巢 澤
(江蘇利港電力有限公司,江蘇 江陰 214444)
不間斷電源(Uninterruptible Power Supply,UPS)系統(tǒng)是確保供電穩(wěn)定和連續(xù)性的重要設(shè)備,因此電力企業(yè)的重要負(fù)荷通常都由UPS系統(tǒng)供電。其主機(jī)智能化程度很高,使用的儲能器件是免維護(hù)蓄電池,具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻及凈化的特點(diǎn)。在正常運(yùn)行情況下,系統(tǒng)會從主電源獲取電力。如果主電源出現(xiàn)故障,系統(tǒng)將自動切換到蓄電池組來供電。如果逆變器模塊或回路發(fā)生故障,系統(tǒng)可以切換到旁路供電,且主輸出電源會自動與旁路電源保持同步[1]。
江蘇利港電力有限公司的#3機(jī)UPS是由瑞士GUTOR公司研制生產(chǎn)的雙機(jī)并列的不間斷電源裝置。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,每套裝置都有獨(dú)立的三相交流電源輸入和獨(dú)立的直流電源。兩套主機(jī)合用一路旁路電源,且其輸出自動同步跟隨[2]。自2015年投入使用以來,系統(tǒng)一直穩(wěn)定運(yùn)行。
圖1 #3機(jī)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
從2022年6月23日到2022年7月23日,#3機(jī)UPS多次出現(xiàn)電池運(yùn)行、旁路運(yùn)行及UPS高壓直流關(guān)斷等不正常運(yùn)行狀況報警。經(jīng)過工作人員現(xiàn)場查看,裝置內(nèi)確實(shí)存在異常信息。雖然UPS系統(tǒng)雙機(jī)并列運(yùn)行正常,但是從報警內(nèi)容來看,UPSA和UPSB在所述時間段內(nèi)分別出現(xiàn)過主機(jī)關(guān)機(jī)的情況,且報警內(nèi)容涉及主電源回路、電池電源回路以及旁路回路。
根據(jù)報警內(nèi)容,7月7日曾出現(xiàn)過直流電源高關(guān)斷的報警,整流器輸出電壓整定值為245 V,由于廠用電系統(tǒng)運(yùn)行正常,基本可以排除主輸入電源電壓波動導(dǎo)致高直流電壓關(guān)斷UPS系統(tǒng)的情況。結(jié)合UPS系統(tǒng)的運(yùn)行方式,UPS系統(tǒng)的整流器輸出與直流母線直接相連,直流母線下并聯(lián)蓄電池組,因此直流母線電壓是一個相對穩(wěn)定的電壓。只有當(dāng)直流系統(tǒng)本身的充電整流器出現(xiàn)故障或者有大容量直流電機(jī)啟動時,才會導(dǎo)致直流母線電壓大幅波動。而直流系統(tǒng)充電整流器故障造成的影響將是全面的,故障表現(xiàn)出來的現(xiàn)象也不僅僅體現(xiàn)在UPS系統(tǒng)上。因此,有必要核查大容量直流電機(jī)的啟停記錄[3-5]。
經(jīng)過核查,發(fā)現(xiàn)在出現(xiàn)異常情況的幾天內(nèi),運(yùn)行人員都進(jìn)行過啟動電動油泵(Electric Oil Pump,EOP)的操作,因此推斷啟停EOP油泵可能是造成UPS系統(tǒng)高直流電壓關(guān)斷的原因。
