減少核心機(jī)房UPS事故需要注意的幾個(gè)問題

  摘要：核心機(jī)房UPS為重要負(fù)載供電，不容忽視。文章介紹了UPS輸出負(fù)載短路的后果及解決方案；結(jié)合案例說明維護(hù)中要重視零線的檢查；UPS零地電壓產(chǎn)生的原因及解決方案；UPS蓄電池安裝，需要注意的問題；UPS電容爆炸的原因及解決方案，并分析了電容爆炸幾種不同現(xiàn)象的原因。

　　核心機(jī)房UPS為計(jì)費(fèi)系統(tǒng)、IDC設(shè)備、重要金融用戶設(shè)備、網(wǎng)管終端等重要負(fù)載供電，一旦出現(xiàn)事故影響很大。近年來，各運(yùn)營(yíng)商都出現(xiàn)過因UPS導(dǎo)致的系統(tǒng)癱瘓事故。筆者經(jīng)多年的工作實(shí)踐總結(jié)了減少核心機(jī)房UPS事故需要注意的幾個(gè)問題。

　　１UPS輸出負(fù)載短路問題

　　UPS　輸出負(fù)載短路百分之九十以上會(huì)導(dǎo)致UPS　系統(tǒng)出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障，從而導(dǎo)致所接的重要設(shè)備癱瘓。UPS　輸出負(fù)載短路時(shí)，不管單機(jī)、主從、并機(jī)，還是雙母線系統(tǒng)都不能保證負(fù)載不斷電。以目前最安全可靠的UPS　并機(jī)雙母線冗余供電系統(tǒng)為例，如圖１。

圖1  UPS并機(jī)雙母線冗余供電系統(tǒng)

　　圖中4臺(tái)UPS　每2臺(tái)１＋１　帶并機(jī)柜并機(jī)提供雙母線供電，UPS1-1和UPS1－2通過并機(jī)柜并機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)一，UPS2-1　和UPS2－2通過并機(jī)柜并機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)二。正常情況下，系統(tǒng)一與系統(tǒng)二分別帶自己的負(fù)載。

　　系統(tǒng)一經(jīng)UPS1輸出柜和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS1　帶負(fù)載，系統(tǒng)二經(jīng)UPS2輸出柜和靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS2帶負(fù)載，STS1　設(shè)定1路優(yōu)先導(dǎo)通，STS2設(shè)定為2路優(yōu)先導(dǎo)通。當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)供電母線上的任何設(shè)備故障時(shí)，其負(fù)載可經(jīng)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至另一個(gè)系統(tǒng)供電。

　　為了保證兩套系統(tǒng)可以同頻率、同相位跟蹤，還可以通過負(fù)載總線同步跟蹤控制器保證切換時(shí)電源在波形和相位上是連續(xù)的。對(duì)多數(shù)故障，這種系統(tǒng)都沒有問題，但還是不能解決輸出負(fù)載短路問題。這是因?yàn)槎搪废喈?dāng)于過載，切換到系統(tǒng)2，系統(tǒng)2也會(huì)過載宕機(jī)，導(dǎo)致負(fù)載斷電。

　　實(shí)際工作中發(fā)生輸出短路的可能性其實(shí)很大?，F(xiàn)在很多運(yùn)營(yíng)商核心機(jī)房的UPS　系統(tǒng)是并機(jī)方式，2臺(tái)UPS　并機(jī)通過一個(gè)UPS　配電柜／配電箱給機(jī)房?jī)?nèi)所有的數(shù)據(jù)、網(wǎng)管、計(jì)費(fèi)設(shè)備供電。從這個(gè)主UPS　配電柜到各負(fù)載還有可能經(jīng)過若干個(gè)配電柜、配電箱、插座。其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)短路故障，都有可能導(dǎo)致全系統(tǒng)斷電。另外不同運(yùn)營(yíng)商，不同地市，各專業(yè)之間的維護(hù)界面不盡相同。有的是所有電源都由動(dòng)力專業(yè)維護(hù)；有的是UPS　主配電柜以外歸其它專業(yè)維護(hù)，UPS　主配電柜及以內(nèi)歸動(dòng)力專業(yè)維護(hù)。其它專業(yè)在動(dòng)力技能方面可能有欠缺，存在很多不確定性，有發(fā)生短路的可能。UPS　都是優(yōu)先保護(hù)自身設(shè)備，不同廠家設(shè)計(jì)理念不同，輸出短路時(shí)有的UPS　不轉(zhuǎn)旁路，直接關(guān)掉逆變器宕機(jī)；有的轉(zhuǎn)旁路，但會(huì)頂?shù)艨臻_，造成小面積停電。筆者遇到過一次，兩臺(tái)30ｋＶＡ　UPS　并機(jī)，安裝調(diào)試時(shí)由于施工人員操作不慎，設(shè)備端的UPS　輸出配電柜母排短路，兩臺(tái)UPS　逆變器都停止工作，也沒有轉(zhuǎn)旁路，只有斷開再關(guān)閉市電輸入開關(guān)，重新開機(jī)才恢復(fù)正常。

