UPS后级仪用电源板大面积失效现象的原因
发布时间 : 2020-02-12
概 述
UPS作为不间断电源已经广泛用于化工、交通、铁路、电厂、变电站、冶金、核电站、移动通讯、控制设备及其紧急保护系统等各行各业,它用于给计算机、计算机网络系统或电子仪器仪表设备如:各类变送器、电磁阀等提供持续、稳定、不间断的电源供应。UPS电源系统主要由以下几个部分组成:进行AC/DC变换的整流部分、进行DC/AC变换的逆变部分、逆变和旁路输出切换电路以及储能蓄电池部分。UPS作为一种特殊的电力电子产品,由于其独特的电路特性,在一些异常供电情况下,会对前级供电电路和后级负载产生影响。本文对一起UPS后级仪用电源板大面积失效现象进行分析,找出原因,以减少类似事件给生产带来的损失。
UPS作为不间断电源已经广泛用于化工、交通、铁路、电厂、变电站、冶金、核电站、移动通讯、控制设备及其紧急保护系统等各行各业,它用于给计算机、计算机网络系统或电子仪器仪表设备如:各类变送器、电磁阀等提供持续、稳定、不间断的电源供应。UPS电源系统主要由以下几个部分组成:进行AC/DC变换的整流部分、进行DC/AC变换的逆变部分、逆变和旁路输出切换电路以及储能蓄电池部分。UPS作为一种特殊的电力电子产品,由于其独特的电路特性,在一些异常供电情况下,会对前级供电电路和后级负载产生影响。本文对一起UPS后级仪用电源板大面积失效现象进行分析,找出原因,以减少类似事件给生产带来的损失。
故障现象
某公司仪表机柜间的原料预处理装置SIS、动力站SIS和发电机组CCS主机架及扩展机架上,6块由1#UPS供电的所有仪表电源卡件失效,对应上一级供电电源空气开关跳闸,直流电源板输出全部消失。事故后,检查发现仪表内部的6块电源卡件的压敏电阻MOV1有放电痕迹。
经现场检查,给仪用设备供电的UPS为三相380VAC输入,220VAC单相输出。其输出220VAC采用不接地方式。正常情况下,UPS输出的L、N对大地PE都为110VAC。图1是仪表系统电源卡件的电路原理图。
事故发生后,经与仪表设备供应商联系,设备商给出如下意见:
给仪表设备供电AC220V方式需要用TN-S系统。由于UPS的输出未采用TN-S系统方式接地,是仪表设备的电源板烧坏的原因。当电源输入端对地电压出现波动时，N端、L端电压就会升高,引起压敏电阻击穿，发生短路电流并导致电源空开跳闸。
这个结论是否准确呢?我们来接着分析。
某公司仪表机柜间的原料预处理装置SIS、动力站SIS和发电机组CCS主机架及扩展机架上,6块由1#UPS供电的所有仪表电源卡件失效,对应上一级供电电源空气开关跳闸,直流电源板输出全部消失。事故后,检查发现仪表内部的6块电源卡件的压敏电阻MOV1有放电痕迹。
经现场检查,给仪用设备供电的UPS为三相380VAC输入,220VAC单相输出。其输出220VAC采用不接地方式。正常情况下,UPS输出的L、N对大地PE都为110VAC。图1是仪表系统电源卡件的电路原理图。
事故发生后,经与仪表设备供应商联系,设备商给出如下意见:
给仪表设备供电AC220V方式需要用TN-S系统。由于UPS的输出未采用TN-S系统方式接地,是仪表设备的电源板烧坏的原因。当电源输入端对地电压出现波动时，N端、L端电压就会升高,引起压敏电阻击穿，发生短路电流并导致电源空开跳闸。
这个结论是否准确呢?我们来接着分析。
交流电源AC220V的几种供电方式
交流电源AC220V的几种供电形式有:
1不考虑一次侧的接线方式,单相AC220V有几种接线方式
交流电源AC220V的几种供电形式有:
1不考虑一次侧的接线方式,单相AC220V有几种接线方式
图2中,L1对地电压为AC220V,N对地0V。满足单相AC220VTN-S系统供电要求。
图3中,L1、L2对地电压为0,L1、L2之间电压为AC220V。满足单相AC220V的IT系统供电要求。
图3中,L1、L2对地电压为0,L1、L2之间电压为AC220V。满足单相AC220V的IT系统供电要求。
图4中,L1、L2对地电压各为110AC,L1-L2之间输出220VAC。满足单相220VACTT系统供电要求。
图5中,L1、L2对地电压各为110AC,L1-L2之间输出220VAC。满足单相220VACTN-S系统供电要求。
图6中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC,不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACIT供电要求。
图7中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC,不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACTN-S供电要求。
