淺談UPS的應用與維護*

熊學敏

(咸寧市地方稅務局 技術管理科，湖北 咸寧 437000)

1 UPS工作原理

UPS系統是由輸入開關、輸入濾波器及保護電路、整流器、逆變器、靜態開關、旁路開關、隔離變壓器、輸出濾波板、及電池組等組成(見圖1)．

圖1

(1)當市電正常時，交流電經過整流器轉換為直流電源，然后給逆變器供電，與此同時對電池組進行充電．在將交流電轉換為直流電的過程中，整流器可以把市電中的噪聲、頻率不穩定及異常雜波等問題消除，使逆變器為負載提供更加穩定、純凈的電源．

(2)當市電欠壓或者中斷時，連接在DC BUS上電池組提供電能給逆變器，向直流回路饋送電能，為負載提供持續電流，保證了設備不會因市電異常而宕機．

(3)當逆變器出現異常(如高溫、短路、負載超載等情形)，逆變器會自動停止輸出，靜態開關切換到旁路模式．

(4)當UPS要進行維修或更換電池而且負載供電又不能中斷時，可以先關閉逆變器開關，然后打開維修旁路開關，最后將整流器和旁路電源開關切斷．此時，交流電源經由維護旁路開關繼續給負載供應電源，UPS內部將不存有電力，可以安全的進行維護操作．

2 常用的UPS架構

為了提高UPS的可靠性、熱維修，通常會利用多臺UPS采用N+m冗余并聯技術來進行配置，而1+1冗余并聯結構最為常用(圖2)．

采用這種方式的優點是，在UPS正常工作的時候，毎臺UPS的逆變模塊都將平均分配負載電流．如果運行中遇到某一臺UPS的逆變模塊出現故障，1+1冗余并聯系統自動釋放有故障的UPS的逆變模塊．由剩下工作的一臺UPS的逆變模塊按照比例平均分配全部負載．如此UPS就保證了向用戶提供了既無供電時間中斷又無幅度均衡的高質量電源．兩臺直接并聯冗余 UPS系統的可用性達到99．99947%，MTBF比單機UPS高4倍．

圖2

值得注意的是，UPS最好運行在最佳負載范圍內，所帶負載最好為標稱容量的60% －80%．如果負載過輕，UPS使用效率變低，輸入電壓、電流的畸變率增大．而負載過重時，容易使UPS頻繁地轉旁路．如果需帶一些沖擊電流較大的負載時，UPS應降額使用．具體到1+1并聯冗余備份設計時，輸出總負載應不大于2倍的單機額定輸出．當有一臺單機故障時，該單機可以自由投入、退出而不影響并聯系統的運行．那么對應正常工況下，每臺UPS的負載在30% －40%為宜．

3 UPS的維護保養

3．1 日常檢查

重視和加強對UPS的管理和維護，建立起日常檢查、維護制度，能夠確保UPS的可靠運行．

日常檢查的主要內容有：

(1)檢查機房精密空調運行是否正常，以及機房的環境溫度、濕度是否符合要求．

(2)查看UPS主機面板有無故障告警燈閃爍，各種運行指示燈是否處于正常狀態，查看UPS及配電柜輸入電流、電壓，輸出電流電壓是否正常，并且做好相應的記錄．

(3)聞UPS是否有異味，檢查是否有器件燒糊．

(4)聽UPS噪聲是否有可疑的變化，特別注意聽UPS的輸入變壓器和逆變輸出變壓器的響聲．

(5)用手試探UPS散熱風扇的風量是否正常．

(6)建立了機房信息綜合監控系統，可以通過遠程監控實時了解UPS機房內的各種信息參數．維護人員不必每天去現場觀察UPS的工作狀態及環境狀態，但周期性的巡視檢查必不可少．

3．2 電池的保養

如果將主機比作UPS的大腦的話，那么電池組好比是UPS的心臟．當市電異常是，電池組提供后備能量保證UPS輸出的連續性，如果電池的供電容量不足，則UPS會發生后備時間不足，造成負載宕機的危險．所以說電池的性能直接影響UPS的可靠性．實踐表明，由于電池保養不當所產生的問題是UPS問題中最常見的一種．

絕大多數UPS使用的是密封式免維護鉛酸蓄電池，所謂的免維護并非完全不需維護，而是指不需要象傳統鉛酸蓄電池那樣定期加水．由于結構和材料的原因，電池的價格通常都比較高，因此為降低系統運營成本，延長UPS使用壽命，必須正確對電池組進行維護保養．

常見電池的壽命為3－5年，但應用中會有少量電池提前損壞．這是因為，電池的壽命除了與內部材料、化學組成有關外，還與溫度環境、電網環境、操作使用、維護保養等密切相關．

3．2．1 影響電池壽命的因素

(1)有關電池容量的標準

關于電池容量的定義，一般是以20HR來定義的，即在25℃條件下以0．05C放電可以放電20小時，屬于標準容量．關于電池壽命終止是以0．25C放電，25℃條件下放電容量僅為額定容量的50%以下．

(2)浮充壽命

以NP型電池為例，浮充壽命一般在3－5年(25℃)，三年時，有一些電池壽命終止，五年時，NP電池壽命基本終止．電池浮充壽命受放電次數、放電深度、浮充充電的溫度、浮充充電的電壓等因素影響．