　　如何避免UPS　輸出負(fù)載短路導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)呢？

　　目前，設(shè)備制造廠商已將多數(shù)重要的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備制作成具有雙電源輸入特性的設(shè)備。有2個(gè)交流電源接口，可以接2路交流電，內(nèi)部再通過2個(gè)交流／直流轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成直流電，并聯(lián)給設(shè)備供電，如圖2。

圖2雙路輸入供電方式

　　但實(shí)際工作中，一般只用了1個(gè)交流電源接口，或者最多用一根導(dǎo)線并接到第二個(gè)電源接口。這樣只解決了交流／直流轉(zhuǎn)換模塊的冗余保護(hù)，對(duì)電源線意外斷開或是輸出短路則無能為力。為了最大限度地發(fā)揮雙電源輸入設(shè)備的技術(shù)潛力，避免UPS　輸出短路導(dǎo)致系統(tǒng)宕機(jī)，保證重要設(shè)備供電安全，最好的解決辦法是用兩套雙母線并機(jī)系統(tǒng)，分別給重要設(shè)備的2個(gè)電源端口供電。這樣既解決了電纜冗余，又解決了輸出短路問題，雖然建設(shè)成本高了一些，但安全性大大提高，對(duì)重要設(shè)備還是值得的。

　　２零線問題

　　零線問題是維護(hù)中很容易忽視的一個(gè)問題，有可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故，結(jié)合一個(gè)案例說明此問題。

　　一個(gè)無人值守關(guān)口局在某寫字樓八樓，一樓營(yíng)業(yè)廳從八樓關(guān)口局交流配電柜引電，UPS　也從交流配電柜引電，UPS　輸出到一個(gè)UPS　配電箱再給一些計(jì)費(fèi)、網(wǎng)管等設(shè)備供電。故障現(xiàn)象是冬季UPS　連續(xù)幾天晚上12點(diǎn)左右斷電，UPS　顯示“輸出短路”，負(fù)載掉電，到現(xiàn)場(chǎng)重起UPS　后恢復(fù)正常。最后發(fā)現(xiàn)是以下2個(gè)原因：一是一樓營(yíng)業(yè)廳門衛(wèi)晚上用幾個(gè)單相電暖器，并且接到了同一相交流電上，導(dǎo)致三相不平衡，由于零線電流是三相電流的矢量和，不平衡導(dǎo)致零線電流過大。

　　從主交流配電柜測(cè)零線電流，白天很正常，晚上用電暖器時(shí)測(cè)約20Ａ。二是UPS　配電箱的零線排上幾個(gè)設(shè)備的零線螺絲松動(dòng)。零線虛接再加上零線電流過大導(dǎo)致打火，UPS　判斷為“輸出短路”從而宕機(jī)。緊固零線，拆除電暖器后故障排除。所以在維護(hù)中要特別注意零線的檢查，從UPS　輸出到用電負(fù)載的整個(gè)供電路徑上的零線都要定期檢查緊固。

　　３UPS　的接地問題

　　UPS　的接地也是一個(gè)比較容易被忽略的問題。

　　當(dāng)UPS　的負(fù)載不對(duì)稱，或UPS　帶有非線性負(fù)載時(shí)，中性線中就會(huì)有電流流過，在中性線上產(chǎn)生壓降引起中線和地線之間的電壓差通常稱為“零地電壓”。中性線電流越大、負(fù)載距離越遠(yuǎn)、中性線導(dǎo)線截面越小，則“零地電壓”就越大。有些靈敏負(fù)載對(duì)“零地電壓”要求很高，例如“零地電壓”大于1Ｖ，有些服務(wù)器就不能正常工作。

