UPS 原理和故障案例分享
摘要:不間斷電源UPS (Uninterruptible Power System)，主要是由整流器、 逆變器、靜態(tài)旁路和儲(chǔ)能裝置等組成;具備高可靠性、高可用性和高質(zhì)量的獨(dú)立 電源。通過(guò)對(duì)收集的 UPS 故障案例進(jìn)行分析，從施工，調(diào)試和運(yùn)行三個(gè)方面篩選 出四個(gè)故障案例與大家進(jìn)行分享。
關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)中心;UPS;濾波電容;旁路帶載不均衡
1. UPS原理
1.1 UPS 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
1.2 主要元器件和功能介紹
(1)整流器(Rectifier):是一個(gè)將交流(AC)轉(zhuǎn)化為直流(DC)的裝置，由整流橋、 控制邏輯和濾波電路等組成。主要功能為:1將交流電(AC)變成直流電(DC)， 經(jīng)濾波后供給負(fù)載或逆變器使用;2為蓄電池提供充電電壓，起到充電器的 作用。
(2)逆變器(Inverter):是一個(gè)將直流(DC)轉(zhuǎn)化為交流(AC)的裝置，由逆變橋、 控制邏輯和濾波電路等組成。應(yīng)用于 UPS 時(shí)，將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為 50Hz 交流電(220/380AC)。
(3) 靜態(tài)旁路:可以隔離逆變器并提供額外交流旁路電源向末端負(fù)載供電，由旁路靜態(tài)開(kāi)關(guān)、控制邏輯和驅(qū)動(dòng)電路等組成，并與逆變器電源輸出靜態(tài)開(kāi)關(guān)進(jìn)行聯(lián)鎖，用于負(fù)載電源的不間斷切換。
(4) EMI 濾波:由串聯(lián)電抗器和并聯(lián)電容器組成的低通濾波裝置(常用有:LC 濾波器/LCL 濾波器)，對(duì)高頻干擾信號(hào)有較大的阻礙和抑制作用。其主要作用: 1抑制交流電網(wǎng)中的高頻干擾對(duì)設(shè)備的影響;2抑制設(shè)備(高頻開(kāi)關(guān)電源)產(chǎn) 生的高頻干擾對(duì)交流電網(wǎng)的影響。
(5)濾波電容:是并聯(lián)在整流電路輸出端，用于降低交流脈動(dòng)波紋系數(shù)、平滑直 流輸出的儲(chǔ)能器件。采用直流供電的電子電路中，濾波電容能使直流電源輸 出平滑穩(wěn)定，同時(shí)降低交變脈動(dòng)電流對(duì)電子電路的影響，還可以吸收電子電 路工作中產(chǎn)生的電流波動(dòng)和交流電源串入的干擾，使電子電路的工作性能更 加穩(wěn)定。
(6) DC/DC變換器:是將基礎(chǔ)直流電源(電壓固定)轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌妷褐档闹绷髯儞Q 裝置，也稱(chēng)為直流斬波。按功能類(lèi)型分為:降壓斬波器、升壓斬波器和降壓/升壓斬波器。
(7)旁路追蹤:UPS 的旁路追蹤功能是實(shí)現(xiàn)不間斷供電的重要控制技術(shù)之一。
1) 由于故障發(fā)生的隨機(jī)性，UPS本身不知道在什么時(shí)間需要切換至旁路。所 以逆變器會(huì)時(shí)刻跟蹤旁路，用于調(diào)整逆變器的輸出電源波形，使之與旁路 電源同頻率、同相位、同幅度;這樣 UPS 的逆變器和旁路之間才能進(jìn)行不間斷切換。
2) 為了保證UPS輸出合格純凈的電源，UPS允許的頻率、相位和幅度的偏差很小，這樣就與市電有差異，存在一個(gè)同步窗口(可參考 UPS 手冊(cè)關(guān)于輸 出電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)和規(guī)定)。在同步窗口范圍內(nèi)，逆變器會(huì)持續(xù)追蹤 旁路電源;如果旁路電源的質(zhì)量超出同步的范圍，逆變器輸出就不會(huì)跟蹤 旁路，將以自己的本征頻率、相位和幅度工作，并觸發(fā)內(nèi)部事件記錄。通 常記錄事件信息內(nèi)容有兩種: 1旁路超限，2旁路不同步。
2.故障案例
2.1 案例一:開(kāi)啟 UPS 進(jìn)行并機(jī)時(shí)發(fā)生電容損壞，設(shè)備頂部冒煙(蒸汽)并噴射出大量電解質(zhì)
(1)故障背景:兩臺(tái) 600kVA 的 UPS(1#、2#)并機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行并機(jī)時(shí)突發(fā)電容故障。(2) 故障情況:1#和 2#UPS 送電正常，進(jìn)行并機(jī)操作時(shí)，2#UPS 頂部冒煙(蒸汽)并噴出大量電解質(zhì)。由于是 UPS 開(kāi)機(jī)時(shí)發(fā)生故障，工程師應(yīng)急處理及時(shí)并未發(fā)生短路和其他次生故障。