(3)電池未充飽、過放電對電池壽命的影響

電池未充飽情況下沒有及時進行充電就放電，會造成電池極板硫化，使活性物質不能還原，從而影響電池的容量，最終導致電池壽命提前終止．

因鉛酸電池放電后產物是硫酸鉛，在正常工作中，負極板上的PbSO4顆粒小，放電很容易恢復為絨狀鉛，但有的時候電池內部生成了難以還原的硫酸鉛，稱為硫酸鹽化，從而導致蓄電池的內阻增大，甚至使個別電池產生“反極性”現象．引起負極鹽化的原因很多，諸如放電后不能及時充電，長期充電不足，電池長期擱置，引起嚴重的自放電，高溫下長期放電，這種硫酸鉛用常規方法很難還原，而活性物質的減少勢必影響到電池的容量，最終影響電池的壽命．放電時，當電池達到終止電壓1．80V(單格電壓)，此時若繼續放電，則放電速率加快，同時這期間也屬于電池的過放電過程，如果發生了過放電，則必須及時對電池進行補充電，否則會導致電池內部硫酸鹽化，要恢復本來容量將有很大困難．電池的過放電會對電池的使用壽命造成很大的影響，一次深度的過放電可能會使電池的使用壽命減少1－2年，甚至造成電池的報廢．

3．2．2 維護建議

(1)在電池放電后必須盡快進行充電，充電未結束或充電過程中不要停止充電．盡量避免電池組深放電，出線深放電后，更加不能長時間不充電(特殊情況下不得超過24小時)．

(2)建議將電池的欠壓保護點調高，這樣可能會使電池的放電時間縮短一些，但若在實際配置的時間范圍內，一般也可以接受．若單節電池欠壓保護點若從10．5V調至10．8V或11．0V(該數據為參考值，具體應在用戶許可的情況下進行調整)，對供電時間相對影響不是很明顯，但對防止電池深度放電卻有積極的作用．

(3)如果處于停電較為嚴重的地區，建議在配備電池的基礎上，最好再配備發電機，以便及時對剛放完電的電池進行回充，避免電池容量提前下降．但應保證發電機的輸出電壓、頻率在UPS的市電輸入電壓、頻率檢測范圍內．若為節省發電機耗油量而調低油門，降低發電機轉速，會因UPS檢測不到發電機的輸出電壓、頻率，使UPS仍工作在電池逆變狀態，還是無法起到補充的作用．

4 并機系統應用過程中故障排除一例

故障現象：日常檢查過程中發現，UPS1負載突變為63%，而UPS2為6%，UPS1出現半載告警，但兩臺設備仍正常工作，由逆變輸出．

故障排除方法：在機器調試狀態，按照維修流程，在面板還沒逆變開機前，基準電源測量，各相關電源電壓正常，于是采取UPS主機逆變開機，發現故障燈亮，蜂鳴器長鳴，并且逆變燈閃爍，伴隨著逆變燈閃爍時其顯示板上有一個繼電器來回切換的“啪啪”聲．分析逆變燈閃爍，并伴隨著顯示板的繼電器的來回切換，是否是電源板功率不夠，導致電壓下降，使得繼電器不能完全吸合，從而使得UPS相關信號電路不能穩定工作．于是在調試狀態下面板逆變開機后測試相關工作電源，萬用表檢測發現其電源電壓不穩定，上下波動．驗證了前面的分析有一定道理，遂將電源板電容C06(50V/220uf)更換成新的，然后將電容 C12、C15、C28、C59、C45也做更換(50V/1000 uf)．將拆下來的這6個電容進行容值測量，發現這些電容均已老化，容值下降嚴重．更換電容后要并機時發現，兩臺主機逆變輸出壓差過大，高于10V，此時無法并機，于是進入了下一步并機均流調試．

其調整方法如下：該調試需要在維修旁路或關閉負載的情況下，此時直流母線電壓必須為0V，因為此時在測試其準正弦，同測驅動一樣，需要面板開機，但不能讓逆變器工作．如有示波器，也可用示波器調整這兩臺機器正弦波的峰－峰一致．先以UPS1為基準，用萬用表的交流電壓毫伏檔測R83的右端與R121右端的交流電壓值．記錄該數值后，調整UPS2該相調制板的RP3，使得兩臺UPS此相R83右端與R121右端間的電壓與前一臺測量值保持一致;再測UPS1機的0V與R50右端間的交流電壓值，記下該值后，調整UPS2對應該相的RP2，使得兩臺UPS此相0V與R50右端間的電壓值保持一致．接下來以此方法調整其他兩相，當兩臺UPS的動態正弦幅值一致后，就可以成功實現兩機并聯．

此故障為電源板電容老化致使設備調制板并機參數漂移．

5 使用UPS應注意的其他事項

(1)切勿將UPS設備上的開關當作負載的電源開關來使用，避免對UPS的頻繁啟動．

(2)在UPS工作穩定之后，方可開啟負載．某些設備在啟動時電流很大，有可能造成UPS發生過載保護，因此最好將這類設備先于其它設備啟動．

(3)操作UPS時嚴禁佩帶手表、手鏈、手鐲、戒指等易導電物體．

［1］于鳳霞．電力系統安全運行的保障—UPS不間斷電源［J］．電站系統工程，2009，(1)．

［2］關寧強．淺析交流不停電系統在發電廠中的應用［J］．山西焦煤科技，2010，(7)．

［2］喬延坤．巖灘水電廠UPS接線及運行方式探討［J］．機電信息，2012，(3)．