　　這是因?yàn)橐话愫诵臋C(jī)房接地系統(tǒng)都是UPS　輸出中性線和負(fù)載中性線固定接到市電電源的中性線上，市電電源的中性線在低壓進(jìn)線柜中連接到接地極上，UPS　輸出和負(fù)載的中性線與市電的中性線沒有任何的隔離。核心機(jī)房中交流電纜很多，每一根電纜都含有大量的電磁干擾，所有的這些電纜被捆扎在一起走長(zhǎng)線，使得這些高頻干擾互相串?dāng)_，高頻干擾電流在零線、地線上流過帶來了零地之間的壓降。

　　解決的辦法一是將UPS　的火線和零線、地線分開走線，兩者的距離應(yīng)該保證在20?。悖硪陨希渌鼊?dòng)力電纜也遠(yuǎn)離UPS　零線。如果施工現(xiàn)場(chǎng)條件不允許，零線和地線要用鎧裝屏蔽電纜。但這種方法治標(biāo)不治本，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備變化，電磁干擾環(huán)境也隨之改變，零地電壓也會(huì)改變，不能徹底解決問題。二是在UPS　負(fù)載端加隔離變壓器，并將隔離后的零線接地，可以保證負(fù)載的零地電壓趨近于零，解決“零地電壓”問題效果最好。

　?。碪PS蓄電池問題

　　UPS　蓄電池是一個(gè)容易出問題的環(huán)節(jié)，由UPS蓄電池引發(fā)的事故占UPS總事故較大比重。這是因?yàn)閁PS蓄電池一般是12V蓄電池，內(nèi)部實(shí)際上是6只2V蓄電池串聯(lián)焊接構(gòu)成，制作難度大，而且板柵，連接條比較薄，只要一個(gè)板柵出現(xiàn)問題，整只UPS　電池就有問題，故障率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2Ｖ蓄電池，所以在安裝維護(hù)中要注意以下幾個(gè)問題。

　?。ǎ保︰PS蓄電池最好用蓄電池架安裝，不要用蓄電池柜。一是便于通風(fēng)散熱，UPS　蓄電池對(duì)溫度非常敏感，最佳環(huán)境溫度是20　～25℃，溫度每升高10℃，蓄電池的壽命就會(huì)降低一倍。UPS蓄電池充放電過程中會(huì)釋放大量熱能，熱量散不出去，直接影響電池容量與壽命。二是便于維護(hù)測(cè)量。用蓄電池柜安裝，如果空間太小，巡檢時(shí)操作人員可能會(huì)因?yàn)椴僮鞑槐?，或視線問題導(dǎo)致操作工具短路或檢查不仔細(xì)忽略本應(yīng)發(fā)現(xiàn)的故障隱患。有這樣一個(gè)案例：主從熱備份UPS　系統(tǒng)，密封蓄電池柜（有通風(fēng)孔），螺絲固定的面板拆卸不便，用螺絲刀拆才能打開。一次巡檢發(fā)現(xiàn)備機(jī)UPS　的蓄電池組中底層角落里有兩只蓄電池連接線松動(dòng)，并且漏液。UPS　蓄電池是大電流放電，這種情況下如果恰好主機(jī)UPS　故障，備機(jī)UPS　蓄電池放電供給負(fù)載，后果嚴(yán)重，有可能著火甚至爆炸。

　　（２）UPS蓄電池連接線不要用開口銅鼻子，要用孔型銅鼻子，開口銅鼻子不如孔型壓接牢固，容易脫落；連接線要用軟銅線，不要用硬銅線，硬銅線有時(shí)由于吃著勁，當(dāng)時(shí)緊固了，時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)松動(dòng)，造成端子處連接不良，在一定的條件下可能端子處拉弧或熱量*，最終導(dǎo)致著火；連接線要用長(zhǎng)度一致的同一規(guī)格導(dǎo)線，否則電阻不一致，長(zhǎng)期使用，會(huì)發(fā)生充電時(shí)有的UPS　蓄電池已充滿，有的UPS　蓄電池還沒充滿，從而導(dǎo)致已充滿的UPS　蓄電池過充，水分從安全閥溢出，電解液濃度變大，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)腐蝕極板，導(dǎo)致蓄電池一致性變差。