图5中,L1、L2对地电压各为110AC,L1-L2之间输出220VAC。满足单相220VACTN-S系统供电要求。
图6中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC,不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACIT供电要求。
图7中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC,不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACTN-S供电要求。
图8中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压380VAC,对N线输出220VAC。满足380/220VAC负载TT供电要求。
图9中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压380VAC,对N线输出220VAC。满足380/220VAC负载TN-S负载供电要求。
图9中,不考虑一次侧的接线方式,三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压380VAC,对N线输出220VAC。满足380/220VAC负载TN-S负载供电要求。
2TN-S接地系统
国际电工委员会(IEC)对工程供电系统作了统一规定,统称为TT系统、TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。
其中TN-S方式供电系统是把工作零线N和专用保护线严格分开的供电系统,称作TN-S供电系统,其原理图见图10。TN-S供电系统的特点如下:
1
系统正常运行时,专用保护线上没有电流,只是工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压,所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上,安全可靠;
2
工作零线N只用作单相负载回路或流过三相不平衡电流;
3
专用保护线PE不许断线,也不许进入漏电开关;
4
干线上使用漏电保护器,工作零线不得有重复接地,而PE线有重复接地,但是不经过漏电保护器,所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器;
5
TN-S方式供电系统安全可靠,适用于工业与民用建筑等低压供电系统。
其中TN-S方式供电系统是把工作零线N和专用保护线严格分开的供电系统,称作TN-S供电系统,其原理图见图10。TN-S供电系统的特点如下:
1
系统正常运行时,专用保护线上没有电流,只是工作零线上有不平衡电流。PE线对地没有电压,所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线PE上,安全可靠;
2
工作零线N只用作单相负载回路或流过三相不平衡电流;
3
专用保护线PE不许断线,也不许进入漏电开关;
4
干线上使用漏电保护器,工作零线不得有重复接地,而PE线有重复接地,但是不经过漏电保护器,所以TN-S系统供电干线上也可以安装漏电保护器;
5
TN-S方式供电系统安全可靠,适用于工业与民用建筑等低压供电系统。
故障分析
1滤波电容与压敏电阻承压分析
1滤波电容与压敏电阻承压分析
根据图1电源板原理图可知:
1
当UPS输出不接地,即采用图3、图6、图7供电方式时。
图1中的O1点接地,是零电位。电容器F1、F2需承受110V电压,F3承受220V电压,压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压,压敏电阻MOV3承受220V电压。这也解释了现场系统正常时,测得L-PE之间、N-PE之间都有110V电压的原因。
2
当UPS输出接地即采用图4、图5、图9(符合TN-S)两种接地供电方式。和4.1一样,电容器F1、F2需承受110V电压,F3承受220V电压,压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压,压敏电阻MOV3承受220V电压。
3
当UPS输出接地,即采用图2、图8(符合TN-S)供电方式时。
图1中的O1点接地,是零电位。电容器F1将承受220V电压,F2承受0V电压,F3仍然承受220V电压,MOV1承受220V电压,MOV2不承受电压,MOV3仍承受220V电压,电容F1和MOV1极易出现承载过压而烧毁。
