核电厂UPS 装置故障跳闸原因分析及处理

赵德恒

（中核集团三门核电有限公司，浙江三门 317112）

0 引言

某核电厂保卫控制中心、应急指挥中心和环境监测站等BOP 子项区域选用GUTOR PDW 系列UPS 装置，为控制区、要害区出入口等重要安保设施、应急指挥操作站、环境监测工作站等提供持续不间断电源，使电厂重要负荷在失去交流电情况下可以正常稳定的运行[1]。本文主要介绍某核电厂UPS 故障停机且无法再次启动的原因分析及处理情况。

1 UPS 结构及原理

1.1 UPS 结构

UPS 装置主要包括整流器、逆变器、蓄电池、静态开关、手动旁路开关、变压器、熔断器等。UPS 正常运行时是将交流输入通过变压器送到整流器，整流器补偿进线电压波动及负载变化，保持直流电压稳定。整流器供电给逆变器，同时对蓄电池进行浮充电，使蓄电池保持备用状态，逆变器将直流转换成交流并通过静态开关给负载供电见图1。

当整流器故障或上游交流电失去时，UPS 装置通过所带蓄电池为负载继续供电；若逆变器故障，UPS 装置将通过静态开关自动切换至旁路并经调压变压器继续为负载供电；在UPS 装置需要检修时，通过手动旁路开关将UPS 装置旁路隔离，在保证负载继续供电的前提下进行UPS 装置检修。

1.2 UPS 工作原理

GUTOR PDW 系列UPS 装置整流器采用三相全控整流电路，通过六脉冲晶闸管整流桥后，得到直流波形。经过电容、电感滤波，可以得到较高品质的直流，变压器既可以将交流380V 变为220 V，同时可以将外部高次谐波隔离并将整流产生的高次谐波隔离，以免影响外部电源。UPS 装置逆变器使用带有IGBT 的脉冲宽度调制（PWM）逆变器技术将直流转换成交流的装置，直流经过IGBT 逆变电路，使输出电压、电流接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。通过电感、变压器、电容滤除高次谐波，最终得到稳定、可靠的380 VAC 电源。

图1 UPS 结构

2 UPS 故障跳闸原因分析及处理

2.1 故障现象描述

在对核电厂BOP 区域保卫控制中心UPS 装置检查发现，UPS已自动停机，其整流器未开启为蓄电池浮充电，逆变器也未给负载供电，负载由旁路经调压变压器带载。经确认，上游断路器闭合，证明静态开关工作正常，排除因下游负荷短路或过载导致UPS 故障停机。联系相关人员重新启动UPS 装置，发现无法正常启机，证明为非瞬时故障，此时故障依然存在，需要对UPS 装置进行故障排查分析。

2.2 故障原因分析

根据UPS 的结构及原理接线图，依次从供电电源、控制回路、整流/逆变功率单元、直流电压等方面分析UPS 故障停机且无法启机可能原因，具体包括以下方面：

（1）供电电源超出限值。供电电源主要是指UPS 的进线电源，若其出现进线相序不正确、电压超限或频率超限等问题，UPS 将无法整流出合适的直流电源，UPS 内部检测后将整流器自动关断。根据设计要求，UPS 的正常输入电压调节范围为AC 380 V±15%，频率为50 Hz±8%。

（2）控制回路电源故障。线路板电源电压故障或超限，会使控制回路无法工作，UPS 将自我保护停机。

（3）整流器或逆变器功率单元温度高。整流器或逆变器功率单元温度高，为保护功率单元不会因温度过高而损坏，此时UPS 将停机。

（4）交流电容组件CB03 电流故障。交流电容组件是与滤波电抗器一起滤除来自逆变器的PWM 输出中的谐波电压，以在逆变变压器输出端获得低失真的正弦波，若交流电容组件故障将无法为负荷提供正常交流电，此时逆变器将自动关断。

（5）连接到整流桥或逆变回路插头松动，将使整流或逆变回路无法实现其整流或逆变功能。

（6）逆变器输入直流电压故障。若逆变器输入直流电压超限或直流熔断器熔断，将导致UPS 自动停机。UPS 低电压停机定值为DC 173 V，高电压停机定值为DC 302 V。

此外，对于其他如冗余电源故障、风扇转速缓慢、直流接地故障等将使UPS 告警，不会导致UPS 停机或无法开机的问题。

2.3 故障处理

根据以上几方面可能的故障原因分析，依次对故障UPS 装置进行检查。

（1）供电电源测量。通过对进线电压测试，UPS 上游供电电压AB段为394 V、AC 和BC 段为394 V，频率为50.0 Hz，均满足相关要求。检查该设备历史工作记录，并无停电拆解本体进线及上游开关出线工作，经测量UPS 进线电压为正相序，由此排除供电电源故障。

（2）主回路及控制回路接线核对。根据GUTOR UPS 厂家原理图，对主回路及控制回路的每一路接线进行核对，重点检查连接到整流桥、逆变回路插头松动，对整流器、逆变器功率单元检查有无发黑变色情况，结果为接线正确、导通正常、无断线及发黑变色情况发生，由此排除主路及控制回路故障。

（3）对交流电容组件CB03 进行检查。电容外观良好，无漏酸、漏液情况发生，接触良好，CB03 交流电容组共包括27 个电容，电容标称值为55 μF（表1）。经计算，电容总容量下降约5.5%，属正常范围。

表1 CB03 电容组测试数据 μF

（4）在停机状态下检查并无问题，故尝试重新启机，闭合UPS 进线断路器，按照启机步骤尝试开机，经多次尝试无法开机；将主控板复位尝试开机，此时面板显示进线电压为AC 367 V、AC 333 V、AC 424 V，面板指示灯有异常告警为市电检测电压超限。此时，测量A071 接口板监测电压为AC 393 V、AC 394 V、AC 393 V 与上游电源相同，故判断A071 接口板故障导致内部监测偏差。

（5）对接口板上与PSU 电源板接口变压器、内部电容进行测试，变压器一次线圈为5.2 kΩ，二次线圈为14.4 Ω，阻值正常；对接口板3 个电容容量进行测量，分别为41 nF、163 nF、136 nF，而电容标称值为220 nF，故判断为接口板上电容故障。

（6）重新更换新电容，新电容容量分别为209 nF、213 nF、207 nF。UPS 重新上电，并对其重新校准，将进线电压、旁路电压、逆变器输出电压调整至380 V。

图2 UPS 进线电压显示值

（7）启动UPS 主机柜，检查充电器、逆变器启动正常，测量主路电源电压实际值，并与监测值比较，数据较为一致，并满足85%～115%的要求（表2）。

3 结语

图3 UPS 面板状态

表2 UPS 故障处理后显示值和测量值

本次UPS 故障停机且无法启动原因为UPS 接口板中3 个电容老化导致容量降低进而触发进线电源电压超限，使整流器关断，待蓄电池放电至低关机值后，系统转至旁路运行，因进线电压超限一直存在，使UPS 无法重新启动。建议后续加强核电厂BOP 子项区域UPS 设备的巡检力度，在故障初期提早发现并容易定位故障点。此外，在处理过程中，因缺少备件对整个处理过程产生一定的影响，建议对UPS 设备中的电容类易老化件提高定额储备，同时针对UPS 装置内小的元器件增加定期检查及更换的预防性维修策略，使UPS 设备得以安全可靠稳定运行。