對(duì)一起UPS后級(jí)儀用電源板大面積失效現(xiàn)象進(jìn)行分析

UPS作為不間斷電源已經(jīng)廣泛用于化工、交通、鐵路、電廠、變電站、冶金、核電站、移動(dòng)通訊、控制設(shè)備及其緊急保護(hù)系統(tǒng)等各行各業(yè),它用于給計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或電子儀器儀表設(shè)備如:各類變送器、電磁閥等提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源供應(yīng)。UPS電源系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成:進(jìn)行AC/DC變換的整流部分、進(jìn)行DC/AC變換的逆變部分、逆變和旁路輸出切換電路以及儲(chǔ)能蓄電池部分。UPS作為一種特殊的電力電子產(chǎn)品,由于其獨(dú)特的電路特性,在一些異常供電情況下,會(huì)對(duì)前級(jí)供電電路和后級(jí)負(fù)載產(chǎn)生影響。本文對(duì)一起UPS后級(jí)儀用電源板大面積失效現(xiàn)象進(jìn)行分析,找出原因,以減少類似事件給生產(chǎn)帶來(lái)的損失。

故障現(xiàn)象

某公司儀表機(jī)柜間的原料預(yù)處理裝置SIS、動(dòng)力站SIS和發(fā)電機(jī)組CCS主機(jī)架及擴(kuò)展機(jī)架上,6塊由1#UPS供電的所有儀表電源卡件失效,對(duì)應(yīng)上一級(jí)供電電源空氣開(kāi)關(guān)跳閘,直流電源板輸出全部消失。事故后,檢查發(fā)現(xiàn)儀表內(nèi)部的6塊電源卡件的壓敏電阻MOV1有放電痕跡。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查,給儀用設(shè)備供電的UPS為三相380VAC輸入,220VAC單相輸出。其輸出220VAC采用不接地方式。正常情況下,UPS輸出的L、N對(duì)大地PE都為110VAC。圖1是儀表系統(tǒng)電源卡件的電路原理圖。　

　　事故發(fā)生后,經(jīng)與儀表設(shè)備供應(yīng)商聯(lián)系,設(shè)備商給出如下意見(jiàn):　　

　　給儀表設(shè)備供電AC220V方式需要用TN-S系統(tǒng)。由于UPS的輸出未采用TN-S系統(tǒng)方式接地,是儀表設(shè)備的電源板燒壞的原因。當(dāng)電源輸入端對(duì)地電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，N端、L端電壓就會(huì)升高,引起壓敏電阻擊穿，發(fā)生短路電流并導(dǎo)致電源空開(kāi)跳閘?！?/p>

　　這個(gè)結(jié)論是否準(zhǔn)確呢?我們來(lái)接著分析。

交流電源AC220V的幾種供電方式

交流電源AC220V的幾種供電形式有:

1**不考慮一次側(cè)的接線方式,單相AC220V有幾種接線方式 **

　　圖2中,L1對(duì)地電壓為AC220V,N對(duì)地0V。滿足單相AC220VTN-S系統(tǒng)供電要求。

　　圖3中,L1、L2對(duì)地電壓為0,L1、L2之間電壓為AC220V。滿足單相AC220V的IT系統(tǒng)供電要求。

　　圖4中,L1、L2對(duì)地電壓各為110AC,L1-L2之間輸出220VAC。滿足單相220VACTT系統(tǒng)供電要求。

　　圖5中,L1、L2對(duì)地電壓各為110AC,L1-L2之間輸出220VAC。滿足單相220VACTN-S系統(tǒng)供電要求。

　　圖6中,不考慮一次側(cè)的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓220VAC,不能輸出相電壓。滿足三相或單相負(fù)載220VACIT供電要求。

　　圖7中,不考慮一次側(cè)的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓220VAC,不能輸出相電壓。滿足三相或單相負(fù)載220VACTN-S供電要求。

　　圖8中,不考慮一次側(cè)的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓380VAC,對(duì)N線輸出220VAC。滿足380/220VAC負(fù)載TT供電要求。

　　圖9中,不考慮一次側(cè)的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓380VAC,對(duì)N線輸出220VAC。滿足380/220VAC負(fù)載TN-S負(fù)載供電要求。

2TN-S接地系統(tǒng)

