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摘要：针对某空管局发生的UPS并机系统出现的宕机故障进行剖析，论述1+1并机系统是否由于其中一台故障而造成这个系统中断供电。
关键词：UPS;并机系统;单机故障;系统中断供电
Abstract： Analyze the downtime of the UPS parallel system that occurs in an air traffic control bureau， and discuss whether the 1+1 parallel system is interrupted due to one of the faults.
Key words： UPS; parallel system; single machine failure; system interrupted power supply
1、引 言
UPS电源采用并列运行是为了保障通信导航监视设备平稳持续运行，在極端情况下有足够的时间处理紧急情况，并且UPS并列运行可以令并行组中有故障的一台UPS退出工作而不影响另一台UPS的正常工作。下面以实例论述为什么并列运行UPS当一台UPS发生故障造成系统全部宕机。
2、故障现状及设备运行模式
从某局反馈信息了解：某日当班人员听到UPS告警声，立即前往UPS间查看，发现两台UPS均已停机并告警。检查机房设备均已断电关机，柴油发电机没有启动声音;检查低压柜时，发现L1、 L3、L5和UPS2进线相应空气断路器均已跳闸，检查低压柜均无打火烧焦短路的痕迹、无异味;在UPS2上可以闻到有轻微的焦味，当班人员初步确定故障原因为UPS2发生故障，在退出#2故障机时发现UPS2主路输入开关Q1、旁路Q2无法断开。
该系统采用是XX生的UL33系列容量60kva不间断电源，采用1+1并机运行模式;UPS输入电源由两路市电经双电源切换开关（ATS）切换一路，在与应急电源（柴油发电机组）经双电源切换开关（ATS）切换一路供给1+1并机系统。
该套UPS持续运行9年，一直未对该套UPS进行任何深度的检测维护。
3、UL33系列UPS产品性能、原理
UL33系列UPS采用高频双变换结构和先进的全数字控制技术，带输出隔离变压器;输入电压范围超宽（-45%～+15%）。主要包括由整流模块（REC）和逆变模块（INV）组成的AC-DC-AC变换主回路、由反向并联的可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器和逆变静态开关、蓄电池组以及输入Q1、旁路Q2、输出空开Q5等;其中，空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。
主路输入电源从Q1输入，通过熔断器，经自耦变压器降压，通过输入电感进入高频六管整流单元，高频整流将三相交流电变换为稳定的直流电源，实现功率因数校正，整流器同时具有充电器的功能。蓄电池通过接触器接入，只有在直流母线电压达到一定阀值时接触器才能将蓄电池组与直流母线并联接通，蓄电池通过直流滤波电路向逆变器提供直流电源。逆变器采用DSP实时处理的全数字矢量控制技术，通过SVPWM调制六只IGBT功率开关器件，把直流母线电源变换成三相交流。输出经过△/Z0变压器、静态开关、快速熔断器、空气断路器等功能单元，实现负载端与输入侧的隔离。旁路输入电源从空气断路器Q2输入，通过旁路静态开关的控制后输出。通过控制旁路静态开关和逆变器输出静态开关的通断状态可实现多种工作模式的切换。
4、1+1冗余并机系统工作模式
为了正确判别引起设备故障原因，首先必须准确知道1+1冗余并机系统工作方式。
并机系统运行条件：系统最大稳态负载功率应等于或者小于一台单机额定输出功率。
正常运行状态：两台UPS的输入端接在同一路市电上，因有两路市电输入，可以通过ATS开关切换为一路，这样可避免UPS在工作频率跟踪和锁相问题上的麻烦，在每台UPS的控制板上配置好“并机逻辑控制板”，并且做好两台UPS间的并机通信连接;两台UPS同频、同相、同输出电压幅值运行，将输出直接并接在一起，两台UPS各承担50%的负载均流运行向负载供电。
市电断电或市电电压超过范围：两台UPS同时转电池逆变运行，并保持均分给负载供电。此时若其中一台发生故障，在并机控制程序命令下自动将该UPS退出运行，另一台UPS继续正常运行，并承担100%负载功率。系统给出不具备冗余功能告警提示
其中一台UPS发生输入环节故障（图中IRP＼IRE环节故障），另一路UPS将继续在市电提供的交流电源的支持下承担100%负载功率，系统给出不具备冗余功能告警提示，与此同时，输入环节故障的UPS由于失去可跟踪市电信号，它会在并机程序控制命令下，转电池逆变运行工作状态，直到电池放电到极限保护值后退出运行。
如果一台UPS在逆变部分出现故障，在并机控制程序命令下自动将该UPS退出运行，其负载由另一台UPS承担100负载功率，系统给出不具备冗余功能告警提示，这就是并机系统所谓的"选择性自动脱机"，故并机系统有能力识别出究竟是哪台 UPS单机出现故障，并将该出现故障的UPS从并机系统完全脱开，以免影响并机系统的正常工作。在一台UPS因故障而脱机的情况下，运行中UPS再发生过负载或发生逆变部分故障时，则此台UPS自动转静态旁路运行，此时，只要市电端没有断电，系统实现不间断供电;
