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浅谈大中功率UPS的输入配电改造 |
一、一起典型案例的发生过程和技术分析
某日某电力机房发出“嗵”的一声响，值班人员立即进行查看，发现该机房功率为130KVA的UPS电源并机冗余供电系统发生故障，供电系统框图如下所示。两台UPS显示屏无显示、输出指示灯熄灭，设备没有运行声音，所有负载设备已经断电停机。进一步检查后发现UPS 2＃机Kb（315A）输入空开、接UPS系统交流屏的Kc（400A）配电空开、交流屏上一级的低压配电室Kd（400A）空开及UPS 2＃机蓄电池组CB2直流保护空开全部跳闸。
技术人员通过采取应急措施恢复供电后，打开机器的防护外壳，对电路逐一检查，发现其整流器的正负半桥均有一只可控硅击穿，逆变器的正负半桥均有一只IGBT击穿，逆变器的熔断器保险损坏，整流输出直流母排有严重短路打火痕迹。更换损坏部件后，加电试机，设备恢复正常，故障处理结束。
此次故障从设备损坏的表象来看，整流输出直流母排间隔非常小，所带的都是直流高压电，因此，机内积尘引发此处短路、打火，造成主要功率部件烧坏、系统宕机。但是从UPS技术理论上讲，UPS不应该因自身局部故障导致系统供电停止，尤其是并机冗余系统，是目前最科学、最安全、最可靠的供电方案。那么，是什么原因导致系统输出断电呢？
不难看出，UPS 2＃机Kb（315A）输入空开、接UPS系统的交流屏的Kc（400A）配电空开、接交流屏的配电室的Kd（400A）空开共三级相继跳闸，尤其是接交流屏的配电室400A开关跳闸是导致并机冗余系统输出断电的直接原因。下面，根据UPS 1＃机当时的事件记录作进一步分析。
a．18：08：22：290 NOTICE：OUTPUT AC UNDER VOLTAGE （出现输出交流欠压问题）其原因是因为所并联的UPS 因逆变器短路造成并联点输出电压下降。
b．18：08：22：356 NOTICE：INPUT AC UNDER VOLTAGE（出现输入交流欠压问题）其原因是因为图1-1 400A开关跳闸引起UPS1、2输入交流电压丢失。
图1-1 当前接法 图1-2 改造后的接法
c．18：08：22：356 RECTIFIER OFF（整流器关机）原因是整流器因输入无电而关机。
d．18：08：22：374 NOTICE：BYPASS AC UNDER VOLTAGE（旁路电压低）原因是UPS1、2发现旁路电压丢失即输入无市电。
根据UPS的工作原理，可以知道当第一条告警情况发生时，因为短路产生严重超载，UPS1＃机后备蓄电池组和逆变电路不可以投入工作，系统将无条件向市电旁路切换，但由于图1-1 400A开关已跳开，旁路掉电，系统无法转到旁路，导致断电。
二、改造方案简介
UPS输入一般分为主路输入和旁路输入（旁路输入具体由分自动旁路和手动旁路），在早期UPS工程中，由于未能充分理解UPS的工作原理与市电输入方式的关系，没有对UPS主输入和自动旁路输入作隔离要求，因而两个输入都是由同一个交流配电屏空开引入，机器内部作连接处理，如图1-1 的供电方式。此接法存在严重的“单点故障”隐患，当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入空开跳闸，共用同一空开的自动旁路将同时失效，造成负载断电事故。
技术人员已经及时就此进行了配电整改工作，将UPS内部整流输入与自动旁路输入的跳线拆掉，使UPS由单输入变为双输入，即使UPS的送电线路由一路改为二路，分别通过两只空开向UPS整流和自动旁路送电，见图1-2 所示。从而避免整流输入开关故障跳闸后UPS不能转旁路的问题。
为了规范UPS的配电系统，使其更为合理，同时解决UPS内部短路故障后旁路同时失效问题，从而提高系统的安全性，我们认为应对在网运行的所有大中功率UPS实施输入配电改造，包括单机、双机并机、双机串机。
三、具体改造方案介绍
1、单机UPS系统改造方案
UPS单机系统如图3-1所示，标准配置的UPS只有一路电缆输入，其主路输入和旁路输入是并接在一起的：
图3-1 一路电源输入方式
改造后的接线如图3-2所示，系统改造需多加一路3相输入电缆，作为主路输入，多加一个输入开关，作为主路输入开关，原三相四线输入电缆留作为旁路输入。可以看出，改造后的接线方式切断了主、旁路输入的直接联系，从而大大提高了系统的可靠性。
图3-2 两路电源输入方式
2、并机UPS系统改造方案
UPS并机系统如图3-3所示：两台UPS输入均取自市电电网，因此两台UPS均需要进行改造，每台UPS的改造方式与UPS单机系统相同。
系统改造需系统改造需多加两路3相输入电缆，作为两台UPS主路输入，多加两个输入开关，作为两台UPS的主路输入开关，原两路三相四线输入电缆留作为旁路输入。
图3-3 并联UPS接线原理图
3、串联热备份UPS系统改造方案
串联热备份UPS系统接线如图3-4所示：主机与从机的主路输入均取自市电电网，但主机旁路输入取自从机的输出。因此主机不需要改造，从机的改造方式与UPS单机系统相同。
图3-4 串联热备份UPS接线原理图
系统改造需多加一路3相输入电缆，作为从机主路输入，多加一个输入开关，作为两台UPS的主路输入开关，原三相四线输入电缆及输入开关仍作为旁路输入。考虑到UPS串机系统将来要改造成并机系统，需再多加一组三相输入电缆及输入开关，以做备用。
四、 配电改造的实施情况和效果
在大家的共同努力下，所有大中功率UPS配电均按预定方案实施了配电改造。工程涉及UPS系统24个，共计41台UPS，其中25台需进行主、旁路分离改造，另14台为串联热备份系统的主机，本工程提供备用输入回路，作为串机系统改为并机系统后使用。改造所涉及的UPS品牌型号如下：
EXIDE 9305 20K单机系统
EXIDE 9305 20K 1+1串机系统
EXIDE 9305 20K 1+1并机系统
LIEBERT UL33-0300L 1+1并机系统
LIEBERT UL33-0600L 1+1并机系统
雷诺士 80KVA单机系统
景龙 20KVA 1+1并机系统
先控20K 1+1并机系统
改造的成功实施，将大大增强网络能源设备的稳定和安全性，对网络配电安全有着深远的意义。
此项工作属于对在网运行设备实施带电改造，安全责任重大，实施难度大，分工界面复杂，而且据了解在业界尚属首次，没有经验可借鉴，艾默生公司承接了此项改造任务后，经过周密勘察、精心设计，出台了科学的实施方案，改造中付出了辛苦劳动，所有改造都是一次成功！ ( |
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