　　國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)工程供電系統(tǒng)作了統(tǒng)一規(guī)定,統(tǒng)稱為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。其中TN系統(tǒng)又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統(tǒng)。

　　其中TN-S方式供電系統(tǒng)是把工作零線N和專用保護(hù)線嚴(yán)格分開(kāi)的供電系統(tǒng),稱作TN-S供電系統(tǒng),其原理圖見(jiàn)圖10。TN-S供電系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

1

系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),專用保護(hù)線上沒(méi)有電流,只是工作零線上有不平衡電流。PE線對(duì)地沒(méi)有電壓,所以電氣設(shè)備金屬外殼接零保護(hù)是接在專用的保護(hù)線PE上,安全可靠;

2

工作零線N只用作單相負(fù)載回路或流過(guò)三相不平衡電流;

3

專用保護(hù)線PE不許斷線,也不許進(jìn)入漏電開(kāi)關(guān);

4

干線上使用漏電保護(hù)器,工作零線不得有重復(fù)接地,而PE線有重復(fù)接地,但是不經(jīng)過(guò)漏電保護(hù)器,所以TN-S系統(tǒng)供電干線上也可以安裝漏電保護(hù)器;

5

TN-S方式供電系統(tǒng)安全可靠,適用于工業(yè)與民用建筑等低壓供電系統(tǒng)。

故障分析

1濾波電容與壓敏電阻承壓分析

根據(jù)圖1電源板原理圖可知:

1

當(dāng)UPS輸出不接地,即采用圖3、圖6、圖7供電方式時(shí)。

圖1中的O1點(diǎn)接地,是零電位。電容器F1、F2需承受110V電壓,F3承受220V電壓,壓敏電阻MOV1、MOV2各承受110V的電壓,壓敏電阻MOV3承受220V電壓。這也解釋了現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)正常時(shí),測(cè)得L-PE之間、N-PE之間都有110V電壓的原因。

2

當(dāng)UPS輸出接地即采用圖4、圖5、圖9(符合TN-S)兩種接地供電方式。和4.1一樣,電容器F1、F2需承受110V電壓,F3承受220V電壓,壓敏電阻MOV1、MOV2各承受110V的電壓,壓敏電阻MOV3承受220V電壓。

3

當(dāng)UPS輸出接地,即采用圖2、圖8(符合TN-S)供電方式時(shí)?！?/p>

　　圖1中的O1點(diǎn)接地,是零電位。電容器F1將承受220V電壓,F2承受0V電壓,F3仍然承受220V電壓,MOV1承受220V電壓,MOV2不承受電壓,MOV3仍承受220V電壓,電容F1和MOV1極易出現(xiàn)承載過(guò)壓而燒毀?！?/p>

　　上述分析可知,如果采用了圖2、圖8(符合TN-S)供電形式,將使得電容F1和壓敏電阻MOV1容易燒毀。若采用圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖9(符合TN-S)供電形式,均不易出現(xiàn)本文電源板的故障現(xiàn)象。所以供電形式是否采用TN-S系統(tǒng)不是導(dǎo)致故障的關(guān)鍵原因。但通過(guò)分析可以初步判定:UPS在運(yùn)行過(guò)程中,接地條件發(fā)生改變,造成后級(jí)電源板元器件燒壞。

22#UPS記錄到的瞬時(shí)失電現(xiàn)象

　　經(jīng)過(guò)對(duì)原始記錄的進(jìn)一步提取,我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象,即與1#UPS同時(shí)工作的2#UPS供電的SIS內(nèi)電源卡件記錄了瞬時(shí)的失電現(xiàn)象。UPS1、UPS2當(dāng)時(shí)都自動(dòng)切換到了旁路供電。UPS1后級(jí)儀用電源燒壞,UPS2后級(jí)儀用電源正常。UPS1、UPS2輸出都沒(méi)有接地,滿足圖1的要求,MOV1、MOV2各承受110V的電壓,MOV3承受220V電壓。當(dāng)UPS1切旁路后,旁路電源的N線接地,這樣供電方式可能從原圖3、4、5轉(zhuǎn)變成了圖2供電形式(現(xiàn)場(chǎng)使用的三相輸入單相輸出UPS),故F1承受220V電壓,F2承受0V電壓,F3仍然承受220V電壓,MOV1承受220V電壓,MOV2不承受電壓,MOV3仍承受220V電壓,MOV1燒毀。2#UPS切換后回路正常工作。

