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通信电源
UPS并机供电系统可靠性分析
文章来源:本站原创  发布时间:2014-08-08  浏览次数:906

UPS并机供电系统可靠性分析 

 

张北宁

(辽宁邮电规划设计院有限公司  110179)

摘  要  本文阐述了“1+1”UPS 并机供电系统的工作原理并简要介绍了UPS保护技术,分析了UPS并机供电系统典型故障保护过程,例举了一起偶发故障的处理过程,通过以上内容论述了UPS 并机供电系统的可靠性。

关键词  UPS  并机供电   可靠性

引言

随着企业的信息化水平不断提高,信息中心各类设备运行可靠性显得越来越重要,特别是通信、民航、电力、铁路等企业的信息中心,那怕是仅仅几秒钟的“停机”均会给生产经营带来无法估量的损失,严重时,甚至会造成对社会和经济生活的严重影响,因此,必须保证信息系统365×24h连续不断的、稳定可靠的运行。

在建设信息系统时,人们往往只是注重小型机、服务器、磁盘存储阵列、路由器、交换器等核心设备的可靠性,而忽略供电系统的可靠性,在系统运维上也存在同样的问题。然而在实际应用中,许多问题又往往是供电系统引起的。

为了保障供电系统的可靠运行,往往采用了很多很好的措施。比如选用技术先进、稳定可靠的UPS;采用“1+1”UPS并机供电系统;通过监控系统随时远程监控UPS运行状态及调阅各种运行参数和相关的报警信息等,但即使如此也难免发生信息中心供电故障,造成信息系统瘫痪。

2 “1+1”UPS并机供电系统

UPS是英文Uninterrupted Power System的缩写,中文即称不间断电源系统。 UPS是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的不间断电源。当市电正常时,UPS将市电稳压或稳压、稳频后供负载使用,同时向机内电池充电;当市电中断时(异常时),UPS立即在4---10毫秒内或“零”中断时间内将蓄电池的电源通过逆变转换的方式向负载继续供应电力,使负载维持正常的工作,以便保存资料并保护负载的软硬件不受损坏。

 “1+1”UPS并机供电系统如图2-1所示,两台UPS的输出同时送到输出配电柜上进行直接的并联,正常工作时两台UPS各承担50%负载。当某台UPS出现故障时,该机将自动退出并联系统,另一台UPS自动承担100%负载电流,输出不间断;当故障UPS维修好以后可直接投入并机,两台UPS自动均分负载;若故障UPS退出并机还没有维修好,而带载的UPS也出现故障,此时将自动切换至带载UPS的旁路;当两台UPS全部维修好以后,按并机开启步骤可将两台UPS投入到“1+1”并机工作状态。

图2-1 “1+1”UPS并机供电系统图

3 UPS保护技术

3.1逆变输出短路和过电压保护

当逆变输出短路时,UPS关闭输出并报警;当逆变输出过电压,UPS立即转到旁路并报警。

3.2输出限流保护 

当逆变输出的电流值超过给定值时,限流保护电路立即关闭逆变器,只有在输出电流值小于给定值后,逆变器才重新工作。 

3.3电池过压和欠压保护 

当电池电压高于上限给定值时, UPS自动转入电池逆变状态,在电池电压下降到正常给定值后,UPS重新回到原工作状态。市电异常,UPS转入电池逆变状态,电池开始放电,当电池电压下降到下限给定值时,UPS自动关机。市电恢复正常时,UPS会自动重启。

3.4负载保护 

如果UPS在从旁路转入逆变输出前,侦测到负载超过110%,UPS不能转入逆变输出;如果开机后负载增至110%~130%,UPS在10s后转入旁路;如果开机后负载增至130%以上,UPS会立即转入旁路。
4 UPS并机供电系统典型故障保护过程

输入、输出配电柜一般采用空气开关作为配电、保护开关,由于空气开关保护定值和保护动作时间较大,以1#UPS为例,在大多数故障情况下,K11K12K13先于S1S3S5跳闸,当然也不能完全排除越级跳闸的现象。下面的故障分析以1#UPS为例。

4.1整流器故障

4.1.1整流器中的功率模块(SCR等)发生单臂击穿

单臂击穿是指整流桥某一相功率模块上下臂中一个器件击穿,一般是过压击穿或过流击穿造成的(过压击穿通常是功率模块老化或质量有问题造成的,过流击穿通常是短路电流过大或短路时间过长造成的)。发生单臂击穿故障后,故障UPS的整流器过流保护动作使K11跳闸,整流器停止工作,转为电池供电、逆变器输出供电状态,与另一台UPS均分负载。单臂击穿有可能使并机供电系统输出电压闪断造成供电设备重启动。

4.2.2整流器中的功率模块(SCR等)发生双臂击穿

双臂击穿是指整流桥某一相功率模块上下臂中两个器件同时击穿,一般是过压击穿或过流击穿造成的。发生双臂击穿故障后,故障UPS的整流器过流保护和电池组过流保护动作使K11、K12、K13同时跳闸,整流器、逆变器、电池组停止工作,转为停机状态,另一台UPS承担全部负载。双臂击穿有可能使并机供电系统输出电压闪断造成供电设备重启动。

