UPS后級儀用電源板大面積失效現象的原因
概 述
UPS作為不間斷電源已經廣泛用于化工、交通、鐵路、電廠、變電站、冶金、核電站、移動通訊、控制設備及其緊急保護系統等各行各業,它用于給計算機、計算機網絡系統或電子儀器儀表設備如:各類變送器、電磁閥等提供持續、穩定、不間斷的電源供應。UPS電源系統主要由以下幾個部分組成:進行AC/DC變換的整流部分、進行DC/AC變換的逆變部分、逆變和旁路輸出切換電路以及儲能蓄電池部分。UPS作為一種特殊的電力電子產品,由于其獨特的電路特性,在一些異常供電情況下,會對前級供電電路和后級負載產生影響。本文對一起UPS后級儀用電源板大面積失效現象進行分析,找出原因,以減少類似事件給生產帶來的損失。
UPS作為不間斷電源已經廣泛用于化工、交通、鐵路、電廠、變電站、冶金、核電站、移動通訊、控制設備及其緊急保護系統等各行各業,它用于給計算機、計算機網絡系統或電子儀器儀表設備如:各類變送器、電磁閥等提供持續、穩定、不間斷的電源供應。UPS電源系統主要由以下幾個部分組成:進行AC/DC變換的整流部分、進行DC/AC變換的逆變部分、逆變和旁路輸出切換電路以及儲能蓄電池部分。UPS作為一種特殊的電力電子產品,由于其獨特的電路特性,在一些異常供電情況下,會對前級供電電路和后級負載產生影響。本文對一起UPS后級儀用電源板大面積失效現象進行分析,找出原因,以減少類似事件給生產帶來的損失。
故障現象
某公司儀表機柜間的原料預處理裝置SIS、動力站SIS和發電機組CCS主機架及擴展機架上,6塊由1#UPS供電的所有儀表電源卡件失效,對應上一級供電電源空氣開關跳閘,直流電源板輸出全部消失。事故后,檢查發現儀表內部的6塊電源卡件的壓敏電阻MOV1有放電痕跡。
經現場檢查,給儀用設備供電的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對大地PE都為110VAC。圖1是儀表系統電源卡件的電路原理圖。
事故發生后,經與儀表設備供應商聯系,設備商給出如下意見:
給儀表設備供電AC220V方式需要用TN-S系統。由于UPS的輸出未采用TN-S系統方式接地,是儀表設備的電源板燒壞的原因。當電源輸入端對地電壓出現波動時，N端、L端電壓就會升高,引起壓敏電阻擊穿，發生短路電流并導致電源空開跳閘。
這個結論是否準確呢?我們來接著分析。
某公司儀表機柜間的原料預處理裝置SIS、動力站SIS和發電機組CCS主機架及擴展機架上,6塊由1#UPS供電的所有儀表電源卡件失效,對應上一級供電電源空氣開關跳閘,直流電源板輸出全部消失。事故后,檢查發現儀表內部的6塊電源卡件的壓敏電阻MOV1有放電痕跡。
經現場檢查,給儀用設備供電的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對大地PE都為110VAC。圖1是儀表系統電源卡件的電路原理圖。
事故發生后,經與儀表設備供應商聯系,設備商給出如下意見:
給儀表設備供電AC220V方式需要用TN-S系統。由于UPS的輸出未采用TN-S系統方式接地,是儀表設備的電源板燒壞的原因。當電源輸入端對地電壓出現波動時，N端、L端電壓就會升高,引起壓敏電阻擊穿，發生短路電流并導致電源空開跳閘。
這個結論是否準確呢?我們來接著分析。
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不考慮一次側的接線方式,單相AC220V有幾種接線方式
交流電源AC220V的幾種供電形式有:
1不考慮一次側的接線方式,單相AC220V有幾種接線方式
圖2中,L1對地電壓為AC220V,N對地0V。滿足單相AC220VTN-S系統供電要求。
圖3中,L1、L2對地電壓為0,L1、L2之間電壓為AC220V。滿足單相AC220V的IT系統供電要求。
圖3中,L1、L2對地電壓為0,L1、L2之間電壓為AC220V。滿足單相AC220V的IT系統供電要求。
圖4中,L1、L2對地電壓各為110AC,L1-L2之間輸出220VAC。滿足單相220VACTT系統供電要求。
圖5中,L1、L2對地電壓各為110AC,L1-L2之間輸出220VAC。滿足單相220VACTN-S系統供電要求。
圖6中,不考慮一次側的接線方式,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。滿足三相或單相負載220VACIT供電要求。