在市电和两台UPS证常运行时，负载发生过载或短路现象。当过载量大于一台UPS单机输出功率，但小于两台UPS的输出功率的总功率时，并机系统继续向负载供电，但此时的并机系统将从具有容错功能的冗余工作状态进入没有任何容错功能的非冗余工作状态。并且系统给出不具备冗余功能告警提示。当过载量超过两台UPS的总输出功率或者负载端发生短路，短路电流未及时使负载通路中相应的保险丝熔断（断路器开关跳闸），系统检测到危及并机系统的安全运行时，在并机控制程序命令下，同时将两台UPS自动转静态旁路运行。 5、厂家故障检查报告
根据厂家故障检查报告，本次雷达站UPS故障的直接诱因是由于交流输入电压超限，造成UPS EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件;
6、剖析故障发生原因
此次故障从厂家故障检查报告表象来看，是由于交流输入电压超限，造成UPS2#机EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件。但是从UPS技术理论上讲，UPS不应该因自身局部故障导致系统供电停止，尤其是并机冗余系统，是目前可靠系数达到99.85%的供电方案。那么，是什么原因导致系统输出断电呢？
6.1设备维护检测不到位
根据厂家故障检查报告，本次故障的直接诱因是由于交流输入电压超限，造成UPS2#机 EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件;按照并机系统工作运行方式，如果是交流输入电压超限，应该二台机都应该转电池逆变运行，从反馈信息里没有，由此估判是由于故障机EMI板电子元器件老化，无法承受正常电压，造成击穿、短路拉弧，同时烧损旁路辅助电源板，短路并产生的大电流反串到直流母线抬高母线电位造成旁路辅助电源板短路，同时UPS2#机旁路Q1、主输入Q2、L1、L3、L5开关相继跳闸，使UPS输出电压降突降，检测电路识别是过载且无法承受，立即关闭逆变转到旁路，而此时市电端因开关跳闸已经中断供电至此，并机系统宕机断电
6.2主输入与旁路共用一路开关
根据UPS的工作原理，当并机系统检测到短路产生严重超载，UPS1#机后备蓄电池组和逆变电路不可以投入工作，系统将无条件向旁路切换，但由于＼L1＼L3＼L5开关相继跳闸开关已跳开，旁路掉电，系统无法转到旁路，导致系统宕机断电。厂家在设计时是将UPS输入分为主路输入和旁路输入，就是为了防止当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入开关跳闸，保证旁路有电源，避免造成负载断电事故发生。然而在UPS安装中，由于施工人员未能充分理解UPS的工作原理与市电输入方式的关系，没有对UPS主输入和自动旁路输入作隔离要求，因而两个输入都是由同一个开关引入，机器内部作连接处理，此接法存在严重的“单点故障”隐患，所以当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入空开跳闸，共用同一空开的自动旁路将同时失效，造成负载断电事故发生。
6.3上、下级开关层级和上、下级开关级联保护配置失误
从电力专业角度，力求系统简单;上、下级开关级联少;线路断点少，尽量避免由于断点而产生的断电事故发生。从反馈系统图看，从市电到UPS输入开关尽然设置了五级开关（除去ATS切换开关），可以肯定这样的配置上、下级开关级联保护是无法设定;从事故反馈信息看也验证判断，此次短路使五级开关（除去ATS切换开关）全部跳闸。
7、整改建议
7.1针对运行5年以上的UPS设备进行易损件的预防性更换，防止类似故障再次出现，易损件包括：交流滤波电容、直流母线滤波电容、风扇、辅助电源板等，以提高设备运行的可靠性和延长UPS使用寿命。
7.2针对运行5年以上的UPS设备进行定期巡检及深度維护，关注内部元器件性能，定期对UPS风扇、电容、板件接插情况进行检查，维护周期：UPS运行1-5年：每3年深度检测一次;运行6-10年：每2年深度检测一次;运行10年以上：每年检测一次。
7.3单位内部没有专业技术人员时，建议对UPS电源产品进行原厂维保，以保证UPS设备维护的深度，同时可以提前预防和排除类似的设备隐患，提高故障响应度，加快故障现场处理时限。
7.4重新调整市电侧开关层级，最多少不超过三级（不包含ATS），重新调节开关保护整定值，实现前后级的级间匹配。
7.5主输入与旁路分开，避免同时断电
7.6尽快修订空管系统内的相关专业维护维修规范。
关键词：UPS;并机系统;单机故障;系统中断供电
Abstract： Analyze the downtime of the UPS parallel system that occurs in an air traffic control bureau， and discuss whether the 1+1 parallel system is interrupted due to one of the faults.