　　故對(duì)UPS1的旁路系統(tǒng)的接線，特別是中性線和接地線進(jìn)行認(rèn)真復(fù)核檢查是本次故障的關(guān)鍵。根據(jù)這個(gè)思路，我們發(fā)現(xiàn)UPS1的旁路變壓器輸出N線的確接地，如圖11所示，證實(shí)了我們的分析結(jié)果。

3UPS應(yīng)用中的需重視的問(wèn)題

　　UPS的輸出電壓是AC220V,0V;或AC110,AC110V。這個(gè)值在物理量中是電壓有效值,最大的峰峰電壓可能達(dá)到1000V或以上。這是因?yàn)閁PS內(nèi)部有大功率晶體管如GTR或絕緣柵雙極型晶體管IGBT,其輸出多是SPWM電壓波形,斬波會(huì)生成尖峰電壓(L×di/dt),其峰峰電壓值會(huì)達(dá)到1000V或以上。在UPS跳轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行后,接地條件突然改變,加在壓敏電阻和濾波電容上的最大電壓值會(huì)提升數(shù)倍,這樣它們燒壞就不奇怪了。故UPS輸出的后端,建議加輸出隔離變壓器,以減小電壓峰峰毛刺對(duì)于后級(jí)負(fù)載的影響。

結(jié) 論

　　UPS不間斷電源作為一種特殊的電力電子供電設(shè)備雖然得到了廣泛應(yīng)用,然而對(duì)于與UPS一起工作的前后級(jí)電氣設(shè)備、用電負(fù)載、系統(tǒng)接地等綜合應(yīng)用問(wèn)題,各行業(yè)根據(jù)自身的一些特點(diǎn)和要求提出一些技術(shù)條件和運(yùn)行規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn),但這些技術(shù)條件規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)并不完全統(tǒng)一,有時(shí)甚至完全矛盾,這需要我們從事電氣的工作者,能夠全面深入了解實(shí)際應(yīng)用的電氣、UPS、后級(jí)儀用設(shè)備、接地的供電系統(tǒng)特點(diǎn),進(jìn)行具體問(wèn)題具體分析,提出符合實(shí)際需要的運(yùn)行和接線方式,以保證供電系統(tǒng)運(yùn)行的安全和可靠性。

附部分國(guó)家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)UPS接地方式的要求說(shuō)明：

1**關(guān)于UPS二次側(cè)輸出能否接地問(wèn)題 **

　　參考DL/T5136-2012《火力發(fā)電廠變電所二次設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第10.2.15條規(guī)定:配電系統(tǒng)可采用不接地方式,也可采用接地方式,根據(jù)熱工系統(tǒng)對(duì)電源要求確定。條文解釋如下:“采用不接地的系統(tǒng)可以提高重要用電設(shè)備的供電可靠性,釆用接地系統(tǒng)可以滿足某些DCS廠家對(duì)交流電源接地的要求,并減少零地電壓?！?/p>

　　“UPS主電路有各種接法,UPS為接地方式時(shí):當(dāng)旁路帶隔離時(shí),進(jìn)線N線與UPS輸出N線電氣隔離,因此輸出N線與PE線連接,并與共用接地系統(tǒng)相連,UPS之后仍為接地系統(tǒng);當(dāng)旁路無(wú)隔離時(shí),進(jìn)線N線與UPS輸出N線直接金屬連接,因此UPS輸出N線不應(yīng)再接地,UPS之后仍為接地系統(tǒng)?！?/p>

