淺談火電廠不間斷電源切換試驗

許庭升

（華陽電業有限公司廈門分公司，福建 廈門 361013）

1 UPS切換試驗的目的

在線式交流不間斷電源裝置（以下簡稱UPS）一般由整流器、逆變器、蓄電池組、靜態轉換開關等部件組成，在外部交流輸入電源故障或消失時能維持下游負載供電連續性的電源設備。

國內某沿海7×600MW大型燃煤火力發電廠各機組依設計要求配置2臺及以上在線式UPS，主要為機組80kVA UPS（專供除DCS系統外重要負荷使用）和熱工30kVA UPS（專供DCS系統使用），均采用中達電通產品，型號分別為GESNT80K（80kVA，輸出電壓380VAC、配置200AH蓄電池組）、GES-NT30K（30kVA，輸出電壓220VAC、配置100AH蓄電池組），UPS正常供電模式如圖1所示。這2臺UPS接帶機組重要控制系統負荷如分散式控制系統DCS、重要PLC系統、重要計算機類及其他控制系統等，UPS的可靠安全運行顯得尤為重要，因此電廠專門要求結合各機組定檢須進行各機組UPS切換測試，驗證UPS各項性能完好性，如果發現異常及時排查處理，降低機組運行中突發重要UPS故障風險，保障機組安全運行。

圖1 UPS正常供電模式圖

2 UPS切換試驗及異常處理

UPS試驗前各項準備工作說明如下。1） 由試驗單位人員提交試驗方案給各方并進行技術交底。2） 檢修部門開立發電廠電氣第二種工作票，并經運行部門做好安全措施許可后方可進行。3） 運行部在許可前通知UPS負載各用戶試驗的時間及可能存在短時失電的風險，做好各項風險預防措施。4） 由試驗單位人員將要試驗的UPS主電源輸入電壓、整流器輸出直流電壓、UPS輸出交流電壓、UPS輸出交流電流4個模擬量接入錄波器準備就緒，為便于及時錄波，各步試驗開始指令由試驗單位人員下達給運行人員操作。5）UPS上的操作由運行人員在操作前跟DCS盤上運行監視人員共同確認后操作，并核對UPS操作后的DCS畫面報警信息是否跟現場一致，并做好記錄。6） 記錄UPS輸出各相帶載情況（各相負載電流及百分比）。下面以2021年3號機組定檢時機組80kVA UPS（輸入輸出均為3相4線制）切換試驗為例進行試驗方法說明及相關異常情況分析。

2.1 UPS控制面板上手動切換試驗

圖2 （手動）主電源切換至備用電源

旁路備用電源供電切回至主電源供電試驗：啟動錄在儀器上觀察波形，如圖3所示。UPS切換過程輸出電壓波形連續無間斷，輸出電流波形略有波動、現場設備無相關失電異常、DCS畫面無相關設備失電報警異常，此時UPS送至DCS報警應均復位即無報警。

圖3 （手動）備用電源切回主電源

2.2 自動切換試驗及異常處理

UPS主電源自動切至蓄電組供電：啟動錄波器，斷開UPS主電源開關CB1，整流器停止工作，自動切換至直流側蓄電池組帶逆變器供電，錄波后在儀器上觀察波形，如圖4所示。UPS切換過程輸出電壓和電流波形均連續無間斷，現場設備無相關失電異常、DCS畫面無相關設備失電報警異常，此時UPS送至DCS報警應為：UPS異常、UPS電池供電。

UPS蓄電組供電自動切至旁路備用電源供電及異常處理：接上步，斷開蓄電池組開關CB5，逆變器停止工作自動切換至旁路備用電源供電，因UPS內部DC電容（內有9個3300μF電容）作用，直流DC電壓波形是緩慢下降并影響切換至旁路備用電源前電壓波形的變化，錄波器截圖抓取切換至備用電源前的電壓變化幅值及持續時間（可記錄直流DC電容性能變化趨勢），切換波形如圖5所示。UPS切換過程輸出電壓波形連續無間斷，輸出線電壓峰值由525.6V降至465.5V，換算至相電壓有效值由214.6V降至190.1V（下降-11.4%），持續340.58ms后輸出電壓波形轉為旁路備用電源電壓波形，輸出電流波形略有波動，檢查發現精處理PLC系統出現宕機現象，且DCS畫面報出多條精處理PLC系統相關異常報警，現場及DCS畫面上其他設備無相關失電異常及報警，此時UPS送至DCS報警應為UPS異常、UPS旁路市電供電、UPS電池低電壓。