4.2.3整流器中的滤波电容器发生爆炸短路

滤波电容器由于高温老化发生爆炸造成短路故障后,故障UPS的整流器过流保护和电池组过流保护动作使K11、K12、K13同时跳闸,整流器、逆变器、电池组停止工作,转为停机状态,另一台UPS承担全部负载。滤波电容器爆炸有可能使并机供电系统输出电压闪断造成供电设备重启动。

4.2.4电压调节故障

电压调节故障会造成整流器输出电压过高或过低。

整流器输出电压过高会使电池组浮充电流过大,加快电池老化损坏,故障UPS电池组过压保护动作使整流器停止工作,转为电池供电、逆变器输出供电状态,与另一台UPS均分负载。

整流器输出电压过低会使电池组长期处于溃电状态,降低备用时间。如果此时市电中断,故障UPS电池组欠压保护动作使整流器、逆变器停止工作,另一台UPS承担全部负载。

4.2电池组过电流故障

一般是由于电池组回路发生短路或个别电池故障造成的,整流器、逆变器双臂击穿也会引发电池组过电流。发生电池组过流后,故障UPS的电池组过流保护动作使K11、K12、K13同时跳闸,整流器、逆变器停止工作,转为停机状态,另一台UPS承担全部负载。

4.3逆变器故障

4.3.1逆变器中的功率模块(IGBT等)发生单臂击穿

单臂击穿是指逆变桥某一相功率模块上下臂中一个器件击穿,一般是过压击穿或过流击穿造成的。发生单臂击穿故障后,故障UPS的逆变器过流保护动作使K12跳闸,逆变器停止工作。由于是并机系统,故障UPS不会转为旁路供电状态,而由另一台UPS承担全部负载。单臂击穿有可能使并机供电系统输出电压闪断造成供电设备重启动。

4.3.2逆变器中的功率模块(IGBT等)发生双臂击穿

双臂击穿是指逆变桥某一相功率模块上下臂中两个器件同时击穿,一般是过压击穿或过流击穿造成的。发生双臂击穿故障后,故障UPS的逆变器过流保护和电池组过流保护动作使K11、K12、K13同时跳闸,整流器、逆变器、电池组停止工作,转为停机状态,另一台UPS承担全部负载。双臂击穿有可能使并机供电系统输出电压闪断造成供电设备重启动。

4.3.3过电流

过电流一般是负载过大或短路造成的,如果过电流持续一定时间或过电流过大,逆变器过流保护动作使K12跳闸,逆变器停止工作,由于是并机系统,故障UPS不会转为旁路供电状态,而由另一台UPS承担全部负载。

4.4控制回路故障

4.4.1微处理器/DSP芯片及相关部件故障

微处理器/DSP芯片及相关部件故障,会造成整流器、逆变器及保护回路停止工作,UPS转为停机状态,旁路也无法启动。

4.4.2直流辅助电源故障

直流辅助电源故障,控制回路失去电源停止工作,会造成整流器、逆变器及保护回路停止工作,UPS转为停机状态,旁路也无法启动。
5 对一起偶发故障的分析

5.1故障过程

UPS电源室楼上房间自来水跑水,水渗漏滴入1#UPS机柜,造成短路故障,故障扩大到并机供电系统宕机。

5.2故障分析

由于水滴入1#UPS机柜逆变器,造成逆变器中的功率模块发生双臂击穿短路,同时滴水造成控制回路烧毁,1#UPS整流器、逆变器及保护回路停止工作,转为停机状态。由于1#UPS保护回路无法动作,输出开关K12未跳闸。

由于1#UPS短路点未切除,2#UPS逆变器过流保护动作使K22跳闸,逆变器停止工作,转为旁路供电状态。但此时1#UPS短路点仍未切除,旁路过流保护动作使旁路关闭,整个系统停止供电。

5.3应对措施

当UPS逆变器发生短路故障的同时并发控制回路故障后,由于保护回路无法切除故障点,造成故障范围扩大,可考虑加装后备保护,及时切除故障设备,保证系统供电。具体如下:

1、在输出配电柜中的配电空气开关S3、S4与K12、K22之间加装静态开关STS1、STS2,以加快切除故障的速度。

2、在输出配电柜中为静态开关STS1、STS2加装一套方向过流保护装置。

3、保护原理:当方向过流保护检测到短路电流从输出配电柜流向K12后,瞬间跳掉STS1;当方向过流保护检测到短路电流从输出配电柜流向K22后,瞬间跳掉STS2,迅速隔离故障点。同时,由于静态开关切换时间小于8ms,可有效防止因逆变器击穿造成并机供电系统输出电压闪断的故障发生。


6 结束语
     虽然控制回路故障的发生概率很低,但是当发生短路故障的同时一旦并发控制回路故障,往往保护回路无法切除故障点,有很大的危害。采用后备保护后,可有效提高“1+1”UPS并机供电系统的供电可靠性

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