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对两例UPS典型故障的处理分析

2017/2/10    来源:UPS应用    作者:佚名      
关键字:UPS    
从以上两例UPS的故障处理可以看出,UPS的现场运行环境复杂,不同品牌的UPS在性能上也有很大的差别。
    UPS设备已经在重要用户和场所越来越广泛地得到了应用,它的突出优点首先是在市电中断后提供了一定时间的延时,满足了用户保存和应急处理重要数据的时间;其次,经过一系列整流、逆变后,输出电能质量大大提高,确保了敏感设备的高可靠供电需求。随着UPS设备功能的不断增多,现场安装条件的不同,机房整体环境的千差万别,其运行情况也变得非常复杂,各种因素都可能导致UPS系统运行不正常,甚至出现断电故障。下面通过两例UPS运行中出现故障的处理,分析了其产生的原因和解决的办法。
 
    一 故障处理分析
 
    故障1:
 
    基本情况
 
    某网络机房的一台小型UPS,容量5KVA,蓄电池后备时间:满载8小时配置。UPS主机与蓄电池柜分开放在两个房间,电池组到主机的连线长约20米,8组100AH蓄电池并联,总容量为800AH.
 
    故障现象
 
    断开市电后,蓄电池放电不到3分钟时间,蓄电池容量就由满载降至20%余量,实际最终放电时间不到4小时。
 
    处理过程
 
    由于这台UPS已经运行了两年多时间,蓄电池属于国产普通品牌,起初怀疑蓄电池性能弱化,首先对UPS做了一次放电检测试验,以检验蓄电池的放电特性。
 
    现场测量数据及基本情况如表1所示。
 
    表1 现场测量的数据
 
    现场测量的数据
 
    放电不到3分钟时间,蓄电池容量就由满电降至20%余量,在放电过程中测量蓄电池连接线温度,有明显的发热现象。
 
    根据上述现象,我们在线测试了蓄电池端电压和内阻均正常,进而怀疑蓄电池连线可能存在很大的的线路耗损,蓄电池不一定有问题。由于蓄电池并联容量较大,充满电约需要一周时间,为了证实蓄电池性能的优劣,我们对蓄电池充电一周后,尝试将UPS主机移至蓄电池柜旁边,缩短主机与蓄电池连线至2米左右,重新连接好输入输出电源线。于当日11:30开始对蓄电池再次进行放电测试,15:30停止放电,放电历时4个小时。
 
    现将现场测量的数据如表2所示。
 
    表2 现场测量的数据
 
    现场测量的数据
 
    对比两次放电情况,效果截然不同:上次放电不到3分钟时间,蓄电池容量就迅速降至20%余量,本次放电4小时,蓄电池容量还有70%余量。
 
    处理结论
 
    通过对比分析可以确定:蓄电池性能良好,其连接线存在很大的线路损耗,造成了蓄电池放电时间的缩短。可以得出:
 
    1、机房主机、蓄电池、布线布局对设备有一定影响;
 
    2、连接引线的阻抗不容忽略,要选用质量好、载流量合适的;
 
    3、蓄电池的放电特性会受到各种因素的影响。
 
    由此引申
 
    UPS的电缆截面积选择不仅仅要考虑安全载流量,与线路损耗压降的关系也很密切,应加以综合考虑。
 
    1、UPS装置距负荷较远时(一般经验值是大于100米),按持续允许载流量所选电缆截面积,压降可能偏大,应按UPS对线路允许电压损失的苛刻要求来选择截面积,条件为小于2.5%Ue(额定电压)=5.5V来定。比如,据有关试验证实,200A的三相UPS,距离100米之内,选用120mm2的铜电缆的线路压降为3.2V,但距离200米时,选用120mm2的电缆的线路压降为6.4V,已经不能满足小于5.5V的要求,须改选150mm2的电缆。小容量UPS连接引线的损耗压降更是不可忽视,连接线距离要求更苛刻。
 
    2、三相UPS负载不平衡情况下,零线电流较大,零线面积的选择也应与相线的截面积相同。或者零线采用多芯小截面电缆并联,总截面积近似与相线截面积相当也可,这样也有利于减少集肤效应和交流阻抗。
 
    3、UPS输入输出零线绝不能断开,也不能经过开关或保险丝。若零线中断,负载若不平衡会造成输出电压严重不平衡,重载相电压极度降低,轻载相电压可能超过额定值。UPS前端电力变压器的零线中断造成的用电事故也屡见不鲜。
 