　?。ǎ常┯捎谛铍姵睾苤?，安裝時(shí)要用正確的方法搬運(yùn)和吊裝蓄電池，不能用鉤子或螺絲刀直接勾住蓄電池外露極柱搬卸蓄電池。極柱與極板是焊接的，這樣會(huì)拉傷蓄電池端子，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致著火。另外蓄電池組上輸出的電纜，不要直接從電池端子拉至主設(shè)備，中間需要有接線盒或轉(zhuǎn)接端子，否則蓄電池端子上長(zhǎng)期承受拉力，可能破壞蓄電池內(nèi)部的連接。

　?。礥PS　電容爆炸問題

　?。?1UPS　電容爆炸的原因

　　UPS　的電容一般是指其內(nèi)部的直流濾波電容和儲(chǔ)能電容及輸入輸出交流濾波電容。UPS　電容爆炸一般是指直流濾波電容和儲(chǔ)能電容，它通常選用容量較大的電解電容，電容爆炸一般是因?yàn)槟蛪簡(jiǎn)栴}造成的，其本質(zhì)原因有如下二個(gè)。

　　5.1.1內(nèi)部電介質(zhì)絕緣強(qiáng)度下降導(dǎo)致電容擊穿

　?。ǎ保╇娙荼旧碣|(zhì)量問題。近年來，一些廠家為了降低產(chǎn)品售價(jià)，提高產(chǎn)品中標(biāo)的競(jìng)爭(zhēng)力，選用了壽命較短的直流濾波電容，這也是導(dǎo)致目前發(fā)生電容爆炸故障的事例日益增多的主要原因。

　　（２）溫度。電容器的使用壽命隨溫度的增加而減小，溫度加速介質(zhì)與電解液化學(xué)反應(yīng)使介質(zhì)隨時(shí)間退化，耐壓值下降。另外溫高還會(huì)導(dǎo)致漏電流增大。在直流正向電壓施加于電容器一段時(shí)間后仍有一個(gè)微小電流持續(xù)從正電極流向負(fù)電極，這個(gè)微小的電流即稱為漏電流。漏電流越小表明電介質(zhì)制作得越精良，漏電流的特性是隨著溫度的升高越來越大。為防止電解液蒸發(fā)，電容一般采用密封結(jié)構(gòu)，散熱性較差。如果熱量不能及時(shí)排出去，器件內(nèi)部溫度上升會(huì)很快，導(dǎo)致漏電流的進(jìn)一步增大；根據(jù)電流熱效應(yīng)，漏電流增大又會(huì)導(dǎo)致溫度上升，熱量積累惡性循環(huán)，使電容內(nèi)部電解液沸騰和汽化，氣壓迅速增大到外殼無法承受時(shí)，就會(huì)爆炸。如果防護(hù)設(shè)計(jì)的不好，電解液噴濺到電路板上，檢測(cè)控制電路受損還會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的后果。

　　電容溫度高的原因一是機(jī)房環(huán)境較差，長(zhǎng)期不維護(hù)造成UPS　內(nèi)部積塵過多，散熱不良。二是空調(diào)送／回風(fēng)通道設(shè)計(jì)不好，UPS　周圍環(huán)境溫度較高。解決的方法為每年對(duì)UPS　做一次內(nèi)部除塵；做好空調(diào)設(shè)計(jì)，避免局部高溫；采用遠(yuǎn)紅外成像儀、遠(yuǎn)紅外測(cè)溫儀等檢測(cè)儀對(duì)濾波電容的異常溫升進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)更換有潛在故障隱患的電容，防患于未然。

　　5.1.2外部電壓超過電容的耐壓值

　　UPS　內(nèi)部的儲(chǔ)能直流電容耐壓值一般為直流450～500Ｖ，以POWERWARE9150／930510ｋＶＡ　UPS為例，其內(nèi)部直流母線電壓為400ＶＤＣ，而直流電解電容的耐壓值是450ＶＤＣ。UPS　中的相控整流器控制著輸出直流電壓的高低，UPS使用年限越長(zhǎng)，相控整流器電路器件參數(shù)越老化，造成UPS　內(nèi)部的直流400Ｖ電壓不再穩(wěn)定。市電波動(dòng)時(shí)，會(huì)造成UPS　內(nèi)部400Ｖ直流電壓波動(dòng)，波動(dòng)的電壓幅值很可能會(huì)超過450Ｖ，造成直流電解電容過壓，再加上電容長(zhǎng)期使用耐壓性能下降，就會(huì)發(fā)生爆裂。解決的方法是選用大品牌UPS　設(shè)備，把好產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)；到達(dá)報(bào)廢年限的UPS　堅(jiān)決報(bào)廢（一般UPS　壽命是5　～7年，建議5年報(bào)廢）；使用超過３　年的UPS　要定期檢查內(nèi)部的電容，看看有沒有漏液、鼓包，容量是不是已經(jīng)下降到其容量誤差下限等，這些是爆炸的前兆。

