论文部分内容阅读
[摘 要]UPS作为稳定、不间断电力供应设备，越来越多被应用于输气场站，通常用于给通讯、自动控制系统等需要持续稳定电源的精密设备供电。本文通过对场站UPS设备故障实例分析，为输气场站UPS运行管理提供借鉴与帮助。
[关键词]UPS；蓄电池；维护
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0350-01
随着自动控制系统的普及，UPS（不间断电源）也更多地被应用于输气场站，作为场站通讯、SCADA系统的电源。UPS可以在场站失去市电供应后，保证控制系统监控、数据记录与储存等基本用电。同时，由于UPS具有整流等作用，可以为场站精密仪器提供更加稳定的电力供应，因此UPS设备正常运行对于场站安全运行具有重要意义。
国内市电供应充足，通常不会出现供电不稳、长时间失电等苛刻工况，对UPS运行要求相对较低，因此许多场站忽视了对于UPS相关维护保养。笔者将结合自身在非洲电力紧张地区输气场站实际工作经验，分析UPS运行过程中出现的问题，希望对相关设备运行维护提供借鉴。
1 UPS基本工作原理
某场站配备了2×10KVA索科曼UPS，每台主机配置44块阀控铅酸电池，额定电压12V，终止放电电压10.5V。UPS供电系统基本结构原理如图1所示。
UPS共接入四路电源，按照图中从上到下的顺序，第一路电源在UPS系统检修时使用，由市电直接向负载供电；第二路电源为市电经隔离变压器、稳压器后向负载供电，此路电源作为UPS系统旁路回路；第三路电源为市电经过整流器、逆变器、隔离变压器后作为UPS主工作电源，并为电池柜电池充电；第四路电源为蓄电池组经逆变、隔离变压器后输出。其中第一路与第二路电源整合于旁路柜中。
UPS正常工作模式为ON LINE在线模式，能充分提供高度稳定的电压和频率，根据市电和负载条件具有三种操作方式：“正常”模式采用第三路电源为UPS供电，“旁路”模式是指当逆变器故障时，负载被自动转移到辅助市电上而没有临时供电中断，“电池”模式为市电故障时UPS利用储存在电池中能力继续给负载供电。当市电持续存在过载情况或者内部温度超出允许最大值时，UPS也会转为旁路模式供电。
2 UPS故障实例分析
2.1 旁路柜故障现象与分析
UPS旁路柜运行过程中，输出电压多次从正常240V（当地电压）突然下降至40V，几分钟或几秒钟后恢复至240V，每次电压突变均伴随着旁路柜内部接触器合闸/分闸。另一种故障表现为SCADA系统经常出现“UPS旁路柜输出值超出范围”报警信息。虽然UPS旁路柜内部安装有稳压器，但由于输入电压不稳定，长期运行后对旁路柜造成严重损害。旁路柜故障停用UPS将缺少一层防护，一旦逆变器损坏，UPS将无法正常向自控系统供电。
这两种故障原因均由于输入电压不稳定。输入侧电压超限导致输出保护，控制板给出信号控制输出接触器断开，当输入电压恢复正常后，接触器重新吸合，类似故障情况会随着输入电压变化反复出现。为彻底解决输入电压对旁路柜影响，场站对控制板内部接线进行了更改，使接触器在有电状态下一直处于吸合状态。由于UPS主机本身具有电压超限保护，旁路调压器可屏蔽此项功能。
2.2 电池故障现象与分析
场站正式运行仅半年，UPS电池即出现供电不足情况，在市电断电、发电机故障情况下，UPS仅持续了1个小时即停止放电，出现全站失电情况，ESD（紧急切断）系统市电，场站进出站阀门自动关断，造成生产中断。
UPS系统配置完全满足场站供电需求，在初期运行过程中曾连续运行2小时不断电。后续测试发现，UPS电池放电30min后多块电池即出现低于终止放电电压10.5V情况。结合场站运行实际运行情况，造成这种电池容量损失原因主要由以下两个：
（1）不规律放电，导致电池容量损失
正常条件下，铅蓄电池放电时会形成硫酸铅结晶，在充电时还原为铅。所在场站电力供应缺乏、供电电压不稳，同时运行前期场站备用发电机经常出现故障无法正常启机，造成UPS经常处于，负极形成坚硬硫酸盐，充电时无法转化为活性物质，导致电池容量降低。
（2）环境温度过高，电池失效
大多数电池均存在发热问题，阀控铅酸蓄电池出现发热问题可能性较大。由于场站电力供应不稳定，空调无法正常运行，UPS间长期处于高温状态，据观察，UPS柜内温度曾高达40℃。工作环境温度过高，电池充电量增加过快，电池内部温度随之增加，从而产生过热，最終导致电池失效。