為了確認(rèn)UPS關(guān)斷與啟停EOP油泵之間的關(guān)系,2022年7月26日再次嘗試啟動EOP油泵,并對#3機(jī)UPS直流電源側(cè)母線電壓進(jìn)行錄波。在上午10:30左右第1次啟停EOP油泵,未發(fā)現(xiàn)電壓有明顯波動,啟泵時直流母線電壓下降1 V左右,停泵時直流母線電壓升1 V左右。在10:57左右進(jìn)行第2次啟停EOP油泵,油泵啟動后幾秒內(nèi),UPSA控制柜發(fā)出爆炸聲并伴有電火花,直流進(jìn)線開關(guān)跳閘,直流電源開關(guān)跳開。立刻要求運(yùn)行人員停EOP油泵,并對UPSA和UPSB進(jìn)行安全隔離。此時發(fā)現(xiàn)UPSA仍在運(yùn)行,有直流開關(guān)跳閘報警,UPSB也在運(yùn)行,一度出現(xiàn)“Battery Operation”的報警。2臺UPS輸出電壓顯示正常,但根據(jù)現(xiàn)場檢修人員回憶,2臺UPS并機(jī)運(yùn)行時的負(fù)載率一度達(dá)到67%,長時間負(fù)載率顯示為超限。由于UPSA已明顯故障,要求運(yùn)行人員暫時將UPS切至檢修旁路運(yùn)行,將UPSA和UPSB隔離。分別對UPSA、UPSB進(jìn)行開柜檢查,檢查發(fā)現(xiàn)UPSA逆變器模塊A033的功率元件出現(xiàn)燒焦裂紋,表面有放電痕跡。
總結(jié)此次試驗(yàn)和錄波檢查情況,主要存在以下問題:第一,UPS故障與直流系統(tǒng)啟EOP油泵的啟停操作存在因果關(guān)聯(lián),需進(jìn)一步確認(rèn);第二,雖然幾次啟油泵后均出現(xiàn)直流電壓較高的報警,但錄波顯示沒有捕捉到高電壓波形;第三,損壞的逆變器的故障點(diǎn)是在直流側(cè),本次故障造成了2臺UPS均有多次限流器動作。
對于第一個和第二個問題,根據(jù)錄波檢查和逆變器模塊的故障情況,可以確認(rèn)UPS故障與EOP油泵的啟停操作存在關(guān)聯(lián)。啟停EOP油泵的過程中,逆變器晶閘管爆裂發(fā)生,這表明UPS在運(yùn)行期間確實(shí)受到EOP油泵啟停操作的影響。同時,直流母線側(cè)高壓侵入被隔離二極管V016的爆裂所證實(shí),但錄波時并未捕捉到高電壓的過程。對于第三個問題,查看UPSA和UPSB的歷史報文可以發(fā)現(xiàn),UPSA發(fā)生故障后,先后出現(xiàn)直流限流器動作和交流側(cè)限流器動作。逆變器晶閘管爆裂的位置在并有直流電容的晶閘管入口處,該處的絕緣材料已經(jīng)碳化,有經(jīng)過較大電流的痕跡。故障報文中也顯示先直流限流器動作,再有交流側(cè)限流器動作。因此,可以判斷先在直流側(cè)發(fā)生故障,出現(xiàn)擊穿或接地后,再在交流側(cè)發(fā)生故障。
此外,#3機(jī)UPS輸出中性線接地且與機(jī)柜相連,UPSB可與機(jī)柜構(gòu)成回路,因此向故障點(diǎn)提供了短路電流。在故障發(fā)生時,UPSA和UPSB的負(fù)載率都很高,伴有間隙性電壓波動和多次限流器動作,并顯示負(fù)載率超限。
2022年8月8日,受損的備品備件到達(dá)現(xiàn)場。由于前一次啟EOP油泵的試驗(yàn)中發(fā)生了UPSA晶閘管爆裂的事故,因此本次更換逆變器模塊后對可能出現(xiàn)的突發(fā)情況做了充分的準(zhǔn)備。將#3機(jī)220 V直流電壓信號接入發(fā)變組故障錄波器電壓通道進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控,并設(shè)置了突變量為3 V的啟動錄波定值。
對UPSA進(jìn)行模塊更換,并進(jìn)行UPSA的單機(jī)調(diào)試和各項切換試驗(yàn)等,同時將UPSA、UPSB的整流器輸出直流電壓定值調(diào)整為254 V(原來為245 V),旨在拉開與直流母線電壓的差距,減少因兩者電壓差過小而引發(fā)的干擾。
在試驗(yàn)開始前,先將#3機(jī)UPS切換到檢修旁路運(yùn)行,UPSB停運(yùn),拉開UPSB的直流進(jìn)線開關(guān)。在確認(rèn)UPSA運(yùn)行正常后,空載啟動直流EOP油泵,同時對UPS充電器輸出、逆變器輸入及逆變器輸出側(cè)進(jìn)行電壓和電流錄波。
