火電廠UPS故障分析和優(yōu)化策略

南京化學(xué)工業(yè)園熱電有限公司/中國礦業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 陳超虎 銅山華潤電力有限公司 謝方喜 張建成

1 概述

交流不間斷電源裝置（UPS）在火電廠中主要向測量、控制和保護等重要負荷提供可靠、高質(zhì)量交流電源，火電廠常采用在線式UPS。根據(jù)GB50660《大中型火力火電廠設(shè)計規(guī)范》要求：單機容量為600MW 級及以上機組，每臺機組宜配置2臺UPS；容量為300MW 級及以下機組，當(dāng)計算機控制系統(tǒng)僅需要1路不間斷電源時，每臺機組可配置1臺UPS[1]。近年來，火電廠出現(xiàn)多起因UPS 裝置故障造成機組非計劃停運，對機組安全運行存在重大威脅，對火電廠UPS 故障分析和優(yōu)化策略進行探討。

1.1 正常運行方式

火電廠UPS 裝置一般配置三路電源，分別為主路電源、旁路電源、220V 直流電源。UPS 裝置主路電源一般取自400V 廠用段或者400V 保安段。正常運行時，主路電源經(jīng)整流器模塊轉(zhuǎn)為純凈、無突波、無雜波的直流電源，供給逆變器模塊使用；逆變器將直流電源再轉(zhuǎn)化為比主路電源更穩(wěn)定的交流電源輸出，經(jīng)靜態(tài)開關(guān)模組至輸出饋線屏，接帶負載，此時UPS 系統(tǒng)為逆變器模式供應(yīng)負載，也是正常運行方式。

UPS 裝置旁路電源一般取自400V 保安段，但應(yīng)注意與主路電源相對獨立，避免由相同400V 母線接帶，以及400V 母線的上一級電源也盡可能做到相對獨立。UPS 裝置220V 直流電源一般取自火電廠主廠房220V 直流母線，具有較高的安全穩(wěn)定性。

1.2 切換過程

自動切換過程。UPS 裝置整流器故障或者主路電源丟失時，逆變器將不間斷地、自動切至直流供電模式；若整流器故障消除或主路電源恢復(fù)，UPS裝置將自動切至正常運行方式[2]。若發(fā)生逆變器故障或逆變器側(cè)直流電源中斷等情況，UPS 系統(tǒng)自動切換至靜態(tài)旁路供電；手動切換過程。機組檢修時，對UPS 裝置進行維護檢修，需要將UPS 系統(tǒng)切至維修旁路供電。此時需先手動停運逆變器，將UPS裝置切至靜態(tài)旁路供電，然后合上維修旁路開關(guān)，斷開UPS 輸出開關(guān)。

2 UPS 故障分析及防范措施

2.1 UPS 故障造成鍋爐MFT

2.1.1 事件簡述

某火電廠為2臺1000MW 超超臨界燃煤發(fā)電機組，每臺機組配置2套A 廠家生產(chǎn)的容量為100kVA的UPS 裝置。每套UPS 裝置工作電源取自主廠房保安PC 段三相輸入，旁路輸入電源取自主廠房汽機PC 段A-B 二相，直流輸入由主廠用220V 直流蓄電池組供電。

2022年5月某日，1號機組負荷490MW，監(jiān)盤發(fā)現(xiàn)“主廠房UPS-B 逆變器故障”“主廠房UPS-B綜合故障”報警，1B UPS 切至自動旁路運行，給煤機運行信號消失，1號鍋爐MFT 保護動作，機組解列，MFT 首出為“全燃料喪失”。

2.1.2 原因分析

每臺機組的6臺給煤機控制電源均取自熱控電源分配柜2，柜內(nèi)配置雙電源切換裝置，電源一為UPS，電源二為保安段，正常運行時由UPS 帶負載運行。專業(yè)管理人員通過對1B UPS 輸出電壓DCS曲線、就地UPS 柜狀態(tài)、熱控電源分配柜2進線電源就地切換記錄進行檢查發(fā)現(xiàn)：1B UPS 報“逆變器故障”，1B UPS 由主路切至自動旁路運行瞬間，1B UPS 輸出電壓波動，電壓值從225.9V 瞬時最低下降至207V。熱控電源分配柜2的進線電源切換過程中未能做到無擾切換，電壓瞬時進一步下降，導(dǎo)致1號鍋爐所有給煤機控制柜失電（由熱控電源分配柜2供電），鍋爐“全燃料喪失”MFT 保護動作。

UPS-B 主機柜主板故障，致使主機輸出電壓存在異常諧波分量，輸出電壓不穩(wěn)定；UPS-B 靜態(tài)開關(guān)組件中有3塊靜態(tài)切換電阻，該電阻正常阻值應(yīng)為0.7Ω，檢查測量3塊靜態(tài)切換電阻阻值均達19.6kΩ。判斷為靜態(tài)切換電阻板故障，導(dǎo)致由主路切至自動旁路瞬間，靜態(tài)開關(guān)不能做到無擾切換，輸出電壓存在短時下降；6臺給煤機控制柜電源均取自熱控電源分配柜2，風(fēng)險集中，配置不合理。

