工业UPS常用案例分析

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杨磊

艾默生网络能源有限公司

摘要

本文列举了能源(含石油、化工、煤炭及煤化工)行业用户现场应用工业UPS的一些案例,对其中涉及的操作和运行维护等问题进行阐述,比较各个方案的不同差异和适用范围,为设备维护管理者提供工业UPS 系统整体电源保护解决方案一些建议和思路。

关键词:

工业UPS案例分析并机系统供电系统

前言

典型工业UPS系统常用的电源保护解决方案包括单机系统、并机系统、2N(双母线)供电系统。如何选择合适的供电方案,起决于系统所带负载的特点和重要性。对于运行当中可以有计划中断或停止运行的设备,可以选用单机供电;对于运行当中不能停电的重要单电源负载,选用并机供电;对于可以接入两路UPS 电源的负载,优先选用2N(双母线)供电方案。本文从现场应用案例入手,通过操作和运行维护阐述,提供工业UPS系统供电解决方案的一些建议和思路。

1单机系统的应用

单机系统是能源行业应用最多的解决方案,根据UPS的设计,单机运行UPS主机本体可以进行系统不停电维护。

1.1UPS单机供电方案四种工作状态

单机运行供电方案的各点交流负载独立地由一台UPS提供动力保护,不停电维护是通过切换到手动维修旁路退出运行当中的UPS主机,进行不停电维护的。手动维修旁路的切换,可以进行无中断的“先通后断”切换过程,不会引起负载中断供电的问题。实现主机、旁路之间的无间断切换过程。如下图(图1:UPS 单机供电方案四种工作状态)所示,UPS单机供电方案四种工作状态所对应的开关操作顺序为:

图1:UPS单机供电方案四种工作状态

1正常工作

Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置。UPS通过整流器、逆变器、逆变静态开关向负载供电,同时向电池进行充电管理。

2主电源消失或者整流器故障转直流电池组工作

Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置,所有开关位置不发生变化。UPS直流母线电压低于电池电压时,将自动把负载切换到电池系统上。UPS电池系统经逆变器、逆变静态开关向负载供电。

此时若主电源恢复或者整流器故障消失,UPS逻辑判断无误时,UPS可自动恢复至正常工作状态。

3逆变器电源消失或逆变器故障转旁路工作

Q1、Q2、Q4、Q5、BAT MCB在接通位置,Q3闭锁在断开位置,所有开关位置不发生变化。UPS通过逻辑检测,根据直流母线情况和逆变器的情况,会自动将负载通过逆变静态开关无扰动的切换到旁路系统上。UPS旁路系统经旁路静态开关向负载供电。

此时若逆变器电源恢复或逆变器故障故障消失,UPS逻辑判断无误时,UPS可自动恢复至正常工作状态。

4维修供电方式

维修供电方式需要人工操作才能完成,首先在逆变器与旁路的同步情况下,人工操作将UPS负载切换到静态切换开关旁路,此时的工作状态由1或2切换到了3;在此情况下,先合上Q3开关,再断开Q2开关,再断开Q4开关,通过先通后断的切换,就实现了UPS退出运行时对负载的连续供电。所有负载的供电,由旁路系统实现。

当然,此时的供电可靠性,由旁路电源决定。因此,不建议在生产装置运行时对单机运行的UPS进行检修和维护。

上述方案实现了UPS系统的典型应用,但也有不利于维护的一些缺点。在此基础上,实践采用的单机系统解决方案做了一些优化,主要有下面几种应用

1.2旁路带备用开关的单机供电方案

如图2所示,旁路带备用开关的单机供电方案是最典型的应用方案。UPS系统的上游可以分别来自两个独立的不同接地点电气系统(或者不接地系统),所有负载系统通过两个隔离变压器与上游完全隔离,负载侧既可以采用TN-S系统,也可以采用IT系统。QF3备用开关用于紧急情况下的旁路直通,也可用于并机系统的扩容,或者构成双输出系统使用。

图2旁路带备用开关的单机供电方案

1.3脱机旁路柜方式单机供电方案

“脱机旁路柜”方式单机供电方案在实现典型单机应用方案的基础上,重点考虑了维护的安全性。尽管各个厂家提供了无扰动退出UPS主机的切换方案,但由于UPS维修旁路输入和总输出的端子排、UPS内部采样回路仍然带电,给维修工作带来安全隐患。因此在实践应用中,有时也采用如图3所示:“脱机旁路柜”设计方式。

UPS系统正常运行时,UPS主机内部Q1、Q2、Q4合上,Q3断开且挂锁;旁路柜中QF1、QF2、QF4、QF5合上,QF3断开且挂锁。

当UPS主机需要W维护时,先将UPS从逆变器输出切换为静态旁路输出(断开逆变器静态开关,合上旁路静态开关),再合上Q3到UPS主机维修旁路,然后将Q2、Q4断开,切断逆变器、静态开关和输出负