圖7中,不考慮一次側的接線方式,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。滿足三相或單相負載220VACTN-S供電要求。
圖5中,L1、L2對地電壓各為110AC,L1-L2之間輸出220VAC。滿足單相220VACTN-S系統供電要求。
圖6中,不考慮一次側的接線方式,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。滿足三相或單相負載220VACIT供電要求。
圖7中,不考慮一次側的接線方式,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。滿足三相或單相負載220VACTN-S供電要求。
圖8中,不考慮一次側的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓380VAC,對N線輸出220VAC。滿足380/220VAC負載TT供電要求。
圖9中,不考慮一次側的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓380VAC,對N線輸出220VAC。滿足380/220VAC負載TN-S負載供電要求。
圖9中,不考慮一次側的接線方式,三相輸出220VAC供電方式。a、b、c之間輸出線電壓380VAC,對N線輸出220VAC。滿足380/220VAC負載TN-S負載供電要求。
2TN-S接地系統
國際電工委員會(IEC)對工程供電系統作了統一規定,統稱為TT系統、TN系統、IT系統。其中TN系統又分為TN-C、TN-S、TN-C-S系統。
其中TN-S方式供電系統是把工作零線N和專用保護線嚴格分開的供電系統,稱作TN-S供電系統,其原理圖見圖10。TN-S供電系統的特點如下:
1
系統正常運行時,專用保護線上沒有電流,只是工作零線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓,所以電氣設備金屬外殼接零保護是接在專用的保護線PE上,安全可靠;
2
工作零線N只用作單相負載回路或流過三相不平衡電流;
3
專用保護線PE不許斷線,也不許進入漏電開關;
4
干線上使用漏電保護器,工作零線不得有重復接地,而PE線有重復接地,但是不經過漏電保護器,所以TN-S系統供電干線上也可以安裝漏電保護器;
5
TN-S方式供電系統安全可靠,適用于工業與民用建筑等低壓供電系統。
其中TN-S方式供電系統是把工作零線N和專用保護線嚴格分開的供電系統,稱作TN-S供電系統,其原理圖見圖10。TN-S供電系統的特點如下:
1
系統正常運行時,專用保護線上沒有電流,只是工作零線上有不平衡電流。PE線對地沒有電壓,所以電氣設備金屬外殼接零保護是接在專用的保護線PE上,安全可靠;
2
工作零線N只用作單相負載回路或流過三相不平衡電流;
3
專用保護線PE不許斷線,也不許進入漏電開關;
4
干線上使用漏電保護器,工作零線不得有重復接地,而PE線有重復接地,但是不經過漏電保護器,所以TN-S系統供電干線上也可以安裝漏電保護器;
5
TN-S方式供電系統安全可靠,適用于工業與民用建筑等低壓供電系統。
故障分析
1濾波電容與壓敏電阻承壓分析
1濾波電容與壓敏電阻承壓分析
根據圖1電源板原理圖可知:
1
當UPS輸出不接地,即采用圖3、圖6、圖7供電方式時。
圖1中的O1點接地,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。這也解釋了現場系統正常時,測得L-PE之間、N-PE之間都有110V電壓的原因。
2
當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UPS輸出接地,即采用圖2、圖8(符合TN-S)供電方式時。
圖1中的O1點接地,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極易出現承載過壓而燒毀。
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,均不易出現本文電源板的故障現象。所以供電形式是否采用TN-S系統不是導致故障的關鍵原因。但通過分析可以初步判定:UPS在運行過程中,接地條件發生改變,造成后級電源板元器件燒壞。