2.1.3 防范措施

更換1B UPS 主控板，檢測1B UPS 輸出電壓情況；更換1B UPS 靜態(tài)切換電阻和靜態(tài)開關(guān)輸出接觸器控制板，進一步做工作電源切旁路電源驗證試驗；利用機組檢修期間對其余UPS 進行切換試驗，切換試驗過程進行波形監(jiān)測，確保供電質(zhì)量；分散布置給煤機控制柜電源：A、C、E 給煤機控制柜電源由熱控電源分配柜2供電；B、D、F 給煤機由熱控電源分配柜4供電。

2.2 某火電廠UPS 失電造成汽輪機跳閘

2.2.1 事件簡述

某火電廠2×630MW 超臨界燃煤發(fā)電機組，主廠房配置兩套由B 廠家生產(chǎn)的80kVA UPS 系統(tǒng)。2022年01月某日22時，1號機組負荷547MW，磨煤機1A、1B、1C、1D、1E、1F 運行。22時20分，監(jiān)盤人員發(fā)現(xiàn)給煤機1B、1D、1F 故障，2s 后機組停運。檢查首出為汽輪機“軸位移保護動作”（DCS實際測量值顯示正常）。檢查報警界面，發(fā)現(xiàn)UPS 1B 故障報警，UPS 1B 段輸出電壓、電流均為0。

就地檢查UPS 1B 裝置時，發(fā)現(xiàn)UPS 1B 主機關(guān)機（POWER OFF），饋線屏失電。UPS 1B 主機面板故障記錄為Shutdown EPO（Emergency PowerOFF），該指令由UPS 1B 靜態(tài)開關(guān)控制板（PC811）生成并發(fā)出。UPS 1B 饋線屏上部分負荷失電后另一路電源切換正常，部分輔機跳閘后，備用輔機聯(lián)啟正常。但1號機熱控UPS 電源柜二、1號機熱控220V 控制電源柜電源失電后造成1號機主機TSI 機柜一路電源失去（另一路電源正常），TSI 卡件在模擬量顯示正常的情況下，誤發(fā)二路主機軸位移大開關(guān)量信號至二個繼電器出口動作。

2.2.2 原因分析

1號機主廠房UPS 1B 靜態(tài)開關(guān)控制板（PC811）故障，觸發(fā)緊急停機指令EPO，閉鎖UPS 輸出?！?號機熱控UPS 電源二”失電，造成1號機主機TSI機柜一路電源失去（另一路電源正常），TSI 卡件在模擬量顯示正常的情況下，誤發(fā)二路主機軸位移大開關(guān)量信號至二個繼電器出口動作。

2.2.3 防范措施

根據(jù)UPS 失電后負載切換的統(tǒng)計情況，主要影響機組穩(wěn)定運行的負載是6臺給煤機控制電源。鑒于此情況，將其中2臺給煤機控制電源改為由自身動力電源經(jīng)隔離變提供，分散UPS 失電后給煤機跳閘的風(fēng)險；做好重要設(shè)備改造前期調(diào)研，準(zhǔn)確掌握設(shè)備質(zhì)量情況，把好源頭關(guān)，做好項目采購的策劃工作。

完善UPS 檢修工藝卡，建立UPS 板卡更換記錄，舉一反三開展排查，制定關(guān)鍵板卡的定期更換臺賬；對主機以及小機軸位移保護邏輯進行優(yōu)化，加入模擬量判斷邏輯；完善TSI 系統(tǒng)檢修工藝卡以及DCS 系統(tǒng)、TSI 系統(tǒng)、MFT 系統(tǒng)等電源切換試驗執(zhí)行卡，檢修期間嚴(yán)格執(zhí)行電源切換試驗。

2.3 UPS系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量下降引起熱工控制系統(tǒng)故障

2.3.1 事件簡述

2015年12月某日23：41，某火電廠2號機組滿負荷運行，運行人員陸續(xù)發(fā)現(xiàn)以下缺陷：鍋爐壁溫測點(由IDAS 從爐頂采集通過雙絞線接入DCS)、發(fā)電機本體所有溫度測點(由IDAS 從機側(cè)采集通過雙絞線接入DCS)、發(fā)電機功角等測點突變壞點；2BUPS 饋電柜頻率在42Hz-58Hz 之間波動，定冷水流量由114t/h 降至99t/h；一期220V 直流母線1號母線電壓突降45V 恢復(fù)，又突升20V 恢復(fù)，UPS2A 段饋線總頻率有0.5Hz 幅度的尖峰存在；2號機監(jiān)視工業(yè)電視的大屏幕畫面顯示不清并不時黑屏；2號機勵磁工控機電源模塊壞；2號汽機7、8號低加疏水溫度大幅波動等。