    故障2:
 
    基本情况
 
    某数据机房两台UPS并机,容量80KVA,蓄电池后备时间30分钟,运行方式为“1+1”并联冗余。
 
    故障现象
 
    1号机、2号机均能够单独正常开机,但进行系统并机时不能实现并机。
 
    处理过程
 
    测量系统UPS输出,1号UPS:UA1=222V,UBA=221V,UC1=221V;
 
    2号UPS:UA2=221V,UB2=223.5V,UC2=224V;
 
    用钳型电流表测量本套80KVA“1+1”UPS并机系统的输入和输出参数,可以得到UPS并机系统的并机工作特性如下:
 
    (a)两台UPS的输入功率和输出功率之间存在有明显的不平衡度;
 
    两台UPS的A相输出电流之间的“均流”不平衡度:±10.7%;
 
    两台UPS的B相输出电流之间的“均流”不平衡度:±13.5%;
 
    两台UPS的C相输出电流之间的“均流”不平衡度:±15.7%;
 
    (b)两台UPS之间的“环流”偏大(“环流”是指在两台UPS之间相互流动的电流);
 
    两台UPS的A相输出电流之间的“环流”:5.6A;
 
    两台UPS的B相输出电流之间的“环流”:9.8A;
 
    两台UPS的C相输出电流之间的“环流”:3.9A;
 
    处理方法
 
    对系统并机参数进行重新设置,使两台UPS输出电压差:△≤2V.局部调整其他并机参数使之与负荷相对匹配,使环流减小至3A以内,再次进行系统并机操作,并机成功,系统运行正常。
 
    故障分析
 
    1、单机相电压不平衡,偏差在5%内属于正常范围,计算机负载要求苛刻一些,三相电压偏差率可以在3%之内。虽然2号UPS的C相与A相有压差,但在允许偏差范围之内,不影响开机。
 
    2、两台主机输出之间压差最大值为224-221=3V,不能正常并机,当调整输出压差为2V时,并机成功,说明此品牌的两台主机并机的压差要求较为苛刻。
   
    3、两台UPS的输入、输出功率存在明显的不平衡度,之间环流偏大,UPS输入电流的谐波分量增大,也影响该系统的并机运行。
 
    4、正常情况下,两台或多台UPS并机要求条件是:
 
    (1)相位和幅值相同,保证UPS之间无破坏性环流;
 
    (2)电流不平衡度:并机后每台UPS输出电流为总负载电流的一半:“1+1”、“N+1”并机系统的电流不平衡度小于5%.
 
    (3)并机系统的过载及其恢复:若并机系统过载(在保护范围内),系统内所有机器统一跳旁路;当并机系统过载消失,系统内所有机器自动恢复逆变供电状态。
 
    (4)并机系统的故障关机及故障恢复:当并联的UPS系统中任何一台故障(主要为逆变器故障,包括过载、短路、蓄电池过放电等),该机自动关闭输出,自动退出并机系统,均不能将本身负载单独转到旁路,而是将负载均分到与其并联的其他UPS上,待最后一台UPS故障后,才集体转到旁路上。当故障排除后,则需按照操作步骤将该UPS并入并机系统。
 
    (5)空载环流:指并机系统中任意两台UPS对应输出相之间产生的无功电流分量。“1+1”并机系统和“N+1”并机系统的空载环流要求均小于3A.
 
    5、处理结论
 
    UPS并机系统以其扩容方便、节约投资、可靠性高而逐渐被广泛采用,并深受用户欢迎。所谓UPS并机系统是指需并联的多台UPS的输出直接并联短接在一起,同时分担负载电流,不需外加任何设备,提高整个供电系统的供电容量和可靠性。按照目前UPS业界的惯例,多台UPS实现并机的条件是输入电压相位和幅值相同(这一点电网基本能满足);UPS并机系统的“均流”不平衡度应小于±5%,“环流”小于3-4A的水平。但从上述检测数据表明:其并机性能明显地低于UPS业界的并机性能;由“环流”所造成的“额外功耗”约占UPS并机系统的总输出功率的11%左右。所有这一切,都说明不同品牌的UPS并机条件有差异,这套UPS并机系统的并机性能较差。
 