　　5.2UPS　電容爆炸的幾種可能現(xiàn)象及分析

　　理論上，并機(jī)系統(tǒng)中一臺(tái)UPS　故障，故障UPS　應(yīng)自動(dòng)退出系統(tǒng)，其它正常工作，但現(xiàn)實(shí)中電容爆炸時(shí)卻不一定是這樣。統(tǒng)計(jì)資料顯示一旦發(fā)生電容爆炸故障，90％以上的幾率會(huì)導(dǎo)致并機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)輸出停電或閃斷故障（中斷時(shí)間大于8～20ｍｓ　），從而導(dǎo)致負(fù)載癱瘓幾十分鐘甚至幾小時(shí)。

　?。ǎ保┏税l(fā)生電容爆炸的那臺(tái)UPS　單機(jī)處于逆變器自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)之外，其余各臺(tái)UPS　似乎都處于“正常的”逆變器電源供電狀態(tài)。這是因?yàn)椴C(jī)UPS　系統(tǒng)中一臺(tái)設(shè)備逆變器發(fā)生故障導(dǎo)致系統(tǒng)輸出電壓波動(dòng)，或是輸出交流電壓中含有很高的直流成分電壓，或是拉低了系統(tǒng)輸出電壓，從而影響到負(fù)載。

　　（２）除了發(fā)生電容爆炸的那臺(tái)UPS　單機(jī)處于逆變器自動(dòng)關(guān)機(jī)狀態(tài)，其它UPS　的輸入開關(guān)或UPS　并機(jī)系統(tǒng)的總輸入開關(guān)跳閘，UPS　處于電池組提供能量的逆變器供電狀態(tài)。這種情況主要原因是電容爆炸的UPS　的逆變器發(fā)生了內(nèi)部短路故障，由于逆變器并聯(lián)，導(dǎo)致其它UPS　逆變器輸出瞬間短路，輸出電流瞬間增大，而這些電流不是供給負(fù)載，而是供給內(nèi)部短路的UPS，從而造成正常的UPS　瞬間過載，進(jìn)而導(dǎo)致相關(guān)輸入開關(guān)跳閘。

　　（３）“Ｎ＋１　”UPS　并機(jī)系統(tǒng)中各臺(tái)UPS　的輸入、輸出配電柜中的開關(guān)都配置為斷路器開關(guān)。一臺(tái)UPS　的濾波電容爆炸，其余UPS　的輸入、輸出開關(guān)全都跳閘。這是因?yàn)榻涣鬏斎霝V波電容爆炸造成市電小范圍供電環(huán)境惡化。UPS　都有輸入濾波器，該濾波器都有電感線圈，輸入市電在瞬時(shí)發(fā)生突變，相當(dāng)于感性負(fù)載兩端電壓突變，從而產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，沖擊相關(guān)的斷路器，斷路器都有過壓保護(hù)和過流保護(hù)功能，開關(guān)全都跳閘。

　?。ǎ矗┎C(jī)系統(tǒng)中除了發(fā)生電容爆炸的那臺(tái)UPS　逆變器自動(dòng)關(guān)機(jī)，其余UPS　均處于“正常的”逆變器供電狀態(tài)，負(fù)載正常工作的情況。這種僥幸情況不會(huì)超過１０?。ィ话闶墙涣鬏斎腚娙荼ɑ蛘咧绷麟娊怆娙荼]有影響到檢測(cè)控制電路。

　　６結(jié)束語

　　核心機(jī)房UPS　維護(hù)難度大，故障率高，發(fā)生事故影響大。為了減少核心機(jī)房UPS　事故，需要深入分析其發(fā)生事故的各種可能原因，做好基礎(chǔ)維護(hù)工作，將事故隱患消除在萌芽狀態(tài)。