UPS故障原因分析及處理

厲海斌

（浙能阿克蘇熱電有限公司，新疆 阿克蘇 843000）

UPS負責向電廠的測量、控制和保護等各類重要負荷提供連續(xù)可靠的不間斷交流電源，屬于電廠重要且精密的設備，為電廠的安全穩(wěn)定運行提供重要保障[1-3]。本文介紹了UPS的運行方式及切換過程，對UPS的常見故障及實現(xiàn)原因，以及UPS故障處理方法進行了探討總結(jié)。最后以浙能阿克蘇熱電1號機組UPS發(fā)生故障作為案例，分析其故障原因并提出故障排除的方案。

1 UPS的運行方式及切換過程

1.1 UPS的正常運行方式

正常運行時，負荷由主電源經(jīng)整流器、逆變器供電，直流電源和旁路電源處于備用狀態(tài)，UPS主路輸入開關NFB1（QF1）、UPS旁路輸入開關NFB2（QF6）、UPS靜態(tài)檢修旁路輸入開關NFB3（QF3）、UPS逆變器直流電源開關K5（QF2）和UPS輸出開關NFB4（QF5）合閘。檢修旁路開關NFB5（QF4）分閘。

1.2 UPS的自動切換過程

當整流器輸入交流電源失去時，逆變器將自動地、不間斷地切至直流電源供電方式。整流器輸入交流電源恢復時，自動恢復到正常運行方式。當逆變器直流電源側(cè)電源中斷、直流電壓低或逆變器故障等情況下UPS自動切換至靜態(tài)旁路電源供電方式，一旦條件返回到正常情況，則自動返回到逆變器供電方式。

1.3 UPS的手動切換過程

當UPS裝置需要檢修時，則由檢修旁路電源供電，將檢修旁路開關NFB5（QF4）合閘，將UPS輸出開關NFB4（QF5）分閘；UPS必須在靜態(tài)旁路供電時，才允許將UPS切至檢修旁路（即UPS從逆變器向檢修旁路切換時，必須在靜態(tài)旁路狀態(tài)下進行）。UPS在逆變輸出模式時，嚴禁合上檢修旁路開關NFB5（QF4）。

2 UPS的常見故障及原因分析

2.1 UPS系統(tǒng)電阻故障

電阻本身是一種發(fā)熱的元器件，在進行通流運行時很容易由于電阻發(fā)熱量過大或通風冷卻不良等原因造成熱量積聚發(fā)生故障，且電阻是電子設備中使用頻率較高的元件，因此在電子設備故障中，由電阻故障造成的概率比較大。主要原因與電阻本身的制造過程、材質(zhì)選用、組織結(jié)構、使用環(huán)境和散熱條件等有著密切的關系。電阻故障主要分為致命失效和參數(shù)漂移2種，其中電阻在使用過程中因發(fā)生機械碰撞、過熱擊穿，從而造成短路、斷路現(xiàn)象，就是致命失效[4]，而電阻在使用過程中因年限過長、環(huán)境劣化、溫度過高等原因造成電阻值嚴重偏移的現(xiàn)象稱為阻值漂移。

2.2 UPS系統(tǒng)電容故障

電容是UPS系統(tǒng)整流回路中主要的組成元件之一，電容常見故障主要表現(xiàn)為漏液、電容開路、通電擊穿、參數(shù)偏移及電容失效等。造成這些電容故障的主要原因有年限過長、機械損傷和介質(zhì)不純等，本次阿克蘇熱電有限公司在1號機UPS檢修過程中對整流回路電容器進行檢查時，發(fā)現(xiàn)其中2個電容器參數(shù)偏移嚴重并進行更換處理。