    6、并联UPS一般会有如下主要问题
 
    1)各台UPS输出的电压、相位、频率很难严格一致,即使有1度的相位误差也可能引起50%的功率差别,当空载时,某些UPS可能会运行在整流状态。
 
    2)由于各台UPS的输出电压、电流均为正弦量,而且有相位误差和频率误差,所以,很难实现负载分配和均流。
 
    3)并联运行时,若各台UPS的频率和相位相同,而幅度不同,则系统中各台UPS之间会存在无功的环流分量,严重时会使UPS保护,甚至使逆变器停止工作。
 
    7、解决办法
 
    1)鉴于以上存在的问题,在并联系统中,把每一台UPS输出的电压、电流、频率和相位信号进行采样综合,然后,再与其它UPS的相应信号进行综合,从而得出各自电压及频率的补偿信号,然后送至系统中的其它UPS,最终保证各台UPS输出电压的幅值、电流、相位和频率严格一致。当其中某台UPS因故障而退出时,并不影响整个并联系统的运行,因而可实现真正的“N+1”台并联运行。
 
    2)现在UPS并机系统不设主从关系,一般采用以数字信号处理器为核心,辅以必要的外围功能单元电路构成。它主要由DSP、波形控制接口电路、相位控制电路、逻辑切换控制电路、直流母线检测电路、输出电流及输出电压检测电路、市电检测电路和UPS并联控制系统的通讯接口电路组成。采用全数字处理器DSP技术,简化了电路,使UPS具有快速反应能力,增强负载不平衡条件下的相位控制能力。如图1所示。
 
    DSP数字信号处理器框图
 
    图1 DSP数字信号处理器框图
 
    数字信号处理器(DSP)通过对各种信号的检测并加以分析处理,送到逆变器控制电路和状态显示电路;同时,通过通信接口电路与并机系统中的其他UPS进行信息交换。波形控制接口电路的功能是将DSP发出的控制后级UPS的逆变输出信号进行电平匹配,使其符合一定的精度和幅值要求。相位控制电路的作用是将DSP发出的同步信号经过电平转换及阻抗匹配后送到后级UPS控制电路中作为UPS锁相的给定信号。逻辑切换控制电路的功能是将DSP发出的控制信号经过电平变换后去驱动静态开关动作,完成相应的逻辑关系控制。直流母线电压检测电路的作用是将UPS整流输出的直流母线电压变换后送到DSP的AD接口。输出电流及输出电压检测电路的作用是将UPS的输出电压及输出电流经过交流电压及交流电流互感器检测后,再经过电平转换,送到DSP的AD接口,作为DSP的控制程序对UPS的输出电压和输出电流进行实时控制的反馈量。市电检测电路的作用是将交流市电经变换后送到DSP中,作为控制UPS电源与市电同步的给定值。所有的检测量经AD接口送到DSP,DSP完成对各模拟参数的模拟/数字转换及数字优化滤波,滤除噪声*,分离出有用的信号,保证检测信号的真实性及有效性。UPS并联控制系统的通讯接口电路将本UPS的工作状态(输出电压幅值、输出电压频率、输出电压的相位、切换逻辑要求等)送到通讯总线上,并通过通讯总线接收并联控制系统向其它UPS发出的工作状态信号,作为并联系统进行均流控制、逻辑切换的重要依据。通过这一系列的控制处理,再利用DSP软件系统的调整管理,增强了UPS的并联冗余和精确控制能力。
 
    3)降低UPS输入电流谐波含量:对于中、大型UPS而言,可选用6脉冲整流+5次谐波滤波器型UPS、12脉冲整流器型UPS、6脉冲整流+有源滤波器型UPS和12脉冲整流+11次谐波滤波器型UPS(控制谐波效果最为理想)。对于中、小型UPS而言,可选用IGBT脉宽调制整流器型UPS,以满足“绿色”电源的要求。
 
    二 结束语
 
    从以上两例UPS的故障处理可以看出,UPS的现场运行环境复杂,不同品牌的UPS在性能上也有很大的差别。因此,不能单从经验上或理论上来判断一些现场故障。可喜的是,UPS的设计制造技术越来越成熟,相关技术越来越先进,调整判断也越来越趋于智能化,我们期待有更多更好的高性能UPS不断推出,为用户关键负载的可靠用电保驾护航。
 
责任编辑:李欢
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