Key words： UPS; parallel system; single machine failure; system interrupted power supply
1、引 言
UPS电源采用并列运行是为了保障通信导航监视设备平稳持续运行，在極端情况下有足够的时间处理紧急情况，并且UPS并列运行可以令并行组中有故障的一台UPS退出工作而不影响另一台UPS的正常工作。下面以实例论述为什么并列运行UPS当一台UPS发生故障造成系统全部宕机。
2、故障现状及设备运行模式
从某局反馈信息了解：某日当班人员听到UPS告警声，立即前往UPS间查看，发现两台UPS均已停机并告警。检查机房设备均已断电关机，柴油发电机没有启动声音;检查低压柜时，发现L1、 L3、L5和UPS2进线相应空气断路器均已跳闸，检查低压柜均无打火烧焦短路的痕迹、无异味;在UPS2上可以闻到有轻微的焦味，当班人员初步确定故障原因为UPS2发生故障，在退出#2故障机时发现UPS2主路输入开关Q1、旁路Q2无法断开。
该系统采用是XX生的UL33系列容量60kva不间断电源，采用1+1并机运行模式;UPS输入电源由两路市电经双电源切换开关（ATS）切换一路，在与应急电源（柴油发电机组）经双电源切换开关（ATS）切换一路供给1+1并机系统。
该套UPS持续运行9年，一直未对该套UPS进行任何深度的检测维护。
3、UL33系列UPS产品性能、原理
UL33系列UPS采用高频双变换结构和先进的全数字控制技术，带输出隔离变压器;输入电压范围超宽（-45%～+15%）。主要包括由整流模块（REC）和逆变模块（INV）组成的AC-DC-AC变换主回路、由反向并联的可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器和逆变静态开关、蓄电池组以及输入Q1、旁路Q2、输出空开Q5等;其中，空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块将交流电源变成直流电源，逆变模块进行DC/AC变换，将整流模块和蓄电池提供的直流电源变换成交流电源，经过隔离变压器输出。蓄电池组在交流停电时通过逆变向负载供电。输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。
主路输入电源从Q1输入，通过熔断器，经自耦变压器降压，通过输入电感进入高频六管整流单元，高频整流将三相交流电变换为稳定的直流电源，实现功率因数校正，整流器同时具有充电器的功能。蓄电池通过接触器接入，只有在直流母线电压达到一定阀值时接触器才能将蓄电池组与直流母线并联接通，蓄电池通过直流滤波电路向逆变器提供直流电源。逆变器采用DSP实时处理的全数字矢量控制技术，通过SVPWM调制六只IGBT功率开关器件，把直流母线电源变换成三相交流。输出经过△/Z0变压器、静态开关、快速熔断器、空气断路器等功能单元，实现负载端与输入侧的隔离。旁路输入电源从空气断路器Q2输入，通过旁路静态开关的控制后输出。通过控制旁路静态开关和逆变器输出静态开关的通断状态可实现多种工作模式的切换。
4、1+1冗余并机系统工作模式
为了正确判别引起设备故障原因，首先必须准确知道1+1冗余并机系统工作方式。
并机系统运行条件：系统最大稳态负载功率应等于或者小于一台单机额定输出功率。
正常运行状态：两台UPS的输入端接在同一路市电上，因有两路市电输入，可以通过ATS开关切换为一路，这样可避免UPS在工作频率跟踪和锁相问题上的麻烦，在每台UPS的控制板上配置好“并机逻辑控制板”，并且做好两台UPS间的并机通信连接;两台UPS同频、同相、同输出电压幅值运行，将输出直接并接在一起，两台UPS各承担50%的负载均流运行向负载供电。
市电断电或市电电压超过范围：两台UPS同时转电池逆变运行，并保持均分给负载供电。此时若其中一台发生故障，在并机控制程序命令下自动将该UPS退出运行，另一台UPS继续正常运行，并承担100%负载功率。系统给出不具备冗余功能告警提示
其中一台UPS发生输入环节故障（图中IRP＼IRE环节故障），另一路UPS将继续在市电提供的交流电源的支持下承担100%负载功率，系统给出不具备冗余功能告警提示，与此同时，输入环节故障的UPS由于失去可跟踪市电信号，它会在并机程序控制命令下，转电池逆变运行工作状态，直到电池放电到极限保护值后退出运行。