载之间的联系,再通过等电位的操作,将“脱机旁路柜”QF3合上,QF2、QF4断开,就可以通过旁路隔离变压器、QF3、QF5向所有负载供电了。

此时,切断UPS的上游整流器电源和电池开关,则可使UPS内部完全停电,安全检修了。

图3“脱机旁路柜”方式单机供电方案

1.4双输出方式单机供电方案

如图4所示,双输出方式单机供电方案能够在投资有限的情况下,为双电源负载提供两路独立的电源供电。一路由UPS提供稳定的电压,另一路由旁路系统提供经过电气隔离的电网电源。这种方案在实现典型单机应用方案的基础上,可以提供双路交流输出给下游的相关专业,也是一种给双电源负载供电的优秀的解决方案。

图4双输出方式单机供电方案

2并机系统的应用

随着大型控制系统在能源工业领域的应用,UPS并机系统得到了大量和广泛的应用。这种方案考虑到了装置长周期的运行中对UPS主机进行维护,相比单机系统的应用方案有很大的优越性。并机系统应用有以下几种典型设计

2.1标准并机供电方案

如图5所示,正常运行时,1+1并机运行供电方案的全部交流负载由2台UPS平均分担,任何一台UPS 均可以带100%负载长期工作。因此,1+1并机运行供电方案可以完全退出1台UPS主机进行维护。

这种典型并机方案应用非常广泛。正常运行时,除每台UPS主机的旁路维修开关Q3断开且挂锁外,其余开关均正常闭合。当需要检修或者维护其中的一台UPS时,断开旁路柜及输出配电柜的对应开关,就能将所要退出的UPS主机设备完全隔离。

图5标准并机供电方案

2.2输出配电系统与UPS不同室的并机供电方案

由于UPS的负载分散性以及跨专业管理等多种原因,会存在UPS的负载分配柜与UPS不同室,或者距离UPS较远的情况,导致图5标准UPS并机供电方案中,UPS出口点到电气并机点的距离超出UPS控制范围,无法有效实现并机控制的情况。因此出现了如图6所示输出配电系统与UPS不同室的并机供电方案

这种应用方案有效解决了输出配电系统与UPS不同室的问题。其检修和维护时的操作,与标准并机供电方案相同。用户可根据下游专业的需要,可提供单根电缆供电,或者冗余双路电缆供电。

图6输出配电系统与UPS不同室的并机供电方案

2.3旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案

如图7所示,某些用户由于场地或者维护管理方面的原因,要求将配电输出部分和旁路隔离变压器合并设计,这种并机应用方案的实用性颇受用户肯定。

正常运行时,除每台UPS主机的旁路维修开关Q3断开且挂锁,旁路隔离变压器及输出配电柜中的QF2断开且挂锁外,其余开关均正常闭合(输出配电部分根据实际运行要求确定)。当需要检修或者维护其中的一台UPS时,直接将需要维修的UPS设备停机,再断开旁路隔离变压器及输出配电柜中的对应开关,就能将所要退出的UPS主机设备完全隔离进行维修;当两台UPS同时需要检修或者维护时,先将两台UPS 同时切换到旁路静态开关状态,再将每台UPS的Q3合上,在等电位的情况下,闭合旁路隔离变压器及输出配电柜中QF2开关,再断开闭合断开旁路隔离变压器及输出配电柜的对应开关,就能将两台UPS主机设备完全隔离进行维修,此时负载仍能够由旁路直通电源供电。

图7旁路隔离变压器及输出配电合一的并机供电方案

32N(双母线)供电系统的应用

2N系统应用是近年开始应用的一种交流不间断电源UPS解决方案,结合负载为如图8所示双电源的特点,UPS系统为负载提供完全独立的两路UPS电源。此种供电解决方案,解决了UPS输出端与最终负载端之间发生“单点瓶颈”故障隐患。

图8典型双电源负载

2N系统应用方案典型设计有以下几种

3.1一台UPS单机与一路市电构成双路供电方案

如图9所示,某些用户由于场地或者费用预算方面的原因,采用1台UPS单机与1路市电构成双路供电方案。这种并机应用方案成本最低,相比普通单机来说是一个比较大的进步。

正常情况下,UPS输出和另1路市电输出为双电源负载提供两路电源,UPS为单电源负载提供不间断电源;当UPS输出母线故障或需要维护操作时,对于图8所示双电源负载,在UPS切换到旁路后,仍有UPS旁路和另1路市电输出母线供电,避免了单机UPS输出母线为单点故障的隐患的问题,(此时系统的安全性起决于UPS旁路及另1路市电的可靠性);对于单电源负载,在UPS切换到旁路后,可暂时由UPS旁路输出为负载继续供电,直至UPS输出正常。