1
當UPS輸出不接地,即采用圖3、圖6、圖7供電方式時。
圖1中的O1點接地,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。這也解釋了現場系統正常時,測得L-PE之間、N-PE之間都有110V電壓的原因。
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當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。
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當UPS輸出接地,即采用圖2、圖8(符合TN-S)供電方式時。
圖1中的O1點接地,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極易出現承載過壓而燒毀。
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,均不易出現本文電源板的故障現象。所以供電形式是否采用TN-S系統不是導致故障的關鍵原因。但通過分析可以初步判定:UPS在運行過程中,接地條件發生改變,造成后級電源板元器件燒壞。
22#UPS記錄到的瞬時失電現象
經過對原始記錄的進一步提取,我們發現一個現象,即與1#UPS同時工作的2#UPS供電的SIS內電源卡件記錄了瞬時的失電現象。UPS1、UPS2當時都自動切換到了旁路供電。UPS1后級儀用電源燒壞,UPS2后級儀用電源正常。UPS1、UPS2輸出都沒有接地,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轉變成了圖2供電形式(現場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UPS1的旁路系統的接線，特別是中性線和接地線進行認真復核檢查是本次故障的關鍵。根據這個思路，我們發現UPS1的旁路變壓器輸出N線的確接地，如圖11所示，證實了我們的分析結果。
故對UPS1的旁路系統的接線，特別是中性線和接地線進行認真復核檢查是本次故障的關鍵。根據這個思路，我們發現UPS1的旁路變壓器輸出N線的確接地，如圖11所示，證實了我們的分析結果。
3UPS應用中的需重視的問題
UPS的輸出電壓是AC220V,0V;或AC110,AC110V。這個值在物理量中是電壓有效值,最大的峰峰電壓可能達到1000V或以上。這是因為UPS內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,斬波會生成尖峰電壓(L×di/dt),其峰峰電壓值會達到1000V或以上。在UPS跳轉旁路運行后,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提升數倍,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于后級負載的影響。
結 論
UPS不間斷電源作為一種特殊的電力電子供電設備雖然得到了廣泛應用,然而對于與UPS一起工作的前后級電氣設備、用電負載、系統接地等綜合應用問題,各行業根據自身的一些特點和要求提出一些技術條件和運行規范及標準,但這些技術條件規范標準并不完全統一,有時甚至完全矛盾,這需要我們從事電氣的工作者,能夠全面深入了解實際應用的電氣、UPS、后級儀用設備、接地的供電系統特點,進行具體問題具體分析,提出符合實際需要的運行和接線方式,以保證供電系統運行的安全和可靠性。
附部分國家或行業標準中對UPS接地方式的要求說明：
1關于UPS二次側輸出能否接地問題
UPS不間斷電源作為一種特殊的電力電子供電設備雖然得到了廣泛應用,然而對于與UPS一起工作的前后級電氣設備、用電負載、系統接地等綜合應用問題,各行業根據自身的一些特點和要求提出一些技術條件和運行規范及標準,但這些技術條件規范標準并不完全統一,有時甚至完全矛盾,這需要我們從事電氣的工作者,能夠全面深入了解實際應用的電氣、UPS、后級儀用設備、接地的供電系統特點,進行具體問題具體分析,提出符合實際需要的運行和接線方式,以保證供電系統運行的安全和可靠性。
附部分國家或行業標準中對UPS接地方式的要求說明：
1關于UPS二次側輸出能否接地問題
