雙UPS并機直流母線過壓故障研究

廖百睿，劉鹍鵬，江梁智，孫曉偉，易炳強

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510415）

不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）在城市軌道交通信號系統(tǒng)中應用廣泛，為各類信號設備提供穩(wěn)定可靠的、不間斷的電源。隨著城市軌道交通發(fā)展，信號系統(tǒng)電源設備逐漸向著雙UPS冗余設計方向發(fā)展。但既有線路信號電源大多為單UPS 設計，一旦UPS 發(fā)生故障，將導致全部負載設備斷電，廣州地鐵6 號線曾因此導致大面積晚點。

2018 年，為了提高信號系統(tǒng)電源可靠性，在廣州地鐵6 號線海珠廣場站和天平架站進行了UPS 并機改造，在原來1 套UHA3R-0160L 小型UPS 和蓄電池組的基礎上新增1 套同型號的UPS 和蓄電池組，實現(xiàn)雙UPS 并機供電。然而改造完成后，海珠廣場站UPS 頻繁發(fā)生故障，給信號系統(tǒng)供電帶來了較大隱患。

1 雙UPS并機實現(xiàn)方式

海珠廣場站原信號電源系統(tǒng)包括1 套電源屏、穩(wěn)壓器，1 臺UHA3R-0160L 小型UPS 和1 組蓄電池。并機改造增加1 套相同型號UPS 及1 組蓄電池組，與原UPS 做1+1 并機冗余輸出。2 臺UPS 主路輸入、旁路輸入同源，保證了并機系統(tǒng)轉旁路工作時，每個UPS 的輸出電源、頻率和相位仍為同步。旁路輸入前級接1 臺穩(wěn)壓器提供穩(wěn)定電壓。輸出端并聯(lián)接入電源屏端子。改造后的系統(tǒng)設計如圖1 所示。

圖1 UPS并機改造系統(tǒng)Fig.1 System diagram of transformation into UPS parallel operation

另根據(jù)UPS 技術資料要求，每臺UPS 必須加配外部輸入空開和外部輸出空開。于是在設備房墻面增加了1 套電源空開箱，將2 臺UPS 輸入、輸出空開和蓄電池組空開放置在空開箱內，重新布放了配線電纜，如圖1 所示。

并機邏輯控制電路采用平均電流法設計方式，通過并機線連接在2 臺UPS 并機邏輯控制電路的接口端。并機邏輯控制電路采集到兩UPS 逆變器輸出參數(shù)差值信號后進行比對，再對各自的UPS 逆變器進行微調，使輸出參數(shù)保持同步。正常情況下2臺UPS 主路逆變供電，各自承擔50%的系統(tǒng)負載。單臺UPS 故障不影響系統(tǒng)供電，故障的UPS 自動退出并機系統(tǒng)，負載由另一臺UPS 繼續(xù)供電。故障消除后，人工手動開啟逆變器，2 臺UPS 恢復并機工作狀態(tài)，如表1 所示。

表1 并機工作邏輯Tab.1 Working logic of UPS parallel operation

2 廣州地鐵6號線并機故障

2.1 故障概述

2018 年3 月2 日，海珠廣場站UPS 故障報警，現(xiàn)場檢查UPS1 停止工作，UPS2 工作正常。UPS1顯示告警內容：直流母線過壓、整流器故障、電池變換器故障、均不供電。此后海珠廣場站UPS1 和UPS2 頻繁發(fā)生故障，無任何規(guī)律，現(xiàn)象和告警內容均與3 月2 日首次故障一致。發(fā)生故障后，人工按壓UPS 主機的故障消除按鈕，重新開啟逆變器，UPS 可以恢復正常工作。

2.2 故障排查及處理情況

2018 年至2021 年3 年，海珠廣場站UPS 同類故障多次出現(xiàn)。故障發(fā)生周期長短不一，有的相隔數(shù)天，有的相隔數(shù)周、數(shù)月。為解決故障，對所有涉及并機改造的設備、線纜進行了逐一檢查、排除，故障沒有消除。處理情況如表2 所示。

表2 故障排除處理情況Tab.2 Disposal results of troubleshooting

此外對比了同樣實施改造但無一故障的天平架站，查找可疑問題點。除房間內設備布局不同，兩站實施改造的系統(tǒng)結構設計一致，使用的設備、線纜、空開型號一致，輸入電源和輸出負載設備一致。未發(fā)現(xiàn)兩站改造存在明顯差異。

2.3 故障原因分析

根據(jù)故障告警信息“直流母線過壓、整流器故障、電池變換器故障、均不供電”，首先判斷故障關鍵點在于直流母線過壓。直流母線的電壓指的是當交流輸入電網(wǎng)正常時，由交流輸入電網(wǎng)經(jīng)過整流器變換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入源。當交流輸入電網(wǎng)發(fā)生故障或者無法提供足夠的能量時，UPS 的輸入電源由交流輸入電網(wǎng)切換至蓄電池組供電。蓄電池組經(jīng)過放電器轉換為直流母線電壓，作為逆變器的輸入。由于整流器、逆變器、電池變換器均接在直流母線上，當UPS 檢測直流母線異常后，設備內部軟件邏輯認為整流器、逆變器和電池變換器存在異常，所以產(chǎn)生上述報警信息并停止輸出。再結合故障后可以重新開啟逆變器恢復正常工作的情況，分析直流母線電壓為瞬時異常，當直流母線電壓恢復正常，UPS 可恢復正常工作。

