准，UPS拒绝切换，势必造成供电中断。因此备用市电的质量对UPS系统来讲是至关重要的。
第六，在闭合电池开关之前必须先将UPS主机的充电器开启，待其输出电压升至额定值后，才能操作电池开关使其闭合。因为在UPS的直流回路中，有一组容量比较大的电解电容器，过高的电压差，将使电容器的充电电流过大，一则可能使电容器损坏，二则可能使开关触点烧坏，甚至伤及人体。
第七， Q050开关是先合后断式，具有两个位置，当开关处于位置“AUTO”（正常运行）时，负载由UPS系统供电（逆变器或静态旁路）；当开关处于位置“BYPASS”，负载直接由备用市电供电， UPS主机可以退出运行，但此时若备用市电中断，UPS系统即将断电。
第八，UPS系统故障必定会造成DCS系统失电，当DCS系统故障时，不仅INFI90计算机控制系统失灵，而且大部分保护及联锁也将失效；由汽轮机远方打闸不良、EH油泵误启动可见，设法提高UPS系统可靠性至关重要。
3.解决办法与建议实施
3.1  为改善UPS系统缺陷，提高其运行可靠性，特此建议采取以下解决办法。
a.缺陷未排除前，采取相关技术措施，设法提高母线电压，以克服UPS系统不安全运行隐患。
b.立即联系青岛整流器厂，令其来人诊断故障并提供质量合格的UPS主控板，以便及时更换。
c.联系厂家对稳压调压器所出现的手动、自动均失调现象查找原因，并进行处理；以提高设备健康水平。
d.将UPS系统主回路电源由380V厂用ⅡB段改接在380V公用ⅡA段上运行，以提高输入市电质量。
e.设法尽快恢复UPS系统主回路供电，在空载状态下完成各项试验；并进一步考验静态旁路持续供电能力。
3.2  配合厂家处理缺陷
今年5月26日厂家派专业维护人员来做售后服务，再更换F021保险后，UPS主回路空载运行，以考验UPS主控板（因怀疑此主控板有故障）；主回路于14点55分投入后，17点45分逆变器关断。次日，连续三次启动逆变器，均在5分钟内关断；厂家确认UPS主控板故障，将UPS主控板更换备用板，并进行修复（备用板系为存在缺陷未能出厂元件），并将主回路在空载状态下运行观察。
在与厂家联系更换UPS主控板后切主回路运行，发现2号充电机直流输出电流升至78A左右（原来主回路运行时10A左右）；Ⅱ组蓄电池充放电电流表指示为0，直流母线电压为230V；经检查蓄电池及直流隔离二极管均运行正常，随后停止2号充电机运行，Ⅱ组蓄电池放电电流为12A，又因为此时，3号充电机空载运行时输出电压摆动大，所以再次启动2号充电机维持UPS系统运行（附图2为2号机直流系统运行方式简图）。

经过全面查找原因发现厂家更换的UPS主控板集成块中的程序设置没有按现场实际刷新，即主回路输入的交流电压略低于额定电压，因此整流器输出电压低于220V，而直流母线电压又高于220V，所以逆变器输入电源自动转换到直流系统供电。由于UPS装置中稳压管的特性，机组运行中无法修改程序，必须停机处理。鉴于上述情况，为保证机组的安全运行，特规定以下临时运行措施：
a.保持发电机出口电压在15.65KV以上运行，以保证6KV厂用母线电压为额定；加强对2号机UPS系统的检查，保证检查时间间隔不超过1小时并做好详细记录。
b.UPS系统由直流系统供电同时，注意直流母线负荷变化情况；非事故状态下禁止启动直流负荷，以免造成充电机过载或母线电压波动而引起UPS系统断电事故。
c.保安段主电源改为由保安变供电，380V厂用ⅡB段进线开关联动备用，以提高UPS系统备用市电质量；同时注意1号机保安段及10.5KV母线运行情况，防止造成电压波动或变压器过载。
d.运行中严禁拉开UPS直流备用电源，逆变器运行中，严禁将Q050开关由AUTO（自动运行位置）切至BYAPASS（手动旁路位置）；以免人为造成逆变器出口F021保险熔断。
e.如果发现UPS已自动切至静态旁路运行，应短时间内将Q050开关切手动旁路运行；但操作Q050开关前必须检查UPS主机处于“Bypasss operation”(自动旁路运行状态)下才可以操作Q050开关；并保持保安段电压稳定、可靠。
f.稳压调压器在“自动调压”或“电动调压”方式运行时，如出现报警灯亮或主回路断电，则应立即启动“手动”按钮，然后拨出调压器上的手轮并正反转动，使感应调压器实施升、降压调节，使门板上电压表读数为额定值。
g.若静态旁路运行时，禁止Q050在未切手动旁路供电前启动6KVⅡA段大容量电动机；以防造成静态开关在电压波动超过±10%时，自动关断造成UPS断电。
3.3  将主回路电源改接
2号机UPS系统主回路和备用市电分别取至380V厂用ⅡB段和保安段，而保安段的工作电源也取至380V厂用ⅡB段；这样一来，造成UPS系统的两套电源正常工作时，均由2号低工变供电。也就是说当380V厂用ⅡB段故障或2号低工变跳闸时，对UPS系统都产生一定影响，对备自投装置动作的可靠性与快速性有着较高的要求；一旦备自投装置拒动后果严重。另外，当380V厂用ⅡB段供电质量较差时，严重影响UPS系统供电稳定性。分析上述情况后，特此将UPS系统主回路电源由380V厂用ⅡB段改接至380V公用ⅡA段，以提高输入市电的质量。于今年6月30日，将2号机UPS系统主回路电源改接为380V公用ⅡA段供电，在改接成功后，UPS系统处于主回路连续运行近1000小时，未出现不良情况。
4.结束语
当前，UPS系统在各个领域中应用都非常广泛，特别是单元制发电机组大多均采用进口UPS设备为其重要负荷提供高质量市电；整套装置的可靠性、技术水平以及自动化程度多数较为理想。针对抚顺发厂2号机UPS系统所发生几次故障及异常，通过分析、处理及改进UPS系统客观环境，保证了UPS系统供电的可靠性及稳定性，对发电机组的安全、稳定运行具有十分重要的意义。