2.3 UPS系統(tǒng)控制板或驅(qū)動板故障

控制板或驅(qū)動板是控制UPS系統(tǒng)整流、逆變啟停的重要元件，都是由高度集成的電子元器件組成，屬精密器件，技術含量高，結(jié)構緊湊，體積小，使用環(huán)境要求較高。當其高度集成的任一元器件損壞或通信回路丟失，均可能造成UPS系統(tǒng)失去控制，致使UPS系統(tǒng)發(fā)生電源切換，如由主路電源供電切換到直流供電，或切換到靜態(tài)旁路供電，降低供電可靠性，嚴重時還可能造成UPS系統(tǒng)輸出中斷，影響機組及設備安全。

3 UPS系統(tǒng)故障常用處理方法

UPS系統(tǒng)故障常用的處理方法一般可分為直接觀察法、分級壓縮測試法及其他特殊檢測法。

3.1 直接觀察法

當UPS系統(tǒng)故障現(xiàn)象比較明顯時，可通過“看”“聽”“嗅”“摸”等方式，直接利用人體感受器官來進行觀察判斷，這種方法實用性強，操作簡單，而且較為行之有效。事實上，直接觀察法在各類設備的故障檢修中均發(fā)揮著較為重要的作用。運用直接觀察法進行UPS系統(tǒng)故障判定時，相對來說比較依賴于個人的經(jīng)驗積累，一般需要根據(jù)觀察者本人的實際經(jīng)驗，針對其認為UPS系統(tǒng)有較大可能發(fā)生故障的部位或故障發(fā)生頻率較高的部位進行重點檢查，通過個體感受來對發(fā)生的明顯故障進行簡單的初步判斷。利用直接觀察法進行UPS系統(tǒng)各類故障檢測時，也要從多側(cè)面、多維度進行檢查，從眼看表象、耳聽聲音、鼻嗅氣味和膚受觸摸等由表及里、從簡單到復雜逐步深入，進行檢測，確保故障判斷的全面正確。

“眼看表象”是診斷各類設備故障的基礎，UPS系統(tǒng)故障的診斷也不例外，按照一般的步驟，首先要觀察UPS系統(tǒng)有無出現(xiàn)明顯的燒焦和冒煙的現(xiàn)象，觀察燒焦和冒煙的部位是否有外物相連，判斷是否是由外物引起的線路短路所導致；然后檢查有無嚴重破損的元件或線路，包括電容器漏液、電阻器爆裂及導電體絕緣外套的破損等；再次還要檢查UPS系統(tǒng)內(nèi)部元件有無發(fā)生變形、元件聯(lián)接部位或固定部位螺絲有無松動等；最后還要檢查每一個控制板、驅(qū)動板和通信板等卡件的有無松動、接觸不良等。通過觀察UPS系統(tǒng)中外部表現(xiàn)出的現(xiàn)象，直接判定UPS系統(tǒng)中的故障點，從而對檢查發(fā)生的故障進行解決處理。

“耳聽聲音”亦是直接觀察法的有效手段之一，也是檢查UPS運行中有無故障的關健步驟。UPS系統(tǒng)在正常工況下產(chǎn)生的聲音符合一定的規(guī)律感，對于熟悉UPS系統(tǒng)運行，尤其是經(jīng)常接觸它的運維人員來說，可以將UPS的運行聲音與日常熟悉的正常運行聲音進行綜合對比判斷，從而判定UPS運行是否處在正常狀態(tài)。正常運行的UPS元件中接觸器、繼電器的吸合肯定都會有一定的聲音，其中變壓器、電抗器中的鐵芯、線圈等在正常工作時也會有一定的電磁聲產(chǎn)生，但當有元件出現(xiàn)故障時，就可能會對聲音的產(chǎn)生形成影響，發(fā)生畸變，通過對UPS不同工況下運行時聲音變化的比較來判斷發(fā)生聲音畸變的來源，可以初步確定UPS出現(xiàn)故障的部位。

