常樂(lè) 宋明中

摘要：本文介紹了某鋼廠自備電廠3號(hào)機(jī)組UPS裝置系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀和存在問(wèn)題，闡述了UPS裝置系統(tǒng)改造的必要性，通過(guò)分析新UPS裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及參數(shù)優(yōu)化，提高了UPS裝置系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：UPS不間斷電源；開(kāi)關(guān)；直流供電；報(bào)警系統(tǒng)

引言

不間斷電源（UPS）是重要設(shè)備的保安電源，目前應(yīng)用廣泛，當(dāng)電源輸入正常時(shí)，控制電源經(jīng)過(guò)UPS裝置能夠得到穩(wěn)頻穩(wěn)壓的電力供應(yīng)，此時(shí)UPS相當(dāng)于一臺(tái)交流式電穩(wěn)壓器，保證了PLC、計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)穩(wěn)定的工作，同時(shí)它還可以對(duì)自帶蓄電池組進(jìn)行充電。一旦輸入電源有波動(dòng)或發(fā)生掉電，UPS會(huì)立即切換到直流供電模式，將直流電源（即蓄電池、直流屏等設(shè)備）接入，通過(guò)逆變器轉(zhuǎn)換后向負(fù)載供電，保證了PLC、計(jì)算機(jī)等控制系統(tǒng)不間斷供電，并保護(hù)軟、硬件不受損壞。UPS設(shè)備可以提供電壓過(guò)高保護(hù)和電壓過(guò)低保護(hù)。對(duì)于工業(yè)企業(yè)的自備電廠而言，UPS是獨(dú)立的供電單元，不受發(fā)電機(jī)、變電站和系統(tǒng)運(yùn)行方式的限制，是重要控制設(shè)備的穩(wěn)壓和備用電源裝置。[1]

1電廠3號(hào)機(jī)組UPS裝置系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

某鋼廠自備電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)組配置了兩套（3A/3B）UPS裝置，型號(hào)均為固態(tài)（SCI）SR3050NC SV12000，容量為50KVA，運(yùn)行方式為單機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行，于1999年3月投入運(yùn)行，使用至今已有15年。目前（3A/3B）UPS裝置因電子元器件的老化等因素，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)日趨不穩(wěn)定，近年來(lái)已發(fā)生多次故障，2013年1月2日，3A-UPS裝置整流器的直流過(guò)壓報(bào)警，檢查發(fā)現(xiàn)整流器單元的1個(gè)120V AC繼電器的一副觸點(diǎn)出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象，導(dǎo)致反饋電壓低而出現(xiàn)過(guò)壓報(bào)警；2014年6月13日，3B-UPS裝置旁路變壓器因絕緣老化造成出現(xiàn)過(guò)熱冒煙現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行故障處理的同時(shí)發(fā)現(xiàn)3A-UPS裝置旁路變壓器同樣也存在著絕緣老化的跡象。這些故障給3號(hào)發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行都帶來(lái)了隱患。

該UPS的負(fù)載為DCS控制系統(tǒng)、發(fā)變保護(hù)回路等設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)直接關(guān)系到電廠3號(hào)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。UPS設(shè)備作為重要的保安電源，失電后果影響很大。制造商推薦UPS使用壽命一般為12-15年左右，基于以上問(wèn)題，為確保生產(chǎn)無(wú)憂運(yùn)行，為保障重要設(shè)備的供電安全，在原基礎(chǔ)上對(duì)（3A/3B）UPS裝置系統(tǒng)進(jìn)行更新改造就有其必要性。

2（3A/3B）UPS裝置系統(tǒng)改進(jìn)

2.1系統(tǒng)工作原理

UPS裝置的成套設(shè)備由主機(jī)柜和旁路柜組成，主機(jī)柜包括整流器、逆變器、靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)、內(nèi)置手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)、逆止二極管等。旁路柜包括旁路變壓器、輸入輸出開(kāi)關(guān)、配電盤(pán)開(kāi)關(guān)、外置手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)等。UPS裝置一般有四種狀態(tài)：[2]

（1）正常工作狀態(tài)：

逆變器（I）由整流器（R）供電，負(fù)載通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)（SSI）直接由逆變器（I）輸出供電（如圖1所示）。