　　“UPS輸出N線是否需要接地,應(yīng)根據(jù)UPS的接線形式、可靠性等,并綜合考慮熱工系統(tǒng)對(duì)電源的要求確定是否接地。現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.10條的條文說(shuō)明“當(dāng)零地電壓不滿足負(fù)載的使用要求時(shí)（一般零地電壓應(yīng)小于2V）,應(yīng)采取措施,降低零地電壓”。經(jīng)過(guò)調(diào)查,部分DCS廠對(duì)交流220V電源有接地要求,如ABB,FOXBORO公司;部分DCS廠對(duì)此無(wú)要求。當(dāng)DCS電源需要零線接地時(shí),可以將UPS配電系統(tǒng)零線接地或在DCS增加隔離變壓器,將隔離變壓器二次側(cè)接地實(shí)現(xiàn)。采用不接地系統(tǒng)可以減少停電次數(shù),有利于提高供電的可靠性,如國(guó)內(nèi)CPR1000堆型核電廠明確UPS系統(tǒng)采用不接地系統(tǒng),并設(shè)置絕緣監(jiān)察裝置在一點(diǎn)接地時(shí)報(bào)警。采用接地系統(tǒng)可以降低零地電壓,滿足部分設(shè)備對(duì)電源的要求。另外,當(dāng)熱工電源為一路不接地、一路保安電源接地時(shí),某些快速電源切換回路,不能正確監(jiān)測(cè)兩側(cè)電壓造成切換失敗,這種情況也可考慮采用接地方式。”

　　根據(jù)上述解釋,《中國(guó)石化生產(chǎn)裝置過(guò)程控制儀表供電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定》規(guī)定“UPS輸出裝置中性點(diǎn)不接地”和《石油化工儀表接地設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH-T3081-2003)規(guī)定“控制室用電應(yīng)采用TN-S系統(tǒng)”,對(duì)UPS接地方式的要求都是片面的。

　　當(dāng)UPS負(fù)載為單相負(fù)載時(shí),三相輸出380/220V的UPS就不能采用中性點(diǎn)不接地方式。當(dāng)380V/220V三相輸出UPS采用中性點(diǎn)不接地方式時(shí),正常情況下,只要中性點(diǎn)即N線的電位不超標(biāo),UPS的220V負(fù)載能夠正常運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生一相如

　　A相接地故障時(shí),非故障的B、C兩相對(duì)N線電壓由220V升高為線電壓380V,此時(shí)接在B-N和C-N之間的220V負(fù)載全部燒毀。

　　因此,UPS輸出中性點(diǎn)不接地方式只適用于單相輸出的UPS或只有380V負(fù)載。

2UPS交流輸入、輸出兩側(cè)是否設(shè)隔離變壓器的問(wèn)題

　　DL/T5136-2012《火力發(fā)電廠變電所二次設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》第10.2.15條規(guī)定:UPS交流輸入、輸出兩側(cè)應(yīng)裝設(shè)隔離變壓器。條文解釋如下:

1

由于隔離變壓器的副邊繞組采用Y型接法,中性點(diǎn)接地后產(chǎn)生新的零線,從而降低零地電壓。

2

輸出隔離變壓器可以濾除負(fù)載端的大量的低次諧波,減少高頻干擾,并可以使高次諧波大幅度衰減。

3

增強(qiáng)過(guò)載短路保護(hù)能力,隔離安全負(fù)載。UPS在正常工作過(guò)程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會(huì)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì),延緩短路電流對(duì)負(fù)載以及逆變器的沖擊破壞,達(dá)到保護(hù)負(fù)載與UPS主機(jī)的作用。

4

輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力,如無(wú)輸出隔離變壓器,一旦逆變器橋臂的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)被擊穿短路,母線高直流電壓將加到負(fù)載上,將危及負(fù)載的安全。

　　GB50174-2008《電子信息系統(tǒng)機(jī)房設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.1.10規(guī)定:當(dāng)輸出端中性線與PE線之間的電位差不能滿足電子信息設(shè)備使用要求時(shí),宜配備隔離變壓器。

　　中性線與PE線之間的電位差稱為“零地電壓”,當(dāng)“零地電壓”高于電子信息設(shè)備的允許值時(shí),將引起電氣硬件故障、燒毀設(shè)備;引發(fā)控制信號(hào)的誤動(dòng)作;影響通信質(zhì)量……,因此,當(dāng)“零地電壓”不滿足負(fù)載的使用要求時(shí)(一般“零地電壓”應(yīng)小于2V),應(yīng)采取措施,降低“零地電壓”。對(duì)于TN系統(tǒng),在UPS的輸出端配備隔離變壓器是降低“零地電壓”的有效做法。選擇隔離變壓器的保護(hù)開(kāi)關(guān)時(shí),應(yīng)考慮隔離變壓器投入時(shí)的勵(lì)磁涌流。