上述分析可知,如果采用了图2、图8(符合TN-S)供电形式,将使得电容F1和压敏电阻MOV1容易烧毁。若采用图3、图4、图5、图6、图7、图9(符合TN-S)供电形式,均不易出现本文电源板的故障现象。所以供电形式是否采用TN-S系统不是导致故障的关键原因。但通过分析可以初步判定:UPS在运行过程中,接地条件发生改变,造成后级电源板元器件烧坏。
1
当UPS输出不接地,即采用图3、图6、图7供电方式时。
图1中的O1点接地,是零电位。电容器F1、F2需承受110V电压,F3承受220V电压,压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压,压敏电阻MOV3承受220V电压。这也解释了现场系统正常时,测得L-PE之间、N-PE之间都有110V电压的原因。
2
当UPS输出接地即采用图4、图5、图9(符合TN-S)两种接地供电方式。和4.1一样,电容器F1、F2需承受110V电压,F3承受220V电压,压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压,压敏电阻MOV3承受220V电压。
3
当UPS输出接地,即采用图2、图8(符合TN-S)供电方式时。
图1中的O1点接地,是零电位。电容器F1将承受220V电压,F2承受0V电压,F3仍然承受220V电压,MOV1承受220V电压,MOV2不承受电压,MOV3仍承受220V电压,电容F1和MOV1极易出现承载过压而烧毁。
上述分析可知,如果采用了图2、图8(符合TN-S)供电形式,将使得电容F1和压敏电阻MOV1容易烧毁。若采用图3、图4、图5、图6、图7、图9(符合TN-S)供电形式,均不易出现本文电源板的故障现象。所以供电形式是否采用TN-S系统不是导致故障的关键原因。但通过分析可以初步判定:UPS在运行过程中,接地条件发生改变,造成后级电源板元器件烧坏。
22#UPS记录到的瞬时失电现象
经过对原始记录的进一步提取,我们发现一个现象,即与1#UPS同时工作的2#UPS供电的SIS内电源卡件记录了瞬时的失电现象。UPS1、UPS2当时都自动切换到了旁路供电。UPS1后级仪用电源烧坏,UPS2后级仪用电源正常。UPS1、UPS2输出都没有接地,满足图1的要求,MOV1、MOV2各承受110V的电压,MOV3承受220V电压。当UPS1切旁路后,旁路电源的N线接地,这样供电方式可能从原图3、4、5转变成了图2供电形式(现场使用的三相输入单相输出UPS),故F1承受220V电压,F2承受0V电压,F3仍然承受220V电压,MOV1承受220V电压,MOV2不承受电压,MOV3仍承受220V电压,MOV1烧毁。2#UPS切换后回路正常工作。
故对UPS1的旁路系统的接线，特别是中性线和接地线进行认真复核检查是本次故障的关键。根据这个思路，我们发现UPS1的旁路变压器输出N线的确接地，如图11所示，证实了我们的分析结果。
故对UPS1的旁路系统的接线，特别是中性线和接地线进行认真复核检查是本次故障的关键。根据这个思路，我们发现UPS1的旁路变压器输出N线的确接地，如图11所示，证实了我们的分析结果。
3UPS应用中的需重视的问题
UPS的输出电压是AC220V,0V;或AC110,AC110V。这个值在物理量中是电压有效值,最大的峰峰电压可能达到1000V或以上。这是因为UPS内部有大功率晶体管如GTR或绝缘栅双极型晶体管IGBT,其输出多是SPWM电压波形,斩波会生成尖峰电压(L×di/dt),其峰峰电压值会达到1000V或以上。在UPS跳转旁路运行后,接地条件突然改变,加在压敏电阻和滤波电容上的最大电压值会提升数倍,这样它们烧坏就不奇怪了。故UPS输出的后端,建议加输出隔离变压器,以减小电压峰峰毛刺对于后级负载的影响。
结 论
UPS不间断电源作为一种特殊的电力电子供电设备虽然得到了广泛应用,然而对于与UPS一起工作的前后级电气设备、用电负载、系统接地等综合应用问题,各行业根据自身的一些特点和要求提出一些技术条件和运行规范及标准,但这些技术条件规范标准并不完全统一,有时甚至完全矛盾,这需要我们从事电气的工作者,能够全面深入了解实际应用的电气、UPS、后级仪用设备、接地的供电系统特点,进行具体问题具体分析,提出符合实际需要的运行和接线方式,以保证供电系统运行的安全和可靠性。
附部分国家或行业标准中对UPS接地方式的要求说明：
1关于UPS二次侧输出能否接地问题