根据设备手册，虽然UPS操作温度在0-40℃之间，但在15-25℃间运行时可延长电池寿命，长期较高温度下运行导致电池失效。同时，场站UPS设计采用的温度为26℃，实际运行温度长期高于30℃。当阀控铅酸蓄电池使用温度高于25℃时，每升高6-9℃，电池寿命缩短一半。浮充电压应根据温度相应补偿，但UPS主机并无此项功能，因此造成电池寿命缩减。
3 UPS系统维护建议
3.1 加强蓄电池维护
蓄电池是保障UPS不间断供应的核心，否则UPS仅能作为提供稳定电压、频率的电源。实践证明，约有一半以上的电源故障与蓄电池有关。有的UPS采用的阀控铅酸蓄电池虽然宣称免维护，但并不是不需要维护。电池变化是一个渐进与积累的过程，日常运行中做好运行记录是非常重要到，比如端电压、连接处有无松动与腐蚀、电池壳体有无渗漏和变形、极柱与安全阀周围是否存在酸雾酸液逸出等，电池管理参数也应经常查看。一旦发现电池存在失效情况，应及时更换，避免小问题酿成事故。
针对电池维护，需要加强相关维护人员培训，许多场站操作人员缺乏电池维护基本知识，对电池工作特性不够了解，使UPS长期处于不正常运行状态，最终对电池造成不可逆损害。
3.2 提高设备维护意识
国内市电供应稳定，很少出现长时间断电、供电不稳情况，因此许多单位生产运行过程中缺乏UPS设备维护。在UPS运行过程中要加强对主机日常维护，对防尘及易损零件的维护，避免频繁的开关机。
3.3 确保合适使用环境
为确保UPS寿命最大化，应尽量确保环境温度处于20-25℃之间，温度过低会降低电池容量，而高温会缩短电池寿命。因此应配备可靠的空调，保持电池间良好通风与散热，使设备处于恒温状态下运行。
4 结束语
UPS的正常运行对于输气场站安全、平稳运行具有重要意义，随着场站运行，UPS故障率也将越来越高。场站运营过程中应加强UPS主机、电池维护，作为一项日常性、长期的工作，及时整改小问题、小故障，避免由于供电对场站生产造成严重影响。本文所分析的故障类型较少，并且使用环境相较国内更加恶劣，希望通过本文对国内输气场站UPS运行维护人员提出一定借鉴。
参考文献
[1] 索科曼MASTERYS IP系列UPS安裝操作手册[Z]，2005.
[2] 牛莺雪.不间断电源（UPS）及其维护[J].信息技术，2013（31）.
[关键词]UPS；蓄电池；维护
中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）06-0350-01
随着自动控制系统的普及，UPS（不间断电源）也更多地被应用于输气场站，作为场站通讯、SCADA系统的电源。UPS可以在场站失去市电供应后，保证控制系统监控、数据记录与储存等基本用电。同时，由于UPS具有整流等作用，可以为场站精密仪器提供更加稳定的电力供应，因此UPS设备正常运行对于场站安全运行具有重要意义。
国内市电供应充足，通常不会出现供电不稳、长时间失电等苛刻工况，对UPS运行要求相对较低，因此许多场站忽视了对于UPS相关维护保养。笔者将结合自身在非洲电力紧张地区输气场站实际工作经验，分析UPS运行过程中出现的问题，希望对相关设备运行维护提供借鉴。
1 UPS基本工作原理
某场站配备了2×10KVA索科曼UPS，每台主机配置44块阀控铅酸电池，额定电压12V，终止放电电压10.5V。UPS供电系统基本结构原理如图1所示。
UPS共接入四路电源，按照图中从上到下的顺序，第一路电源在UPS系统检修时使用，由市电直接向负载供电；第二路电源为市电经隔离变压器、稳压器后向负载供电，此路电源作为UPS系统旁路回路；第三路电源为市电经过整流器、逆变器、隔离变压器后作为UPS主工作电源，并为电池柜电池充电；第四路电源为蓄电池组经逆变、隔离变压器后输出。其中第一路与第二路电源整合于旁路柜中。
UPS正常工作模式为ON LINE在线模式，能充分提供高度稳定的电压和频率，根据市电和负载条件具有三种操作方式：“正常”模式采用第三路电源为UPS供电，“旁路”模式是指当逆变器故障时，负载被自动转移到辅助市电上而没有临时供电中断，“电池”模式为市电故障时UPS利用储存在电池中能力继续给负载供电。当市电持续存在过载情况或者内部温度超出允许最大值时，UPS也会转为旁路模式供电。
2 UPS故障实例分析
2.1 旁路柜故障现象与分析