（2）逆變器故障導(dǎo)致的旁路帶載：

負(fù)載轉(zhuǎn)為旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)（SB）帶載，轉(zhuǎn)換過(guò)程供電無(wú)中斷（如圖2所示）。

（3）整流器故障或市電故障狀態(tài)：

逆變器（I）由直流電源供電并持續(xù)到預(yù)定的后備時(shí)間，負(fù)載經(jīng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)（SSI）由逆變器（I）輸出供電（如圖3所示）。

（4）維修旁路狀態(tài)：

市電經(jīng)維修旁路直接向負(fù)載電供電（如圖4所示）。

2.2設(shè)計(jì)方案

電廠（3A/3B）UPS裝置系統(tǒng)更新，采用目前市場(chǎng)上電廠專用且成熟品牌的產(chǎn)品替代，電廠專用UPS是工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品，其可靠性遠(yuǎn)高于目前普遍使用的商用機(jī)，從在電廠幾臺(tái)機(jī)組使用的E2001.2（1）應(yīng)用實(shí)際看，該機(jī)不僅技術(shù)參數(shù)滿足使用要求，主要的是在主回路結(jié)構(gòu)上仍采用輸入輸出變壓器，功率回路功率裕度較大，控制回路冗余結(jié)構(gòu)，這些技術(shù)對(duì)提高設(shè)備的可靠性起著關(guān)鍵的作用。因此，這次電廠（3A/3B）UPS裝置改造我們?nèi)圆捎秒姀S專用型UPS設(shè)備。

該系統(tǒng)直流部分采用直流屏供電，UPS可以不用蓄電池作為后備電源，而直接采取直流屏的電源取代上圖中的蓄電池供電。另外由于逆變輸出對(duì)于旁路輸入連續(xù)跟蹤，所以當(dāng)逆變部分失去輸出或有非常大的沖擊負(fù)荷而過(guò)負(fù)荷或者負(fù)荷側(cè)短路，通過(guò)靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換到旁路電源供電，一旦故障消失再通過(guò)靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換到逆變供電，以上切換在同步狀態(tài)下切換時(shí)間為0，在其它狀態(tài)下切換時(shí)間≤4ms。

根據(jù)廠內(nèi)UPS運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為了方便UPS維護(hù)，尤其是在發(fā)生故障時(shí)能夠?qū)PS裝置快速退出，特增加外置手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)P3（如圖5所示），實(shí)現(xiàn)最快速度恢復(fù)供電和UPS檢修中的安全及零風(fēng)險(xiǎn)。

考慮到原UPS輸出配電柜無(wú)總開(kāi)關(guān)，結(jié)合增設(shè)外置維修回路功能，本次改造中3A、3B各增加1個(gè)輸出總開(kāi)關(guān)。

電廠（3A/3B）UPS裝置的容量為50KVA，共二臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況需求分析，目前實(shí)際負(fù)荷沒(méi)有變化，因此容量配置不變化，仍選用二臺(tái)50KVA容量的UPS，分別為3A-UPS和3B-UPS兩套系統(tǒng)，正常情況下二供電系統(tǒng)各自供電。增設(shè)切換開(kāi)關(guān)P5（如圖5所示），緊急情況下，二臺(tái)UPS裝置可以實(shí)現(xiàn)互為備用。綜合考慮目前的配置可以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需求。

由于原UPS系統(tǒng)不具備報(bào)警功能，本次改造增加聲光報(bào)警箱，放置于電廠3號(hào)機(jī)中控室，兩套UPS裝置共用一套報(bào)警系統(tǒng)。主機(jī)配備以太網(wǎng)通訊卡和干接點(diǎn)輸出卡，便于集中運(yùn)維監(jiān)控。

2.3項(xiàng)目改造內(nèi)容

本項(xiàng)目改造內(nèi)容如下：

1）在拆除原UPS設(shè)備的位置上更新安裝2臺(tái)UPS，基本保留原主回路電纜，只對(duì)部分電纜因長(zhǎng)度問(wèn)題重新調(diào)整或更換。

2）新增旁路柜2個(gè)，旁路隔離變壓器2臺(tái)，同時(shí)考慮因UPS維護(hù)方便和故障時(shí)能夠快速退出，增加外置手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)。