UPS不间断电源作为一种特殊的电力电子供电设备虽然得到了广泛应用,然而对于与UPS一起工作的前后级电气设备、用电负载、系统接地等综合应用问题,各行业根据自身的一些特点和要求提出一些技术条件和运行规范及标准,但这些技术条件规范标准并不完全统一,有时甚至完全矛盾,这需要我们从事电气的工作者,能够全面深入了解实际应用的电气、UPS、后级仪用设备、接地的供电系统特点,进行具体问题具体分析,提出符合实际需要的运行和接线方式,以保证供电系统运行的安全和可靠性。
附部分国家或行业标准中对UPS接地方式的要求说明：
1关于UPS二次侧输出能否接地问题
参考DL/T5136-2012《火力发电厂变电所设计技术规程》第10.2.15条规定:配电系统可采用不接地方式,也可采用接地方式,根据热工系统对电源要求确定。条文解释如下:“采用不接地的系统可以提高重要用电设备的供电可靠性,釆用接地系统可以满足某些DCS厂家对交流电源接地的要求,并减少零地电压。”
“UPS主电路有各种接法,UPS为接地方式时:当旁路带隔离时,进线N线与UPS输出N线电气隔离,因此输出N线与PE线连接,并与共用接地系统相连,UPS之后仍为接地系统;当旁路无隔离时,进线N线与UPS输出N线直接金属连接,因此UPS输出N线不应再接地,UPS之后仍为接地系统。”
“UPS输出N线是否需要接地,应根据UPS的接线形式、可靠性等,并综合考虑热工系统对电源的要求确定是否接地。现行国家标准GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10条的条文说明“当零地电压不满足负载的使用要求时（一般零地电压应小于2V）,应采取措施,降低零地电压”。经过调查,部分DCS厂对交流220V电源有接地要求,如ABB,FOXBORO公司;部分DCS厂对此无要求。当DCS电源需要零线接地时,可以将UPS配电系统零线接地或在DCS增加隔离变压器,将隔离变压器二次侧接地实现。采用不接地系统可以减少停电次数,有利于提高供电的可靠性,如国内CPR1000堆型核电厂明确UPS系统采用不接地系统,并设置绝缘监察装置在一点接地时报警。采用接地系统可以降低零地电压,满足部分设备对电源的要求。另外,当热工电源为一路不接地、一路保安电源接地时,某些快速电源切换回路,不能正确监测两侧电压造成切换失败,这种情况也可考虑采用接地方式。”
根据上述解释,《中国石化生产装置过程控制仪表供电系统技术管理规定》规定“UPS输出装置中性点不接地”和《石油化工仪表接地设计规范》(SH-T3081-2003)规定“控制室用电应采用TN-S系统”,对UPS接地方式的要求都是片面的。
当UPS负载为单相负载时,三相输出380/220V的UPS就不能采用中性点不接地方式。当380V/220V三相输出UPS采用中性点不接地方式时,正常情况下,只要中性点即N线的电位不超标,UPS的220V负载能够正常运行。当发生一相如
A相接地故障时,非故障的B、C两相对N线电压由220V升高为线电压380V,此时接在B-N和C-N之间的220V负载全部烧毁。
因此,UPS输出中性点不接地方式只适用于单相输出的UPS或只有380V负载。
2UPS交流输入、输出两侧是否设隔离变压器的问题
“UPS主电路有各种接法,UPS为接地方式时:当旁路带隔离时,进线N线与UPS输出N线电气隔离,因此输出N线与PE线连接,并与共用接地系统相连,UPS之后仍为接地系统;当旁路无隔离时,进线N线与UPS输出N线直接金属连接,因此UPS输出N线不应再接地,UPS之后仍为接地系统。”
“UPS输出N线是否需要接地,应根据UPS的接线形式、可靠性等,并综合考虑热工系统对电源的要求确定是否接地。现行国家标准GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10条的条文说明“当零地电压不满足负载的使用要求时（一般零地电压应小于2V）,应采取措施,降低零地电压”。经过调查,部分DCS厂对交流220V电源有接地要求,如ABB,FOXBORO公司;部分DCS厂对此无要求。当DCS电源需要零线接地时,可以将UPS配电系统零线接地或在DCS增加隔离变压器,将隔离变压器二次侧接地实现。采用不接地系统可以减少停电次数,有利于提高供电的可靠性,如国内CPR1000堆型核电厂明确UPS系统采用不接地系统,并设置绝缘监察装置在一点接地时报警。采用接地系统可以降低零地电压,满足部分设备对电源的要求。另外,当热工电源为一路不接地、一路保安电源接地时,某些快速电源切换回路,不能正确监测两侧电压造成切换失败,这种情况也可考虑采用接地方式。”
根据上述解释,《中国石化生产装置过程控制仪表供电系统技术管理规定》规定“UPS输出装置中性点不接地”和《石油化工仪表接地设计规范》(SH-T3081-2003)规定“控制室用电应采用TN-S系统”,对UPS接地方式的要求都是片面的。