UPS旁路柜运行过程中，输出电压多次从正常240V（当地电压）突然下降至40V，几分钟或几秒钟后恢复至240V，每次电压突变均伴随着旁路柜内部接触器合闸/分闸。另一种故障表现为SCADA系统经常出现“UPS旁路柜输出值超出范围”报警信息。虽然UPS旁路柜内部安装有稳压器，但由于输入电压不稳定，长期运行后对旁路柜造成严重损害。旁路柜故障停用UPS将缺少一层防护，一旦逆变器损坏，UPS将无法正常向自控系统供电。
这两种故障原因均由于输入电压不稳定。输入侧电压超限导致输出保护，控制板给出信号控制输出接触器断开，当输入电压恢复正常后，接触器重新吸合，类似故障情况会随着输入电压变化反复出现。为彻底解决输入电压对旁路柜影响，场站对控制板内部接线进行了更改，使接触器在有电状态下一直处于吸合状态。由于UPS主机本身具有电压超限保护，旁路调压器可屏蔽此项功能。
2.2 电池故障现象与分析
场站正式运行仅半年，UPS电池即出现供电不足情况，在市电断电、发电机故障情况下，UPS仅持续了1个小时即停止放电，出现全站失电情况，ESD（紧急切断）系统市电，场站进出站阀门自动关断，造成生产中断。
UPS系统配置完全满足场站供电需求，在初期运行过程中曾连续运行2小时不断电。后续测试发现，UPS电池放电30min后多块电池即出现低于终止放电电压10.5V情况。结合场站运行实际运行情况，造成这种电池容量损失原因主要由以下两个：
（1）不规律放电，导致电池容量损失
正常条件下，铅蓄电池放电时会形成硫酸铅结晶，在充电时还原为铅。所在场站电力供应缺乏、供电电压不稳，同时运行前期场站备用发电机经常出现故障无法正常启机，造成UPS经常处于，负极形成坚硬硫酸盐，充电时无法转化为活性物质，导致电池容量降低。
（2）环境温度过高，电池失效
大多数电池均存在发热问题，阀控铅酸蓄电池出现发热问题可能性较大。由于场站电力供应不稳定，空调无法正常运行，UPS间长期处于高温状态，据观察，UPS柜内温度曾高达40℃。工作环境温度过高，电池充电量增加过快，电池内部温度随之增加，从而产生过热，最終导致电池失效。
根据设备手册，虽然UPS操作温度在0-40℃之间，但在15-25℃间运行时可延长电池寿命，长期较高温度下运行导致电池失效。同时，场站UPS设计采用的温度为26℃，实际运行温度长期高于30℃。当阀控铅酸蓄电池使用温度高于25℃时，每升高6-9℃，电池寿命缩短一半。浮充电压应根据温度相应补偿，但UPS主机并无此项功能，因此造成电池寿命缩减。
3 UPS系统维护建议
3.1 加强蓄电池维护
蓄电池是保障UPS不间断供应的核心，否则UPS仅能作为提供稳定电压、频率的电源。实践证明，约有一半以上的电源故障与蓄电池有关。有的UPS采用的阀控铅酸蓄电池虽然宣称免维护，但并不是不需要维护。电池变化是一个渐进与积累的过程，日常运行中做好运行记录是非常重要到，比如端电压、连接处有无松动与腐蚀、电池壳体有无渗漏和变形、极柱与安全阀周围是否存在酸雾酸液逸出等，电池管理参数也应经常查看。一旦发现电池存在失效情况，应及时更换，避免小问题酿成事故。
针对电池维护，需要加强相关维护人员培训，许多场站操作人员缺乏电池维护基本知识，对电池工作特性不够了解，使UPS长期处于不正常运行状态，最终对电池造成不可逆损害。
3.2 提高设备维护意识
国内市电供应稳定，很少出现长时间断电、供电不稳情况，因此许多单位生产运行过程中缺乏UPS设备维护。在UPS运行过程中要加强对主机日常维护，对防尘及易损零件的维护，避免频繁的开关机。
3.3 确保合适使用环境
为确保UPS寿命最大化，应尽量确保环境温度处于20-25℃之间，温度过低会降低电池容量，而高温会缩短电池寿命。因此应配备可靠的空调，保持电池间良好通风与散热，使设备处于恒温状态下运行。
4 结束语
UPS的正常运行对于输气场站安全、平稳运行具有重要意义，随着场站运行，UPS故障率也将越来越高。场站运营过程中应加强UPS主机、电池维护，作为一项日常性、长期的工作，及时整改小问题、小故障，避免由于供电对场站生产造成严重影响。本文所分析的故障类型较少，并且使用环境相较国内更加恶劣，希望通过本文对国内输气场站UPS运行维护人员提出一定借鉴。
参考文献
[1] 索科曼MASTERYS IP系列UPS安裝操作手册[Z]，2005.
[2] 牛莺雪.不间断电源（UPS）及其维护[J].信息技术，2013（31）.