為進一步判斷故障位于UPS 前級或者后級，在2 臺UPS 的輸入端和輸出端分別加裝1 組電流傳感器，共加裝了4 組，監(jiān)測發(fā)生故障時2 臺UPS 三相電流變化情況。隨后通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了電流異常情況。并機正常工作時，UPS 輸出端三相電流經(jīng)常發(fā)生突變，在監(jiān)測曲線上形成向上尖峰；在故障發(fā)生時，輸出端電流波動變得劇烈，而UPS 輸入端電流從始至終無明顯變化，如圖2 所示。

圖2 故障時輸出端電流曲線Fig.2 Current curve at output end during failure

經(jīng)過一段時間的UPS 輸出電流監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)UPS 輸出端電流出現(xiàn)尖峰時間與故障的發(fā)生時間具有很強的關聯(lián)性。同時輸出端電流變化也為瞬時變化，與直流母線電壓瞬時異常的情況相吻合，判斷UPS 輸出端電流瞬時尖峰變化是引起直流母線過壓的原因。由于前期已經(jīng)嘗試替換UPS 主機硬件，可排除UPS 整流器、逆變器和電池變換器等內部硬件問題，將故障原因基本鎖定在UPS 輸出端外部環(huán)境。

通過仔細檢查UPS 輸出端配線及負載設備情況，發(fā)現(xiàn)海珠廣場站2 臺UPS 輸出電纜長度存在差異，UPS1 電纜長度3.3 m，UPS2 電纜長度3.7 m，而天平架站2 臺UPS 輸出電纜長度相當。查閱相關資料，多臺UPS 并機時，輸入/輸出電纜的截面積和長度應盡量相同，以提高UPS 工作均流程度。均流是指2 臺UPS 并機運行時，需要確保UPS 中逆變器輸出電壓的幅值、相位以及頻率保持同步，給負載均流供電。而UPS 內部功率元器件的差異、采集采樣電路元件差異、兩逆變器輸出端連接電纜的等效電阻差異都會影響并機系統(tǒng)均流效果，產(chǎn)生并機環(huán)流。并機環(huán)流導致了2 臺UPS 逆變器所輸出的電流不是全部流向負載，而會有部分電流在2 臺UPS 逆變器之間流動。較大的環(huán)流會沖擊其中一臺UPS，造成設備過載。

海珠廣場站施工放纜時，考慮設備布置以及電纜余量，在靜電地板下對電纜進行了盤圈處理。在隨后故障處理換纜時，亦未關注雙機輸出電纜的長度要求。所以布放的電纜僅滿足技術資料中關于截面積的要求，未考慮電纜長度的一致性。因此，海珠廣場站UPS 并機后頻繁發(fā)生直流母線過壓等故障告警，原因在于2 臺UPS 輸出電纜長度不一致引起的逆變器等效阻抗差異，造成并聯(lián)系統(tǒng)模塊之間產(chǎn)生較大環(huán)流。

3 故障解決方案

抑制環(huán)流有以下措施。

1）控制兩逆變器輸出端至電源屏的連接電纜的等效電阻，保證逆變器的等效阻抗相同。

2）控制2 臺UPS 并機逆變器輸出電壓的差值。

因此海珠廣場站采取以下解決方案。

1）替換UPS 輸入/輸出電纜。2 臺UPS 的輸入和輸出電纜都采用最高等級WDZAN 型號電纜，逆變器輸出側至電源屏端子之間的電纜截面積和長度相同。

2）重新調校UPS 逆變輸出參數(shù)。更換電纜后，對逆變器輸出電壓、頻率和幅值參數(shù)進行調校，盡量保證2 臺UPS 逆變器輸出電壓一致。

經(jīng)過以上整改后，海珠廣場站2 臺UPS 供電系統(tǒng)運行至今近1 年的時間，未再發(fā)生直流母線過壓等故障告警。通過監(jiān)測觀察2 臺UPS 輸出端電流曲線，亦未再出現(xiàn)尖峰變化，可以確定故障已經(jīng)解決。

4 總結

海珠廣場站UPS 故障的根本原因是2 臺UPS輸出電纜長度不同帶來等效阻抗差異，在UPS 間產(chǎn)生并機環(huán)流，造成UPS 過載。通過本次故障處理得到的經(jīng)驗是：

1）并機環(huán)流是UPS 并機系統(tǒng)中的重大隱患，在后續(xù)并機改造工作中應當引起重視。

2）為避免產(chǎn)生環(huán)流問題，實現(xiàn)并機均流供電，在并機系統(tǒng)安裝調試階段，一方面要調校UPS 輸出參數(shù)，將逆變器輸出電壓差控制在最小范圍；另一方面輸入/輸出電纜的型號、截面積應該符合技術資料要求，UPS 輸出端至電源屏的電纜長度應盡量相等。