(3) 故障原因:經(jīng)過(guò)拆機(jī)檢查后，發(fā)現(xiàn) C 相逆變器模塊有一個(gè)電容(直流母線)內(nèi)部短路損壞。
(4) 故障處理:更換 2#UPS 的 C 相逆變器模塊。
(5)總結(jié)分析
1) 故障UPS是2018年9月完成綜合測(cè)試投入使用，2020年2月發(fā)生電容損壞故障;由于 UPS 運(yùn)行時(shí)間約 1 年半左右，對(duì)該批次的電容質(zhì)量產(chǎn)生擔(dān)憂。 在故障維修完成后，要求 UPS 生產(chǎn)廠家將故障配件進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)同批次 電容使用情況進(jìn)行追蹤。
2) 通過(guò)對(duì)廠家提供的測(cè)試報(bào)告內(nèi)容進(jìn)行分析，以及同批次電容也無(wú)不良記 錄，初步判斷為個(gè)別元器件隨機(jī)發(fā)生的故障。后期對(duì) UPS 運(yùn)行情況的跟進(jìn)， 該數(shù)據(jù)中心內(nèi)同批次的 36 臺(tái) UPS(含故障機(jī)組)使用至今約 5 年，設(shè)備運(yùn)行 正常，并未發(fā)生過(guò)類(lèi)似故障。
(6)電容的使用壽命和預(yù)防性維護(hù)
1) 滿足以下任何一個(gè)條件，均可以判斷電容的工作壽命已經(jīng)結(jié)束。
a)外觀:不能有明顯異常,比如破損、鼓起、漏液、爆裂等。
b) 容量:低于產(chǎn)品手冊(cè)的規(guī)定值;無(wú)規(guī)定時(shí)，容量<80%初始容量。c) 其他:電容的漏電流或損耗超過(guò)產(chǎn)品手冊(cè)內(nèi)的規(guī)定值。
2) 數(shù)據(jù)中心UPS配電室的溫/濕度環(huán)境較好，電容使用5~6年后一般不會(huì)失 效，但漏電流和損耗會(huì)增加。隨著繼續(xù)使用的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)生失效的概率 加大，UPS 自身又無(wú)法監(jiān)測(cè)電容的壽命，就如一顆“啞彈”時(shí)刻存在安全 隱患。因此一旦發(fā)生電容失效，容易造成 UPS 故障宕機(jī)，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)擴(kuò) 大故障范圍，影響末端設(shè)備的供電可靠性。所以 UPS 維護(hù)手冊(cè)一般要求設(shè) 備運(yùn)行滿 5 年后，就需要進(jìn)行一次檢查和大修，并更換電容和風(fēng)扇。
3) 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YD/T1970.4-2009 通信局(站)電源系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)要求》對(duì)電容 和散熱風(fēng)扇進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)的建議。
2.2 案例二:正常運(yùn)行的 UPS 并機(jī)系統(tǒng)發(fā)生單機(jī)故障，故障 UPS 直接宕機(jī)
(1)故障背景:四臺(tái) 600kVA 的 UPS(1#、2#、3#、4#)并機(jī)系統(tǒng)，正常運(yùn)行中突發(fā) 單機(jī)故障，造成 2#UPS 故障宕機(jī)和 1#UPS 受沖擊存在安全隱患。
(2)故障情況
1) 運(yùn)維工作人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)2#UPS故障宕機(jī)(告警:直流母線欠壓)，1#、3#和 4#UPS 正常并機(jī)運(yùn)行。查看正常運(yùn)行 UPS 的控制面板，均無(wú)告警信息。2) 廠家工程師到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行檢查;發(fā)現(xiàn) 2#UPS 的 1 號(hào)模塊REC-A相、INV-A 和 B 相模塊溫度異常、保險(xiǎn)斷開(kāi)、K3 故障損壞。
3) 檢查1#、3#和4#UPS內(nèi)部的運(yùn)行日志，發(fā)現(xiàn)故障期間1#UPS有電池供電記 錄，1#UPS的2號(hào)模塊C相INV模塊溫度異常，一個(gè)保險(xiǎn)斷開(kāi)。3#和4#UPS經(jīng)檢查后，內(nèi)部監(jiān)控參數(shù)無(wú)異常。
