一起雙機并聯UPS同時失電故障分析

謝向楠

（河南省中原大化集團有限責任公司，河南濮陽 457000）

0 引言

隨著化工裝置自動化水平的不斷提高，DCS控制系統應用越來越廣泛，涉及化工生產的各個操作環節，DCS控制系統的可靠運行成為化工安全生產的重要保障，因此為DCS供電的UPS電源的重要性愈加凸顯。近年來，我國把自動化控制系統未設置不間斷電源定義為化工行業重大隱患，化工裝置也更加重視UPS電源的配置，多采用雙機或多機并聯的冗余式結構，以期確保供電安全可靠。本文針對一套雙機并聯UPS電源系統，在外部環境、設計缺陷、設備缺陷等多個因素影響下，導致DCS系統失電的故障，通過找出問題根本原因，提出了預防故障再次發生的方法，以保障裝置后續安全穩定運行。

1 低壓變電所及UPS運行方式

1.1 低壓變電所運行方式

該化工裝置主要負荷為一、二級重要負荷，變電所進線采用雙重電源進線，每條進線都能帶本裝置全部負荷穩定運行。詳細情況如圖1所示，變電所電壓等級為0.4 kV，1#進線帶PMCC1 段，2#進 線 帶PMCC2段，母聯分段，母聯備自投投入。事故段采用雙電源自動投切裝置，其中，正常電源來自本所市電PMCC2-6-F抽屜，應急電源來自事故發電機，發電機有功負載300 kW。事故段正常時由市電供電。

圖1 變電所系統單線示意圖

1.2 UPS連接方式

UPS采用冗余式雙機并聯的連接方式，如圖2所示。UPS主機兩臺，型號與容量相同，均是30 kVA，單臺主機能獨立承擔負載所需容量；1#主機主路市電來自本所低壓一段PMCC1-7-A抽屜，2#主機主路市電來自本所低壓二段PMCC2-8-D抽屜；兩臺主機共用旁路電源引自本所穩壓電源柜，穩壓電源柜電源引自本所事故段事故電源1-F抽屜；兩臺主機輸出經并聯接入UPS輸出柜母排，經饋線開關分配給負載用戶（主控DCS機柜）；兩臺主機分別由一組電池組提供后備時間，其中1#電池組接入1#UPS，2#電池組接入2#UPS。

圖2 UPS雙機并聯一次接線示意圖

1.3 UPS運行方式

正常工作時，兩臺UPS分別由各自的主路市電供電，經整流逆變后經輸出柜共同承擔負載用電，兩臺UPS通過跟蹤監測共用旁路電源的電壓及頻率實現同步輸出，此時電池處于浮充狀態。

當其中一臺UPS主路失電時，主路失電UPS由電池放電保持直流母排電壓，經逆變后與另一臺UPS共同承擔負載用電。如果在電池后備時間耗盡前主路市電恢復，則自動恢復至正常工作方式，并給電池充電。如果電池后備時間耗盡，主路市電仍未恢復，則UPS因母線電壓低關機，全部負荷由另一臺UPS承擔。

當兩臺UPS主路同時失電時，兩臺主機均由電池放電保持直流母排電壓，經逆變共同承擔負荷。在電池后備時間耗盡前，其切換方式與單機主路失電相同，可以實現電池與主路市電供電方式的切換。如果電池后備時間耗盡，則自動切換至旁路供電，不再經過主機整流和逆變，此時如需切換至主路供電或電池供電方式需手動操作。

即正常工作的UPS，當出現外網市電異常時，優先切換電池供電模式，當且僅當所有市電電源和電池電源均不滿足電壓需要時，UPS才會切換至旁路模式[1]。

2 事故描述

2.1 事故經過

某年6月14日凌晨00：03，主控DCS突然失電。接主控通知后，電氣值班員初步判斷發生晃電事故，立即檢查供電系統并通知當班領導。

凌晨00：10，電氣值班員檢查確認供電系統運行狀態為：0.4 kV低壓兩條進線分段運行，母聯分段，母聯備自投投入，低壓供電系統在正常運行狀態。此時主控傳來消息DCS供電仍然沒有恢復。繼續檢查UPS電源，發現兩臺UPS液晶屏顯示“旁路逆變均不供電”，兩臺UPS主機均處于停機狀態。通過萬用表測量UPS主路供電正常，電氣值班員立即通過鍵盤開機，按壓UPS面板上“逆變啟動”鍵，UPS恢復“主路逆變供電”，此時DCS恢復供電。經進一步檢查，發現UPS主機旁路開關上側無電壓，旁路穩壓電源柜無饋線輸出，手動啟動后UPS故障報警消除。值班員繼續恢復其他受晃電影響設備。

2.2 事故中的異常現象

兩臺UPS在0.4 kV供電系統正常運行狀態下同時報主路電源不供電；主路電源丟失后，蓄電池沒有正常投入；旁路電源同主路電源同時丟失，UPS沒有切換至旁路供電。

3 事故原因分析

3.1 通過事故中的異常現象分析事故原因

（1）并聯的兩臺UPS為何在0.4 kV供電系統正常運行狀態下同時報主路電源不供電？

經事后調查了解到當天外電網存在兩項非正常運行狀態：一是當天因外電網檢修需要，本所的兩條進線由外電網一臺主變壓器供電，這就造成本所當天不再滿足雙重電源供電條件，一旦外網主變壓器饋線電壓波動，就會造成本所兩條進線電壓同時波動；二是當天突發惡劣天氣，查后臺保護故障記錄，共有晃電記錄12次，壓降幅度在30%～80%。