“鼻嗅氣味”也是診斷UPS元件有無故障的方法之一，是利用了人體的嗅覺感官對異常氣味的敏感反應。當故障電流或短路的大電流通過導體或元器件時，會有高溫產(chǎn)生，高溫對導體表面的絕緣層或元器件肯定會產(chǎn)生一定的影響，嚴重時甚至可能引起燒焦或電弧灼傷，因絕緣過熱產(chǎn)生刺鼻的氣味或電弧產(chǎn)生后空氣中形成的氣體電離的異味，這些不正常氣味的出現(xiàn)表征UPS運行過程中肯定有故障出現(xiàn)，通過跟蹤產(chǎn)生這些異味的源頭，也可初步確定UPS可能出現(xiàn)故障的部位。

“膚受觸摸”就是通過皮膚，主要是用手來對一些元器件進行觸摸，如皮膚感受元件溫度的變化，如運用輕搖元件方式來判斷有無出現(xiàn)冷焊、虛焊現(xiàn)象，各控制板件、接線是否牢固等。當然，通過感受觸摸來對UPS設備判斷故障時，較多情況下是憑個人感知來進行故障判斷的，這就對于檢查人員的工作經(jīng)驗提出了更高的要求。

3.2 分級壓縮測試法

當UPS系統(tǒng)故障現(xiàn)象不明顯、故障范圍不明確時，可利用分級壓縮測試法對UPS系統(tǒng)故障范圍、故障原因和故障程度進行檢測，逐級壓縮，減小故障查找的范圍，便于更快地確定故障點。UPS故障的類型繁雜，表現(xiàn)出來的現(xiàn)象千差萬別，每個個體對故障查找及處理的方式、方法和手段會各有差別，運用分級壓縮測試時也會各不相同，如有些人喜歡采用中分測壓法、有些人習慣采用中分測阻法等。在采取應用這些方法進行故障檢測時，亦可分為采用靜態(tài)方法和動態(tài)方法2種。當采用靜態(tài)法進行故障查找時，一般是利用中分測阻法進行，對設備運行電路狀況進行檢測，來縮小設備發(fā)生故障的范圍，從而幫助查找判定故障發(fā)生點。當采用動態(tài)法進行故障查找時，一般是利用中分測壓法進行，通過對設備工作回路中的電壓波形運行形態(tài)進行檢測，來縮小判斷設備發(fā)生故障的范圍及程度。

3.3 其他特殊方法

UPS系統(tǒng)有時也會出現(xiàn)一些特殊的故障，運用常規(guī)的手段無法及時地查找出故障點，這時候就需要采取一些特殊手段、特殊方法來進行檢查，以縮小故障范圍，確定故障原因。比如冷焊、虛焊、局部放電和局部氧化等，對于這種類型的故障，可采用敲擊振動法、局部加熱法等特殊手段進行檢測，來幫助確定故障點。在采取敲擊振動法進行設備故障檢測時，敲擊振動過程應小心謹慎，保證擊打部位的振動受力在允許程度之內(nèi)，應使用非金屬體進行打擊，避免擊打元件表面出現(xiàn)刮痕或短路現(xiàn)象，避免由受力過大造成設備元件的其他損壞。運用局部加熱法對部分因溫度急劇變化而產(chǎn)生的故障進行檢測時，應減小檢測范圍，僅針對故障發(fā)生可能較大的部位進行加熱，過程中可以采取熱吹風或安全加熱體2種方法進行。在對設備進行局部加熱的過程中，要使用合理的加熱溫度，保證受試的設備正常元器件不產(chǎn)生損環(huán)。

4 浙能阿克蘇熱電1號機組UPS故障排除案例分析

4.1 UPS故障概況

浙能阿克蘇熱電是浙江省迄今為止最大的產(chǎn)業(yè)援疆項目，位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇紡織工業(yè)城東北部，項目總投資34億元，于2017年5月24日全面建成2臺35萬kW超臨界熱電聯(lián)產(chǎn)機組并投入商業(yè)運行。每臺機組各配有一臺深圳市正昌時代電氣工程有限公司生產(chǎn)的型號為GTSI-80 K，額定容量為80 kVA的交流不停電電源裝置UPS，交流輸入電壓為三相三線380 V±10%，輸出交流電壓為單相220 V±2%，50 Hz±1%。UPS采用靜態(tài)逆變裝置，不自帶蓄電池，直流電源由主廠房直流系統(tǒng)提供。UPS系統(tǒng)包括整流器、逆變器、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關、旁路變壓器、手動旁路開關和交流配電屏等。負責為電廠的測量、控制和保護等各類重要負荷提供連續(xù)可靠的不間斷交流電源。