啟動EOP油泵時,電壓先升至247 V,后降至234 V,停EOP油泵時也沒有出現(xiàn)異常。但在EOP油泵運(yùn)行期間,移動錄波器捕捉到了254 V的尖峰高壓,隨后降至223 V;發(fā)變組故障錄波器也捕捉到了264 V的尖峰高壓,隨后降至195 V,波峰持續(xù)時間短暫。
在啟停EOP油泵的過程中,直流電壓出現(xiàn)波動,并且在EOP油泵運(yùn)行期間錄波器捕捉到尖峰高壓。經(jīng)過分析,當(dāng)EOP油泵內(nèi)部存在較大規(guī)模的間隙性匝間短路或直流接地時,會產(chǎn)生短暫的電能釋放,從而導(dǎo)致電壓波峰值。因此,需要對直流母線電壓進(jìn)行正對地、負(fù)對地、正負(fù)間3個電壓的監(jiān)視和錄波。之前對于直流母線電壓的監(jiān)視僅局限于正負(fù)之間,沒有擴(kuò)充到正對地和負(fù)對地,可能存在盲點(diǎn)。
2022年8月20日下午15:30左右,UPSA在帶直流母線運(yùn)行的情況下,再次進(jìn)行啟停EOP油泵試驗(yàn)。在充電整流器輸出、逆變器輸入以及逆變器輸出側(cè)均進(jìn)行電壓和電流錄波,并增加了直流母線側(cè)正對地、負(fù)對地電位的錄波和監(jiān)測。
啟動EOP油泵時,未發(fā)現(xiàn)無明顯異常。但在停直流油泵時,UPSA卻出現(xiàn)電池運(yùn)行,高直流電壓關(guān)機(jī),轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行,再轉(zhuǎn)電池運(yùn)行的情況。裝置內(nèi)部歷史報警內(nèi)容與7月7日設(shè)備故障時的報警內(nèi)容完全一致。這一過程被便攜式錄波器全程錄下來,可以很明顯地看出直流母線電壓在此過程中正負(fù)之間并沒有發(fā)生很大的波動,只有1 V左右,但正對地、負(fù)對地電壓波形圖在錄波器的400 V量程上已完全超限,無法確定其對地電位的幅值。同時,從錄波圖上可以看出,此過程時間較短,只有2 ms左右,之后電壓基本恢復(fù)正常。至此可以確定,EOP油泵在啟停時造成220 V直流母線對地電位異常升高,導(dǎo)致#3機(jī)UPSA的故障。因?yàn)镋OP油泵電源正負(fù)間的電壓正常,所以仍然可以正常地啟停和運(yùn)轉(zhuǎn)。
在此次試驗(yàn)中,雖然直流母線電壓的正負(fù)之間波動并不大,但正對地、負(fù)對地電壓的超限可能導(dǎo)致設(shè)備故障。因此,需要進(jìn)一步分析超限的原因及其對設(shè)備的影響。同時提高對直流母線電壓的監(jiān)測精度和范圍,以更好地預(yù)防類似故障的發(fā)生。
大容量直流電機(jī)的啟停會引起直流母線電壓波動,這種波動可能包含諧波分量或產(chǎn)生高壓尖峰波,從而對直流母線上的其他負(fù)荷設(shè)備造成危害。這種危害可能體現(xiàn)在正負(fù)極電壓之間,也可能更隱蔽地體現(xiàn)在對地電位的抬升上,從而導(dǎo)致設(shè)備對地的絕緣擊穿。本次事故案例可以為新設(shè)備的采購和技術(shù)協(xié)議的制定提供新的參考依據(jù)。對于新設(shè)備的采購,需要考慮其是否具備承受大容量直流電機(jī)啟停所帶來的電壓波動的能力。對于技術(shù)協(xié)議的制定,需要明確對地電位抬升等隱蔽危害的處理方法和要求,以確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時,對于已經(jīng)投入使用的設(shè)備,需要采取相應(yīng)的措施來應(yīng)對大容量直流電機(jī)啟停所帶來的危害。