參考DL/T5136-2012《火力發電廠變電所設計技術規程》第10.2.15條規定:配電系統可采用不接地方式,也可采用接地方式,根據熱工系統對電源要求確定。條文解釋如下:“采用不接地的系統可以提高重要用電設備的供電可靠性,釆用接地系統可以滿足某些DCS廠家對交流電源接地的要求,并減少零地電壓。”
“UPS主電路有各種接法,UPS為接地方式時:當旁路帶隔離時,進線N線與UPS輸出N線電氣隔離,因此輸出N線與PE線連接,并與共用接地系統相連,UPS之后仍為接地系統;當旁路無隔離時,進線N線與UPS輸出N線直接金屬連接,因此UPS輸出N線不應再接地,UPS之后仍為接地系統。”
“UPS輸出N線是否需要接地,應根據UPS的接線形式、可靠性等,并綜合考慮熱工系統對電源的要求確定是否接地。現行國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》第8.1.10條的條文說明“當零地電壓不滿足負載的使用要求時（一般零地電壓應小于2V）,應采取措施,降低零地電壓”。經過調查,部分DCS廠對交流220V電源有接地要求,如ABB,FOXBORO公司;部分DCS廠對此無要求。當DCS電源需要零線接地時,可以將UPS配電系統零線接地或在DCS增加隔離變壓器,將隔離變壓器二次側接地實現。采用不接地系統可以減少停電次數,有利于提高供電的可靠性,如國內CPR1000堆型核電廠明確UPS系統采用不接地系統,并設置絕緣監察裝置在一點接地時報警。采用接地系統可以降低零地電壓,滿足部分設備對電源的要求。另外,當熱工電源為一路不接地、一路保安電源接地時,某些快速電源切換回路,不能正確監測兩側電壓造成切換失敗,這種情況也可考慮采用接地方式。”
根據上述解釋,《中國石化生產裝置過程控制儀表供電系統技術管理規定》規定“UPS輸出裝置中性點不接地”和《石油化工儀表接地設計規范》(SH-T3081-2003)規定“控制室用電應采用TN-S系統”,對UPS接地方式的要求都是片面的。
當UPS負載為單相負載時,三相輸出380/220V的UPS就不能采用中性點不接地方式。當380V/220V三相輸出UPS采用中性點不接地方式時,正常情況下,只要中性點即N線的電位不超標,UPS的220V負載能夠正常運行。當發生一相如
A相接地故障時,非故障的B、C兩相對N線電壓由220V升高為線電壓380V,此時接在B-N和C-N之間的220V負載全部燒毀。
因此,UPS輸出中性點不接地方式只適用于單相輸出的UPS或只有380V負載。
2UPS交流輸入、輸出兩側是否設隔離變壓器的問題
“UPS主電路有各種接法,UPS為接地方式時:當旁路帶隔離時,進線N線與UPS輸出N線電氣隔離,因此輸出N線與PE線連接,并與共用接地系統相連,UPS之后仍為接地系統;當旁路無隔離時,進線N線與UPS輸出N線直接金屬連接,因此UPS輸出N線不應再接地,UPS之后仍為接地系統。”
“UPS輸出N線是否需要接地,應根據UPS的接線形式、可靠性等,并綜合考慮熱工系統對電源的要求確定是否接地。現行國家標準GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》第8.1.10條的條文說明“當零地電壓不滿足負載的使用要求時（一般零地電壓應小于2V）,應采取措施,降低零地電壓”。經過調查,部分DCS廠對交流220V電源有接地要求,如ABB,FOXBORO公司;部分DCS廠對此無要求。當DCS電源需要零線接地時,可以將UPS配電系統零線接地或在DCS增加隔離變壓器,將隔離變壓器二次側接地實現。采用不接地系統可以減少停電次數,有利于提高供電的可靠性,如國內CPR1000堆型核電廠明確UPS系統采用不接地系統,并設置絕緣監察裝置在一點接地時報警。采用接地系統可以降低零地電壓,滿足部分設備對電源的要求。另外,當熱工電源為一路不接地、一路保安電源接地時,某些快速電源切換回路,不能正確監測兩側電壓造成切換失敗,這種情況也可考慮采用接地方式。”
根據上述解釋,《中國石化生產裝置過程控制儀表供電系統技術管理規定》規定“UPS輸出裝置中性點不接地”和《石油化工儀表接地設計規范》(SH-T3081-2003)規定“控制室用電應采用TN-S系統”,對UPS接地方式的要求都是片面的。
當UPS負載為單相負載時,三相輸出380/220V的UPS就不能采用中性點不接地方式。當380V/220V三相輸出UPS采用中性點不接地方式時,正常情況下,只要中性點即N線的電位不超標,UPS的220V負載能夠正常運行。當發生一相如