(3) 故障原因
1) 廠家對(duì)返回模塊檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2#UPS的A相整流和逆變模塊以及B相逆變模 塊故障;B 相整流模塊、C 相整流和逆變模塊，以及電池模塊僅是熔絲熔 斷。
2) 經(jīng)過(guò)QA和RD一同拆解，認(rèn)為是INV-A模塊故障引起后續(xù)故障，分析為IGBT模塊擊穿損壞，并引起直流熔絲損壞。
(4)故障處理:更換 1#UPS 和 2#UPS 的故障模塊、熔絲、接口板件和輸出接觸器 等配件。
(5)總結(jié)分析
1) 此次故障案例有兩個(gè)特點(diǎn)，1故障短路電流大，產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動(dòng)力大，造成硬件損壞嚴(yán)重;2不僅發(fā)生故障的 UPS 出現(xiàn)宕機(jī)，還對(duì)并機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的1#UPS 產(chǎn)生沖擊，造成 2 號(hào)模塊 C 相 INV 模塊溫度異常，一個(gè)保險(xiǎn)斷開(kāi)， 存在安全隱患(UPS 操作面板無(wú)故障告警)。
2) 在UPS并機(jī)系統(tǒng)發(fā)生短路故障后，除了對(duì)故障UPS進(jìn)行檢查外，還需對(duì)該 組的其他 UPS 進(jìn)行一次全面的檢查，排查 UPS 的潛在隱患。不要因?yàn)樵O(shè)備 表面運(yùn)行正常和操作面板無(wú)告警信息，出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，為以后的運(yùn)行安全 埋下隱患。
2.3 案例三:進(jìn)行 UPS 開(kāi)機(jī)測(cè)試時(shí)，直流框架斷路器整定模塊(帶液晶顯示)故障損壞
(1)故障背景:UPS 開(kāi)機(jī)進(jìn)行單機(jī)測(cè)試和蓄電池充電。
(2) 故障情況:直流框架斷路器整定模塊故障損壞，內(nèi)部電路板燒壞。
(3) 故障原因:UPS 控制軟件問(wèn)題，導(dǎo)致直流母線有較大的交變脈動(dòng)電流，造成直流框架斷路器整定模塊內(nèi)部電路板燒壞。
(4) 故障處理:更新 UPS 控制軟件版本，優(yōu)化控制方法。
(5)總結(jié)分析
1) 從UPS主路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，能造成直流母線存在較大交變脈動(dòng)電流的主要原因有兩個(gè):1直流母線上有部分電容失效，電容的容量減小，濾波能力 下降;2整流器控制或參數(shù)存在缺陷，造成直流母線上的交變脈動(dòng)電流含 量過(guò)大，造成直流母線上的電容無(wú)法完全濾除。
2) 現(xiàn)場(chǎng)對(duì)UPS(新設(shè)備)電容進(jìn)行檢查，可以排除電容原因引起的故障，初步 懷疑 UPS 的控制軟件有問(wèn)題。通過(guò)對(duì) UPS 控制軟件進(jìn)行版本更新后，問(wèn)題 得到解決，UPS 運(yùn)行正常。
2.4 案例四:UPS 并機(jī)系統(tǒng)旁路帶載測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重的帶載不平衡
(1)故障背景:三臺(tái) 600kVA 的 UPS(1#、2#、3#)并機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行旁路帶載測(cè)試， 出現(xiàn)嚴(yán)重的帶載不平衡。
(2)故障情況:IT 機(jī)房負(fù)載加到約 1040KW(4KW*260)，1#UPS 負(fù)載率為 54%，2#UPS負(fù)載率為59%，3#UPS 負(fù)載率為 80%，由于三臺(tái) UPS 的負(fù)載率偏差太大，暫停此測(cè)試項(xiàng)目，并查找原因。
(3) 故障原因:三臺(tái) UPS 靜態(tài)旁路輸入電纜和 UPS 輸出電纜總阻抗相差過(guò)大，造成UPS 旁路帶載時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的帶載不平衡。
(4) 故障處理:對(duì)旁路和輸出電纜的長(zhǎng)度進(jìn)行復(fù)核和測(cè)量，對(duì)總阻抗小的電纜進(jìn)行整改和更換。
(5) 總結(jié)分析