当UPS负载为单相负载时,三相输出380/220V的UPS就不能采用中性点不接地方式。当380V/220V三相输出UPS采用中性点不接地方式时,正常情况下,只要中性点即N线的电位不超标,UPS的220V负载能够正常运行。当发生一相如
A相接地故障时,非故障的B、C两相对N线电压由220V升高为线电压380V,此时接在B-N和C-N之间的220V负载全部烧毁。
因此,UPS输出中性点不接地方式只适用于单相输出的UPS或只有380V负载。
2UPS交流输入、输出两侧是否设隔离变压器的问题
DL/T5136-2012《火力发电厂变电所设计技术规程》第10.2.15条规定:UPS交流输入、输出两侧应装设隔离变压器。条文解释如下:
1
由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法,中性点接地后产生新的零线,从而降低零地电压。
2
输出隔离变压器可以滤除负载端的大量的低次谐波,减少高频干扰,并可以使高次谐波大幅度衰减。
3
增强过载短路保护能力,隔离安全负载。UPS在正常工作过程中,如果遇到大的短路电流,变压器会产生反向电动势,延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏,达到保护负载与UPS主机的作用。
4
输出隔离变压器具有“通交流阻直流”的能力,如无输出隔离变压器,一旦逆变器桥臂的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)被击穿短路,母线高直流电压将加到负载上,将危及负载的安全。
1
由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法,中性点接地后产生新的零线,从而降低零地电压。
2
输出隔离变压器可以滤除负载端的大量的低次谐波,减少高频干扰,并可以使高次谐波大幅度衰减。
3
增强过载短路保护能力,隔离安全负载。UPS在正常工作过程中,如果遇到大的短路电流,变压器会产生反向电动势,延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏,达到保护负载与UPS主机的作用。
4
输出隔离变压器具有“通交流阻直流”的能力,如无输出隔离变压器,一旦逆变器桥臂的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)被击穿短路,母线高直流电压将加到负载上,将危及负载的安全。
GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10规定:当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时,宜配备隔离变压器。
中性线与PE线之间的电位差称为“零地电压”,当“零地电压”高于电子信息设备的允许值时,将引起电气硬件故障、烧毁设备;引发控制信号的误动作;影响通信质量……,因此,当“零地电压”不满足负载的使用要求时(一般“零地电压”应小于2V),应采取措施,降低“零地电压”。对于TN系统,在UPS的输出端配备隔离变压器是降低“零地电压”的有效做法。选择隔离变压器的保护开关时,应考虑隔离变压器投入时的励磁涌流。
作者简介
孙金伯:中石化仪征化纤有限责任公司设备管理部高级工程师,一级注册建造师(机电安装),注册电气工程师(发输电)。
童国道:东南大学自动化学院产业教授,高级工程师,现任南京鼎尔特科技有限公司技术总监。
谭文彬:南京鼎尔特科技有限公司质量总监,重庆大学工业自动化专业,高级工程师。
沈启鹏:南京鼎尔特科技有限公司研发总监,东南大学仪器仪表工程专业硕士,工程师。
中性线与PE线之间的电位差称为“零地电压”,当“零地电压”高于电子信息设备的允许值时,将引起电气硬件故障、烧毁设备;引发控制信号的误动作;影响通信质量……,因此,当“零地电压”不满足负载的使用要求时(一般“零地电压”应小于2V),应采取措施,降低“零地电压”。对于TN系统,在UPS的输出端配备隔离变压器是降低“零地电压”的有效做法。选择隔离变压器的保护开关时,应考虑隔离变压器投入时的励磁涌流。
作者简介
孙金伯:中石化仪征化纤有限责任公司设备管理部高级工程师,一级注册建造师(机电安装),注册电气工程师(发输电)。
童国道:东南大学自动化学院产业教授,高级工程师,现任南京鼎尔特科技有限公司技术总监。
谭文彬:南京鼎尔特科技有限公司质量总监,重庆大学工业自动化专业,高级工程师。
沈启鹏:南京鼎尔特科技有限公司研发总监,东南大学仪器仪表工程专业硕士,工程师。
来源：《数据中心建设+》杂志
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