3）主機(jī)配備網(wǎng)絡(luò)接口便于集中運(yùn)維監(jiān)控，新增加操作室遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警裝置，并根據(jù)要求在旁路柜增加故障信號(hào)輸出端子。

4）拆除原設(shè)備（3A/3B）UPS二套，電氣柜共10個(gè)。

3改進(jìn)后UPS裝置系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)：

按照重要設(shè)備、區(qū)域UPS選型的要求，本項(xiàng)目改造設(shè)備基本采用單機(jī)互備方式，容量配置按照現(xiàn)場(chǎng)工藝需求和實(shí)際負(fù)荷考慮。同時(shí)為解決UPS功能試驗(yàn)問(wèn)題及故障后無(wú)法離線，延誤修復(fù)進(jìn)度的問(wèn)題，增加外置手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)。對(duì)于無(wú)人操作或值班的UPS設(shè)備增加遠(yuǎn)程監(jiān)控聲光報(bào)警裝置，確保UPS發(fā)生報(bào)警后能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取措施。

3.1改造采用的UPS裝置技術(shù)特點(diǎn)：

1）高效率—可獲得最大可用的輸出功率>94%。

2）極低的輸入諧波失真（THD）—將輸入電流失真保持在典型值5%，最小值3%。

3）極高的輸入輸出功率因數(shù)—應(yīng)用IGBT電路產(chǎn)生的電壓和電流之間的相位移管理（0.99輸入/0.9輸出）。

4）雙變換拓?fù)洹?fù)載與輸入電源完全隔離。

5）采用單機(jī)互備結(jié)構(gòu)，不采用傳統(tǒng)UPS并聯(lián)所需要的通訊線，消除了單點(diǎn)故障，提高了系統(tǒng)的可靠性。兩臺(tái)UPS均獨(dú)立工作，無(wú)主從關(guān)系。UPS的單機(jī)運(yùn)行，負(fù)載的均分不平衡度<2%。[3]

3.2整體更新UPS裝置系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)：

1）消除由于原UPS設(shè)備老化所帶來(lái)的隱患，UPS系統(tǒng)改進(jìn)后更方便檢修維護(hù)，有效確保L2、L1計(jì)算機(jī)等電氣設(shè)備的可靠運(yùn)行，減少故障率，降低維修成本。

2）改進(jìn)后的UPS系統(tǒng)功能更齊全、操作更方便、輸出精度更精確。

3）改進(jìn)后的UPS系統(tǒng)更加環(huán)保節(jié)能。

4）改進(jìn)后的UPS具備網(wǎng)絡(luò)接口，便于集中運(yùn)維的監(jiān)控。

5）雙機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)的無(wú)故障時(shí)間比單機(jī)系統(tǒng)可提高10倍左右，可靠性大大提高。

6）改進(jìn)后的系統(tǒng)運(yùn)行率Y≥99.95%。同一臺(tái)設(shè)備的故障次數(shù)≤1次，系統(tǒng)各設(shè)備的故障次數(shù)總和≤2次。[4]

結(jié)束語(yǔ)

本次改造采用目前市場(chǎng)上電廠專用且成熟品牌替代，徹底解決了UPS設(shè)備老化帶來(lái)的設(shè)備不穩(wěn)定問(wèn)題，投運(yùn)以來(lái)效果良好，滿足自備電廠的生產(chǎn)需求，低故障率，由于增設(shè)外接手動(dòng)旁路控制，進(jìn)而方便檢修維護(hù)，大大提高了生產(chǎn)效率，進(jìn)一步提升了UPS裝置供電回路的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]鄺國(guó)源.淺談如何提高有線電視機(jī)房供電安全及UPS電源在有線電視機(jī)房中的應(yīng)用與維護(hù)[C].中國(guó)電子學(xué)會(huì)，2011.

[2]鄭長(zhǎng)立.基于Siemens S7系列PLC控制的6kV備用電源自動(dòng)投入裝置改造[C].中國(guó)建筑學(xué)會(huì)，2007.

[3]熊煒.淺談UPS電源的冗余結(jié)構(gòu)與日常維護(hù)[J].工業(yè)技術(shù)，2010.

[4]王鵬飛，張延智，李其軒，等.小浪底電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)UPS電源改造及應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2011，29（10）.

（作者單位：上海寶鋼工業(yè)技術(shù)服務(wù)有限公司）