1) 600kVA的UPS有功輸出600kVA*0.9=540kW，旁路輸入框架斷路器長(zhǎng)延時(shí) 最大值為1000A，帶載容量658kVA，按阻性負(fù)載計(jì)算是658kW。運(yùn)行1000A電流時(shí) UPS 的負(fù)載率:658/540*100%=121.9%。所以在三臺(tái) UPS 并機(jī)系統(tǒng) 靜態(tài)旁路進(jìn)行帶載測(cè)試時(shí)，其中任意一臺(tái)負(fù)載率超過(guò) 121.9%，將會(huì)造成旁 路輸入框架斷路器陸續(xù)跳閘，嚴(yán)重時(shí)可能造成 UPS 故障損壞(例如:熔絲 或靜態(tài)開(kāi)關(guān)損壞)。
2) 對(duì)UPS旁路電纜型號(hào)、長(zhǎng)度、近似直流電阻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，1#UPS電纜 總長(zhǎng) 25.5 米，2#UPS 電纜總長(zhǎng) 21 米，3#UPS 電纜總長(zhǎng) 16.5 米。
圖5 UPS旁路整改前電纜參數(shù)統(tǒng)計(jì)
3)整改方案的目標(biāo):UPS 并機(jī)系統(tǒng)旁路帶載時(shí)，UPS 負(fù)載率最大值和最小值 的差值≤10%。根據(jù)“圖 5”數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為了減少整改時(shí)的工作量和難 度，決定對(duì) 2#和 3#UPS 的輸出電纜進(jìn)行更換。電纜更換后，1#UPS 電纜總 長(zhǎng) 25.5 米，2#UPS 電纜總長(zhǎng) 25 米，3#UPS 電纜總長(zhǎng) 25.5 米。
圖6 UPS旁路整改后電纜參數(shù)統(tǒng)計(jì)
4)備注說(shuō)明:1由于電纜廠家資料只提供了電纜的近似直流電阻參數(shù)(20°C 時(shí))，所以不考慮電抗。2旁路參數(shù)的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算時(shí)，不考慮靜態(tài)旁路的 導(dǎo)通電阻、電纜接頭制作時(shí)損失部分和線路節(jié)點(diǎn)處的接觸電阻等。
(6) Simulink仿真1) Simulink模型
2)電纜整改前，測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比
3)電纜整改后，測(cè)試和仿真數(shù)據(jù)對(duì)比
4)備注說(shuō)明:Simulink仿真數(shù)據(jù)是理想化的計(jì)算結(jié)果，僅供整改前的參考， 還需以綜合測(cè)試驗(yàn)證的結(jié)果為準(zhǔn)。
(7)類(lèi)似案例分析
UPS 并機(jī)系統(tǒng)旁路帶載不均衡時(shí)，常用的整改方式有以下 4 種。1)更換旁路電纜;
2) 在旁路串聯(lián)補(bǔ)償電感;
3) 在旁路電纜上安裝均流磁環(huán);
4) 采用帶負(fù)載均衡功能的靜態(tài)旁路控制板。
(8)“圖 8”是旁路輸入電纜安裝均流磁環(huán)的情況。從右側(cè)圖片來(lái)看，使用均流 磁環(huán)整改時(shí)，建議安裝數(shù)量不宜過(guò)多。
綜上所述，以上所有整改方案，都費(fèi)時(shí)、費(fèi)力和費(fèi)錢(qián)，需額外增加人力和建 設(shè)成本。所以要規(guī)避UPS 旁路帶載不均衡問(wèn)題的發(fā)生，需要在建設(shè)期間做好以下 工作:1合理的 UPS 和配電柜位置布局，2根據(jù)設(shè)備位置合理的裁剪電纜，3電 纜敷設(shè)和制作電纜頭時(shí)，要做好交底和監(jiān)督工作。
3.結(jié)語(yǔ)
(1) UPS是數(shù)據(jù)中心十分關(guān)鍵的設(shè)備，為重要的動(dòng)力、弱電和 IT 設(shè)備等提供不間 斷的可靠電源;其設(shè)備性能、可靠性和可用性直接影響數(shù)據(jù)中心穩(wěn)定運(yùn)行和 安全運(yùn)行。
(2)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維團(tuán)隊(duì)在高等級(jí)的事件或故障處理完成后，需舉一反三，查明故障原 因，開(kāi)展復(fù)盤(pán)和培訓(xùn)工作，通過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)和制訂切實(shí)可行的預(yù)防措施， 防止類(lèi)似事件或故障的再次發(fā)生。
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