根據以上記錄，判斷當天動作過程為：該變電所兩條進線同時發生晃電，兩條進線的低電壓繼電器同時向母聯備自投發出低電壓信號，當母聯備自投同時接到兩個進線的低電壓信號時，母聯備自投處于閉鎖狀態，不會完成投切。晃電過程結束后，變電所兩段母線隨外網電壓恢復供電，繼續保持正常工作方式。在這一過程中，因主路電壓下降，兩臺UPS同時切換至電池逆變供電[2]。

（2）蓄電池為何沒有正常投入？

經查，UPS所使用的電池為每組30節，共兩組，采用的是某廠家6-GFM-65AH-12V型免維護鉛酸蓄電池。該電池于兩年前在一次UPS維修過程中更換，在當年冬季大修的蓄電池考核中，考核結果合格。

在事故發生后對蓄電池的檢查中，在連接UPS的浮充狀態下，兩端電壓400 V，單節蓄電池電壓均在13 V，符合設計要求。斷開UPS連接，測兩端電壓400 V，單節蓄電池電壓均在13 V，同樣符合設計要求。但是當接通試驗負載后，整組蓄電池發電電流為0 A，即蓄電池存在內部開路，整組蓄電池沒有帶負載能力，無法保持UPS直流母線電壓，不能實現UPS電池供電功能。

UPS動作過程為：當兩臺UPS由主路逆變供電模式切換到電池逆變供電模式后，因電池無法保持直流母線電壓，UPS逆變器停機，按照動作邏輯切換旁路供電模式。

（3）UPS為何沒有切換至旁路供電？

一是檢查旁路穩壓柜上側線路，發現事故段雙電源切換裝置處在正常工作狀態，指示燈指示正常，上側線路未發現動作現象。經試驗，雙電源切換裝置能夠正常完成切換。因此，判斷晃電時事故段電壓隨市電電壓波動。二是檢查旁路穩壓柜（圖3），發現穩壓柜啟動接觸器（KM）線圈控制電源來自市電，正常啟動后靠自保持接點保持主路接點閉合。晃電時因電壓下降，造成接觸器釋放，自保持接點斷開，且穩壓柜未設置自啟動回路，事件過程中最終是由電氣值班員手動啟動旁路穩壓柜。

圖3 旁路穩壓柜接線原理圖

動作過程為：在UPS檢測到主路失電的同時，穩壓電源柜內因市電電壓低，KM接觸器釋放，此時兩臺UPS已經檢測不到旁路電源電壓，因此UPS無法切換到旁路供電，最終兩臺主機報“旁路逆變均不供電”信息。雖然此后隨著晃電過程的結束，主路市電恢復，但是由于逆變器啟動需人為手動操作，兩臺UPS電源就保持停機狀態，并造成DCS較長時間的停電。

3.2 事故直接原因

在外電網檢修期間，惡劣天氣造成本所兩條進線同時發生多次晃電。UPS因主路與旁路電壓波動，自動轉換至電池逆變供電模式。本應為UPS提供后備時間的電池組，因質量問題不具備帶負載能力，造成UPS關機，主控DCS機柜失電[3]。

3.3 事故間接原因

3.3.1 未能提前發現蓄電池已開路

事故發生的上一年度，受裝置運行周期影響，蓄電池未停機考核，沒能及時發現電池組的故障。

3.3.2 旁路穩壓柜存在設計缺陷

穩壓電源作為最后的備用電源，其回路應當時刻保持閉合。主回路上元器件應盡量精簡，不需要復雜控制，只需配置必要的過流保護功能。在本次事故中，旁路穩壓電源柜中接觸器的設計造成了UPS旁路電源丟失，屬于設計缺陷[4]。

4 改進建議及事故隱患整改前后對比

4.1 改進建議

一是拆除旁路穩壓柜中接觸器及其啟動回路，并將旁路穩壓柜進線斷路器下側電纜直接連接至原接觸器下側回路，由進線斷路器直接控制穩壓柜的啟停。二是鑒于該蓄電池組的重要性，采購時選擇國內一線品牌，并要求生產廠家具備該系列蓄電池的泰爾認證；同時，增加蓄電池在線巡檢儀。三是要求對于雙機并聯UPS，即使在裝置正常生產期間，也要交替將蓄電池退出進行檢測。

4.2 事故隱患整改前后對比

隱患整改后，UPS可靠性得到提升。其中在某年冬季檢修期間，因保護調試造成本所兩條進線同時失電約5 min，UPS仍能夠正常供電，DCS系統未受停電影響。

5 結論及建議

通過本次事件，得到以下三點教訓：一是不可因應急設備日常處于備用狀態而忽略其維護，要針對這類設備，建立合理的定期試驗和檢測周期，保證其全部功能正常，使其能夠在裝置異常狀態下避免發生重大安全事故；二是電氣設備的全壽命周期需要被重視，各行各業應充分考慮自身電氣設備使用狀況，估算符合實際的電氣設備周期壽命，定期完成設備更新；三是在新建、改建、擴建項目初期，要重視圖紙審核環節，避免旁路穩壓柜這種設計缺陷給后期生產造成損失。

最后，建議電氣設備更多采用在線監控設備代替人工巡檢，應用信息化思維，減少人為因素影響，以提高電氣設備的穩定性。