2.3.2 原因分析

將發(fā)電機本體溫度測點和監(jiān)視工業(yè)電視的大屏幕更換外部電源后，缺陷消除，初步判定UPS 電能質(zhì)量下降；機組降負荷，進行2 BUPS 電源切換試驗：拉開2B UPS 主電源開關(guān)，2B UPS 切至直流供電，部分測點的波動幅度變小，將UPS 切至旁路時各測點和負荷恢復(fù)正常。再將UPS 系統(tǒng)切回正常運行方式后，機爐側(cè)IDAS 通訊故障，測點波動，同時發(fā)現(xiàn)GPS 時鐘對時故障。結(jié)論是：2B UPS 系統(tǒng)旁路運行和2A UPS 系統(tǒng)主路運行，UPS 系統(tǒng)所供應(yīng)的電能質(zhì)量合格，DCS 系統(tǒng)以及IDAS 等用戶工作正常。

2A UPS 電源切換試驗的結(jié)論是：2A UPS 系統(tǒng)旁路運行和2B UPS 系統(tǒng)主路運行，UPS 系統(tǒng)所供應(yīng)的電能質(zhì)量不合格，DCS 系統(tǒng)以及IDAS 等用戶工作不正常；2B UPS 系統(tǒng)裝置輸出電能質(zhì)量不合格，進一步檢查發(fā)現(xiàn)2B UPS 系統(tǒng)電容故障。更換2B UPS 系統(tǒng)電容，各測點、DCS 系統(tǒng)以及IDAS等用戶均正常，電能質(zhì)量均顯示正常。

2.3.3 防范建議

UPS 的壽命一般在5～8年左右，該廠UPS 已經(jīng)運行5年多，但維護人員對設(shè)備劣化認識不夠，雖然已列入更換計劃但未能及時實施。在此類風(fēng)險的防范方面，建議深入開展重要運行設(shè)備的狀態(tài)評估工作，加強對設(shè)備劣化指標(biāo)管控，預(yù)判設(shè)備使用壽命，及時進行老化部件的更換。

3 UPS 系統(tǒng)維護和優(yōu)化建議

某火電廠目前運行有多臺320MW 機組和1000MW 機組，采用320MW 機組采用各單獨配置1臺UPS 裝置、1000MW 機組分別配置2臺UPS 裝置的配置策略。根據(jù)多年使用情況，提出以下優(yōu)化策略和建議。

結(jié)合該廠設(shè)備運行方式特點，定期梳理UPS 系統(tǒng)負荷分布情況，確認所帶負荷配置合理，確保負荷未超過設(shè)計容量要求?，F(xiàn)場設(shè)備技改、異動，需要新增UPS 負荷時也需充分考慮此項要求。

僅配置1臺UPS 的機組，重要負荷進行電源分配時應(yīng)充分考慮UPS 失電帶來的風(fēng)險。給煤機變頻器控制電源，根據(jù)DL/T 1648《火電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》要求，為保證變頻器高低壓穿越過程的無擾動，變頻器控制電源部分宜采用雙電源，一路可從變頻器工作電源直接取電，另一路控制電源應(yīng)由UPS 或直流統(tǒng)一供電，由UPS 供電時失電保持時間不小于5min[3]。

因部分火電廠兩臺UPS 系統(tǒng)采用并聯(lián)冗余接線方式，即冗余配置的UPS 交流輸出端連接在一起，輸出接線為單母線接線，提供雙回路電源，但無法提供獨立的雙電源。為避免當(dāng)輸出端母線或斷路器出現(xiàn)故障造成UPS 輸出母線失電，建議該廠全部改為雙重化冗余接線方式，即設(shè)置2臺互相獨立的UPS系統(tǒng),單臺UPS 系統(tǒng)輸出接線為單母線，兩段母線可采用母聯(lián)開關(guān)連接,也能為負載提供2路互為備用的電源。

制定UPS 電源切換試驗規(guī)范要求。在開展切換試驗時，關(guān)注切換過程中時間和電能質(zhì)量是否滿足現(xiàn)場要求，形成試驗報告臺賬，并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析針對性做好設(shè)備維護工作；定期對UPS 內(nèi)部DC電解電容性能測試，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[4]，必要情況下進行更換；UPS 冷卻風(fēng)扇長時間運行，屬于易損部件，可在UPS 內(nèi)部設(shè)置過濾網(wǎng)，減少灰塵進入設(shè)備內(nèi)部[5]，并做好定期維護和更換。

根據(jù)DL/T5491《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，當(dāng)UPS 直流電源由主廠房220V直流系統(tǒng)供電時，UPS 輸入/輸出回路應(yīng)安裝隔離變壓器，直流回路應(yīng)裝設(shè)逆止二極管，并且逆止二極管反向擊穿電壓不應(yīng)低于輸入直流額定電壓的2倍[6]；維護過程中注意UPS 系統(tǒng)電源板和控制板的檢查，做好備品備件的儲備和性能評估。