A相接地故障時,非故障的B、C兩相對N線電壓由220V升高為線電壓380V,此時接在B-N和C-N之間的220V負載全部燒毀。
因此,UPS輸出中性點不接地方式只適用于單相輸出的UPS或只有380V負載。
2UPS交流輸入、輸出兩側是否設隔離變壓器的問題
DL/T5136-2012《火力發電廠變電所設計技術規程》第10.2.15條規定:UPS交流輸入、輸出兩側應裝設隔離變壓器。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,中性點接地后產生新的零線,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
增強過載短路保護能力,隔離安全負載。UPS在正常工作過程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會產生反向電動勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的沖擊破壞,達到保護負載與UPS主機的作用。
4
輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力,如無輸出隔離變壓器,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載上,將危及負載的安全。
1
由于隔離變壓器的副邊繞組采用Y型接法,中性點接地后產生新的零線,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
增強過載短路保護能力,隔離安全負載。UPS在正常工作過程中,如果遇到大的短路電流,變壓器會產生反向電動勢,延緩短路電流對負載以及逆變器的沖擊破壞,達到保護負載與UPS主機的作用。
4
輸出隔離變壓器具有“通交流阻直流”的能力,如無輸出隔離變壓器,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載上,將危及負載的安全。
GB50174-2008《電子信息系統機房設計規范》第8.1.10規定:當輸出端中性線與PE線之間的電位差不能滿足電子信息設備使用要求時,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“零地電壓”高于電子信息設備的允許值時,將引起電氣硬件故障、燒毀設備;引發控制信號的誤動作;影響通信質量……,因此,當“零地電壓”不滿足負載的使用要求時(一般“零地電壓”應小于2V),應采取措施,降低“零地電壓”。對于TN系統,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開關時,應考慮隔離變壓器投入時的勵磁涌流。
作者簡介
孫金伯:中石化儀征化纖有限責任公司設備管理部高級工程師,一級注冊建造師(機電安裝),注冊電氣工程師(發輸電)。
童國道:東南大學自動化學院產業教授,高級工程師,現任南京鼎爾特科技有限公司技術總監。
譚文彬:南京鼎爾特科技有限公司質量總監,重慶大學工業自動化專業,高級工程師。
沈啟鵬:南京鼎爾特科技有限公司研發總監,東南大學儀器儀表工程專業碩士,工程師。
中性線與PE線之間的電位差稱為“零地電壓”,當“零地電壓”高于電子信息設備的允許值時,將引起電氣硬件故障、燒毀設備;引發控制信號的誤動作;影響通信質量……,因此,當“零地電壓”不滿足負載的使用要求時(一般“零地電壓”應小于2V),應采取措施,降低“零地電壓”。對于TN系統,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開關時,應考慮隔離變壓器投入時的勵磁涌流。
作者簡介
孫金伯:中石化儀征化纖有限責任公司設備管理部高級工程師,一級注冊建造師(機電安裝),注冊電氣工程師(發輸電)。
童國道:東南大學自動化學院產業教授,高級工程師,現任南京鼎爾特科技有限公司技術總監。
譚文彬:南京鼎爾特科技有限公司質量總監,重慶大學工業自動化專業,高級工程師。
沈啟鵬:南京鼎爾特科技有限公司研發總監,東南大學儀器儀表工程專業碩士,工程師。
來源：《數據中心建設+》雜志
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