某采油平臺UPS停機切換故障問題的分析

陳永強

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業(yè)公司 天津300457)

0 引 言

UPS(Uninterruptible Power System)即不間斷電源，是將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)換成市電的系統(tǒng)設(shè)備。主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其他電力電子設(shè)備如電磁閥、壓力變送器等提供穩(wěn)定、不間斷的電力供應(yīng)。當市電輸入正常時，UPS 將市電穩(wěn)壓后供應(yīng)給負載使用，此時的UPS就是一臺交流式電穩(wěn)壓器，同時它還向機內(nèi)電池充電；當市電中斷(事故停電)時，UPS 立即將電池的直流電能，通過逆變器轉(zhuǎn)換的方法向負載繼續(xù)供應(yīng)交流電，使負載維持正常工作并保護負載軟、硬件不受損壞。

某平臺有兩臺UPS，互為備用運行，且有旁路在其故障或檢修時為設(shè)備提供電源。通常采油平臺采用兩臺UPS各帶50%負載并列運行(單臺能夠滿足全部負載用電需求)，其可靠性非常高。但在某平臺進行UPS年檢時，UPS2負載向UPS1切換操作過程中，由于UPS故障造成全平臺失電，本文就此案例對故障原因進行分析。

1 故障處理

1.1 故障現(xiàn)象

某平臺使用兩臺帶旁路電源的梅蘭日蘭GALAXY 1000PW型UPS。由UPS廠家工程師進行UPS年檢，廠家確定年檢內(nèi)容都是常規(guī)工作，沒有失電的風險。施工工作開始前，檢查UPS的指示燈及運行狀態(tài)正常，機器無異常報警，各項顯示參數(shù)正常。2臺UPS帶載均衡各為9%，逆變器輸出值220V，電池充電正常。廠家工程師將為了停運UPS1，將負載切換到UPS2供電(負載量從9%變化到18%)，觀察10min無異常后斷開UPS1電池開關(guān)、交流主輸入、靜態(tài)旁路開關(guān)；當UPS1完全下電后，進行UPS1風扇更換工作；更換完畢后，進行UPS1性能測試，結(jié)果正常。將UPS1恢復，投入供電系統(tǒng)，UPS2負載量從18%變化為9%(圖1)。

在準備進行UPS2年檢工作前，廠家工程師檢查了整個系統(tǒng)確定UPS系統(tǒng)工作正常后，開始進行UPS2的停機操作。當UPS2負載向UPS1切換，UPS2停運過程中，UPS1因整流器故障過載而停機，UPS旁路電源開關(guān)QF11也發(fā)生跳閘(200A)，造成平臺失電。

圖1 UPS系統(tǒng)圖Fig.1 UPS system diagram

1.2 故障處理過程

根據(jù)故障現(xiàn)象，初步認為是UPS2的旁路與UPS1之間在切機過程中出現(xiàn)了很大的環(huán)流，電流過大造成UPS1過載和旁路電源開關(guān)跳閘。為進一步查明原因，平臺專業(yè)人員要求廠家按正常操作程序再次進行UPS2負載向UPS1切換操作，為檢測旁路電流并將鉗形電流表放置于UPS1逆變器的輸出側(cè)進行檢測。在確定UPS運行狀態(tài)正常的前提下，廠家工程師再次進行將UPS2負載切換至UPS1的操作，切換過程中，鉗形電流表上顯示電流逐漸增大至336.9A，證明UPS2負載切換至UPS1時，在機組旁路與UPS1內(nèi)部存在大電流的環(huán)流。

平臺專業(yè)人員和廠家檢查UPS的平臺電源、旁路輸入配電盤及輸出負載，未發(fā)現(xiàn)故障。檢查UPS1的輸出部分(輸出濾波板、變壓器、交流電容)亦未發(fā)現(xiàn)故障，交流電容為600μF，顯示正常。

2 故障分析

2.1 直接原因分析

①根據(jù)兩臺UPS均可獨立開啟帶載，可以判斷UPS的功率器件工作正常。

②兩臺UPS在并機情況下，分別顯示負載量均為9%，一致性很好，代表環(huán)流檢查板正常。UPS1負載切換至UPS2供電時正常，代表UPS1的并機板正常。

③通過故障現(xiàn)象廠家判斷UPS2并機板存在故障。根據(jù)故障檢查中用鉗形電流表檢測出的旁路電流分析，負載切換后并沒有斷開UPS2的旁路，UPS1的逆變器與UPS2的旁路產(chǎn)生了巨大環(huán)流，說明UPS2的并機板存在故障。正常情況UPS2的并機板應(yīng)該發(fā)送關(guān)閉UPS2旁路靜態(tài)開關(guān)的命令，避免旁路與逆變器產(chǎn)生環(huán)流。

經(jīng)廠家工程師與其公司技術(shù)部門溝通確認了現(xiàn)場的判斷：UPS2并機板MISI存在故障。更換后機組切換正常。

2.2 機組存在缺陷探討

結(jié)合機組技術(shù)資料，對上述故障進一步分析后，認為此型號UPS從保護功能和系統(tǒng)配電上存在一些問題是導致故障擴大化的深層次原因。

①并機板發(fā)生故障的可能性很低，用廠家的話形容就是百萬分之一的概率。兩臺UPS在線負載切換，機組逆變器與旁路產(chǎn)生環(huán)流，但機組缺少相應(yīng)的檢測功能和及時切斷環(huán)流的保護功能。

②梅蘭日蘭GALAXY 1000PW型UPS在設(shè)計上缺少對并機板檢測的功能，使并機板的故障只有在負載切換過程中才會暴露。在正常情況下，機組缺少對此器件的檢測，不會產(chǎn)生相關(guān)報警，使操作人員和檢修人員無法判斷機組是否可以負載切換。

③經(jīng)與廠家人員溝通，此型UPS原設(shè)計為80kVA的機組，由于平臺負載不需要如此大容量的UPS，廠家把此機組改為40kVA，并重新進行了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和配電開關(guān)的選型配置，但選型和系統(tǒng)參數(shù)匹配上存在問題。具體來看，旁路電源開關(guān)QF11選型為200A，長延時過載設(shè)置為1In，單純從配電角度分析是完全滿足旁路要求，但UPS1逆變器過載保護和旁路電源開關(guān)QF11長延時過負荷跳閘之間配合不好，參數(shù)設(shè)置沒有級差，二者幾乎同時進行過載保護動作，導致平臺失電。QF11與下一級UPS及旁路負載開關(guān)QF21之間上下級也存在不匹配的問題(QF21選型為250A，長延時過載設(shè)置為1In)。

④廠家把此機組改為40kVA時，并未更換相應(yīng)的保險，而是仍采用原設(shè)計630A的保險。UPS內(nèi)部出現(xiàn)短路故障時，由于保險容量過大，不能及時熔斷，起不到短路保護的作用。

3 總 結(jié)

通過上述故障分析及解決辦法，對于UPS切換過程中存在的問題，注意思考以下方面：

①UPS并機板設(shè)計中應(yīng)該加入故障檢測功能，確保設(shè)備倒機過程中判斷并機板或旁路靜態(tài)開關(guān)的工作狀態(tài)，及時進行保護，避免造成失電情況發(fā)生。

②在機組設(shè)計改變時，應(yīng)重新進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置和配電開關(guān)的選型，注意機組保護各項參數(shù)匹配的問題；同時應(yīng)對保險的容量進行相應(yīng)的調(diào)整，以保證供電的穩(wěn)定性。

此次UPS故障分析排查為今后解決類似問題提供了值得借鑒的經(jīng)驗。