2022年2月24 日16：54，1號機DCS收到UPS系統(tǒng)異常報警，查看光字牌顯示：UPS綜合報警、UPS逆變器故障、UPS旁路供電報警、UPS交流輸入故障、UPS電池電壓低，以及UPS逆變器同步故障。

4.2 故障原因分析

4.2.1 設備檢查情況

1號機UPS在靜態(tài)旁路運行，饋線柜帶負載正常；UPS主路輸入開關NFB1跳閘、直流1 A段1號機組UPS直流電源開關跳閘。查看UPS主機柜外觀無異常，旁路柜運行正常。18：25，將1號機UPS切至檢修旁路運行，UPS主機關機。打開UPS主機柜前后柜門檢查，情況如圖1所示，發(fā)現(xiàn)第1個整流器有打火痕跡，拆除該整流器驅(qū)動板后，進一步發(fā)現(xiàn)下方第1個可控硅爆開，相連接的直流、交流銅排均受損。

圖1 故障后第一個整流器實物圖

繼續(xù)檢查第2個整流器的情況，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)整流器控制板上1根配線斷線，上部整流橋連接銅排有輕微受損。

圖2 故障后第二個整流器實物圖

檢查UPS主機柜其余元器件無打火、變形和脫落現(xiàn)象，快速熔斷器正常。

4.2.2 報警信息分析

機組UPS的報警信息記錄可總結(jié)見表1。

表1 UPS報警信息記錄

4.2.3 故障原因分析

結(jié)合報警信息記錄、元件損壞及開關跳閘情況，推斷故障順序。

（1）整流器的第一個SCR整流橋因老化發(fā)生爆裂，導致輸出直流的正極、負極銅排短路，在沖擊作用下，引發(fā)逆變回路故障，同時直流電源開關跳閘，UPS自動切至靜態(tài)旁路運行。

（2）整流器的SCR整流橋擊穿，導致交流側(cè)短路，使主路輸入開關跳閘，此時逆變器電壓異常，同步故障。

（3）直流回路電容放電，使直流電壓低于180 V，逆變器停止工作。

4.3 故障處理

故障處理過程如下。

（1）將1號機UPS切換到檢修旁路運行。

（2）測試新采購的板件正常。

（3）隔離UPS后，拆除并更換1號機UPS燒損的板件。

（4）檢查電容器、逆變器、整流器、靜態(tài)開關等元器件設備正常。

此外，為確保修后的UPS切換功能正常，輸出穩(wěn)定，避免試驗過程對UPS旁路供電產(chǎn)生影響，確保旁路輸出穩(wěn)定安全，特對修后UPS在空載情況下進行切換試驗及輸出電壓測試。完成上述處理操作后，故障被有效排除，UPS恢復正常方式運行。

5 結(jié)論

由于UPS系統(tǒng)自身的原理與技術十分復雜，不但系統(tǒng)內(nèi)部的組成元件多，而且其中大部分元件都是精細部件，這些精細部件對于外界環(huán)境的要求非常高。因此，對于UPS系統(tǒng)而言，各類外界環(huán)境因素影響都非常有可能對其內(nèi)部元件造成污染。一旦這些精細的元件受到污染，就容易發(fā)生故障，失去其原來的功能，甚至可能因此引起整個UPS系統(tǒng)的癱瘓?；谶@樣的事實，營造一個良好的工作環(huán)境是保證UPS系統(tǒng)的正常運行的基礎，有利于減少由外界因素而導致的系統(tǒng)故障。