經排查發現該PLC為早期進口AB-PLC5系列、已投用超20年、電源模塊內的電容等器件可能存在性能下降情形，該電源模塊適應性差（查模塊銘牌僅標明220 VAC），若遇電源電壓波動易引起控制器、I/O模塊宕機。經整改該PLC系統升級更換為進口ControLigx5000新款PLC，配置的電源模塊輸入電壓范圍為120VAC~240VAC，重新進行上述UPS試驗，UPS錄波波形跟上次比較無基本變化，現場設備無相關失電異常。通過該試驗可發現UPS負載設備電源模塊適應性變差等異常。

主電源送電后的UPS自恢復功能試驗：在完成上述切換試驗后，依次合上UPS主電源開關CB1、待UPS直流DC母線電壓恢復后再合上蓄電池組開關CB5，啟動整流器和逆變器，靜態開關STS自動將UPS從旁路備用電源切換至正常逆變器輸出供電。UPS切換過程輸出電壓波形連續無間斷，輸出電流波形略有波動、現場設備無相關失電異常，DCS畫面無相關設備失電報警異常。

3 UPS切換試驗規范要求

上述廠牌UPS切換試驗中在斷開UPS主電源情況下，UPS蓄電組供電自動切至旁路備用電源供電，輸出電壓波形連續無間斷（即切換時間0ms），但出現-11.4%較大瞬時電壓變化，應注意各負載運行情況，其他切換情形輸出電壓波形連續無間斷（即切換時間0ms）且幅值變化較小，符合UPS相關規程、規范以及廠家要求：逆變器供電切換至旁路供電（如圖2~圖5所示，均為0ms）或從旁路供電切換至逆變器供電時輸出電壓波形（如圖3，0ms）測算切換時間小于5ms；主電源切換至蓄電池供電的切換時間符合0ms要求（如圖4，0ms）。結合標準、規范、廠家資料及參考文獻，說明如下。

圖4 （自動）主電源切至蓄電池

圖5 （自動）蓄電池切至備用電源

根據《DLT 5491-2014電力工程交流不間斷電源系統設計技術規程》（第2.0.7、2.0.10及9.3.1條）和《GB50660-2011大中型火力發電廠設計規范》（第16.4.11條）相關UPS要求，逆變器供電切換至旁路備用電源供電的電子快速轉換開關切換時間不應大于5ms（1/4周波），切換時間指從逆變器供電切換至旁路供電或從旁路供電切換至逆變器供電所需要的時間。

根據《YD/T 1095-2018 通信用交流不間斷電源（UPS）》相關UPS要求（第4.3.14），通過示波器UPS輸出電壓波形變化情況測量切換時間：在線式UPS主電源切換至蓄電池切換時間要求在0ms；容量大于10kVA通信類UPS要求逆變器與旁路電源間切換時間要小于4ms，要求高于火電廠設計規范5ms標準。

通過聯系廠家了解到該型號UPS實測信息為主電源與蓄電池之間供電切換時間均為0ms（廠家標準要求小于4ms；主電源輸入為額定電壓且負載率為50%情況下測試，現場測試該情形比較難模擬）；逆變器切旁路備用電源供電切換時間為0.64ms（廠家標準要求小于4ms）、旁路備用電源切逆變器供電時間為0ms（廠家標準要求小于4ms）。

通過查詢相關參考文獻，在線式UPS在主電源供電和蓄電池供電情況下，都是將上述上級電源電壓轉為中間直流DC電壓，且UPS內部正常均配置有較大的多個DC直流電解電容，因此UPS一般主電源與蓄電池之間切換時間均為0ms。當逆變器轉旁路備用電源時，在線式UPS輸出電壓波形一般不會有斷點，但輸出電壓波形幅值會有瞬時變化，測試時可采用手動控制切換至旁路（如圖5切換方式）或者模擬超載，不應采用關斷逆變器方式切換至旁路。當旁路備用電源轉逆變器供電時，相當于UPS內部逆變器突然加載，UPS輸出電壓波形可能會有約±10%的變化。

4 結語

上述電廠機組UPS切換試驗方法及注意事項還需要在后續實踐過程中不斷持續修正和完善，試驗過程盡量多抓取輸入及輸出電壓、輸出電流波形變化幅值及持續時間，并建立好各臺UPS歷次切換試驗報告臺賬（附錄波波形相關數據分析）。同時也有利于UPS針對性保養，如分析切換過程中UPS直流電壓及輸出電壓幅值和持續時間變化情況，側面表征出UPS切換性能的變化趨勢，同時提醒設備保養人員加強UPS內部DC電解電容定期性能測試及更換、冷卻風扇等部件定期更換、內部清灰等定保措施，這一項目建議委托專業設備廠家執行，以及后續適時進行UPS汰舊更新升級等。另外UPS切換試驗盡量采用具備存儲功能的錄波型儀器，便于試驗后數據快速分析并節省測試時間。