如果一台UPS在逆变部分出现故障，在并机控制程序命令下自动将该UPS退出运行，其负载由另一台UPS承担100负载功率，系统给出不具备冗余功能告警提示，这就是并机系统所谓的"选择性自动脱机"，故并机系统有能力识别出究竟是哪台 UPS单机出现故障，并将该出现故障的UPS从并机系统完全脱开，以免影响并机系统的正常工作。在一台UPS因故障而脱机的情况下，运行中UPS再发生过负载或发生逆变部分故障时，则此台UPS自动转静态旁路运行，此时，只要市电端没有断电，系统实现不间断供电;
在市电和两台UPS证常运行时，负载发生过载或短路现象。当过载量大于一台UPS单机输出功率，但小于两台UPS的输出功率的总功率时，并机系统继续向负载供电，但此时的并机系统将从具有容错功能的冗余工作状态进入没有任何容错功能的非冗余工作状态。并且系统给出不具备冗余功能告警提示。当过载量超过两台UPS的总输出功率或者负载端发生短路，短路电流未及时使负载通路中相应的保险丝熔断（断路器开关跳闸），系统检测到危及并机系统的安全运行时，在并机控制程序命令下，同时将两台UPS自动转静态旁路运行。 5、厂家故障检查报告
根据厂家故障检查报告，本次雷达站UPS故障的直接诱因是由于交流输入电压超限，造成UPS EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件;
6、剖析故障发生原因
此次故障从厂家故障检查报告表象来看，是由于交流输入电压超限，造成UPS2#机EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件。但是从UPS技术理论上讲，UPS不应该因自身局部故障导致系统供电停止，尤其是并机冗余系统，是目前可靠系数达到99.85%的供电方案。那么，是什么原因导致系统输出断电呢？
6.1设备维护检测不到位
根据厂家故障检查报告，本次故障的直接诱因是由于交流输入电压超限，造成UPS2#机 EMI板短路拉弧，进而引发台站设备掉电事件;按照并机系统工作运行方式，如果是交流输入电压超限，应该二台机都应该转电池逆变运行，从反馈信息里没有，由此估判是由于故障机EMI板电子元器件老化，无法承受正常电压，造成击穿、短路拉弧，同时烧损旁路辅助电源板，短路并产生的大电流反串到直流母线抬高母线电位造成旁路辅助电源板短路，同时UPS2#机旁路Q1、主输入Q2、L1、L3、L5开关相继跳闸，使UPS输出电压降突降，检测电路识别是过载且无法承受，立即关闭逆变转到旁路，而此时市电端因开关跳闸已经中断供电至此，并机系统宕机断电
6.2主输入与旁路共用一路开关
根据UPS的工作原理，当并机系统检测到短路产生严重超载，UPS1#机后备蓄电池组和逆变电路不可以投入工作，系统将无条件向旁路切换，但由于＼L1＼L3＼L5开关相继跳闸开关已跳开，旁路掉电，系统无法转到旁路，导致系统宕机断电。厂家在设计时是将UPS输入分为主路输入和旁路输入，就是为了防止当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入开关跳闸，保证旁路有电源，避免造成负载断电事故发生。然而在UPS安装中，由于施工人员未能充分理解UPS的工作原理与市电输入方式的关系，没有对UPS主输入和自动旁路输入作隔离要求，因而两个输入都是由同一个开关引入，机器内部作连接处理，此接法存在严重的“单点故障”隐患，所以当设备内部短路，产生严重过载，导致主输入空开跳闸，共用同一空开的自动旁路将同时失效，造成负载断电事故发生。
6.3上、下级开关层级和上、下级开关级联保护配置失误
从电力专业角度，力求系统简单;上、下级开关级联少;线路断点少，尽量避免由于断点而产生的断电事故发生。从反馈系统图看，从市电到UPS输入开关尽然设置了五级开关（除去ATS切换开关），可以肯定这样的配置上、下级开关级联保护是无法设定;从事故反馈信息看也验证判断，此次短路使五级开关（除去ATS切换开关）全部跳闸。
7、整改建议
7.1针对运行5年以上的UPS设备进行易损件的预防性更换，防止类似故障再次出现，易损件包括：交流滤波电容、直流母线滤波电容、风扇、辅助电源板等，以提高设备运行的可靠性和延长UPS使用寿命。
7.2针对运行5年以上的UPS设备进行定期巡检及深度維护，关注内部元器件性能，定期对UPS风扇、电容、板件接插情况进行检查，维护周期：UPS运行1-5年：每3年深度检测一次;运行6-10年：每2年深度检测一次;运行10年以上：每年检测一次。
7.3单位内部没有专业技术人员时，建议对UPS电源产品进行原厂维保，以保证UPS设备维护的深度，同时可以提前预防和排除类似的设备隐患，提高故障响应度，加快故障现场处理时限。
7.4重新调整市电侧开关层级，最多少不超过三级（不包含ATS），重新调节开关保护整定值，实现前后级的级间匹配。
7.5主输入与旁路分开，避免同时断电
7.6尽快修订空管系统内的相关专业维护维修规范。