图9一台UPS 单机与一路市电构成双路供电方案

3.2两台独立UPS双路输出构成双路供电方案

如图10所示,两台UPS双路输出构成双路供电方案,是目前最典型的2N应用方案,其每套UPS单机系统都是一套完整的单机运行方式,带来的维护、管理也是独立的。

正常情况下,两台UPS独立输出为双电源负载提供两路电源;即使有1台UPS处于旁路检修状态下,依然能保证1路UPS输出和另1路UPS旁路输出为双电源负载提供两路电源;当其中一台UPS输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含UPS旁路),对于图8所示双电源负载,继续由另一台UPS输出母线供电,避免了单机UPS输出母线为单点故障隐患的问题;对于单电源负载,在UPS切换到旁路后,可通过人工切换下游开关至另1台UPS输出母线为负载继续供电,直至退出运行的UPS恢复正常;或者在每个单电源负载群前端高速静态切换开关STS,由静态开关STS进行电源自动切换,保证电电源负载的双路供电保护。

图10两台独立UPS双路输出构成双路供电方案

3.3两台UPS共用旁路双路输出供电方案

如图11所示,两台UPS共用旁路双路输出供电方案也有非常广泛的应用,两套UPS单机系统同时跟踪一个旁路电源,其输出母线能够基本保持同频率、相位状态。

正常情况下,两台UPS独立输出为双电源负载提供两路电源,两台UPS通过输出母线1和输出母线2各自承担双电源负载,单点源负载由经过ATS选择后的输出母线3供电;当系统中1台UPS处于旁路检修状态下,依然能保证1路UPS输出和另1路UPS旁路输出为双电源负载提供两路电源,此时输出母线3前面的ATS自动开关并不切换;当其中一台UPS输出母线故障或其他原因需要完全停机维护(含UPS旁路),对于图8所示双电源负载,继续由另一台UPS输出母线供电,避免了单机UPS输出母线为单点故障隐患的问题;对于单电源负载,若需退出运行的UPS(含UPS旁路)是母线3的主供电源,则自动切换开关ATS会自动将母线3切换到另一侧母线上,负载由另1台UPS输出母线为负载继续供电,直至退出运行的UPS恢复正常(否则自动切换开关ATS不做切换,系统保持原状态运行)。

图11两台UPS共用旁路双路输出供电方案

4应用案例分析

出于各种不同的设计思路,实际使用当中会有各种不同方案。以下通过实际运行的几个案例分析,给各位设备使用者提供一种管理设备的思路。

4.1两台UPS共用旁路双路输出,输出配电带联络开关供电案例

基于UPS本身的控制逻辑,如图12所示的下面这个方案,可以既可以采用并机供电方案,也可以采用2N 输出供电方案。实际运行当中,必须选择其中的一种确认为正常运行模式固定下来,同时在紧急情况下按照一定的操作顺序切换对应的开关,才能进行系统转换,发挥这个系统的设计优势。

图12两台UPS共用旁路双路输出,输出配电带联络开关供电方案

这个系统中的QF3开关非常关键,如图13所示的状态说明如下:

4.1.1并机运行模式

如图13所示,当QF3开关闭合时,这个系统就是一套标准的并机系统。为了保证整个系统的安全与稳定,在整个运行过程中,QF3开关禁止断开;当有一台UPS需要维修并退出运行时,整个负载系统仍由另一台UPS供电,系统不需要做任何变化。

这种并机运行模式下,如果系统需要做双输出分段运行时,必须将UPS并机系统切换到旁路状态,且每台UPS都退出并机控制逻辑(设为单机),才允许断开QF3开关,此时每台UPS才允许恢复到逆变状态,系统转换为双输出分段运行,同时QF3开关禁止合闸。

当需要恢复到并机状态时,先将两台UPS切换到旁路状态,整个负载系统都由旁路供电,此时才允许闭合QF3开关;当两台UPS都恢复到并机控制逻辑时,才能将负载由旁路状态,恢复到UPS逆变器供电状态,此时QF3开关禁止断开。

4.1.2双输出分段运行模式

如图13所示,当QF3开关断开运行时,这个系统就是一套标准的双输出系统。为了保证整个系统的安全与稳定,在整个运行过程中,QF3开关禁止合闸;当有一台UPS需要切换到旁路进行维修时,整个系统不需要做任何变化,负载系统由一路市电和另一台UPS供电为负载供电。

当有一台UPS需要维修并退出运行时(含旁路),整个负载系统需要切换到另一台UPS供电,系统需要将两台UPS都切换到旁路状态,在等电位的情况下合上QF3开关,才允许将工作UPS恢复到逆变状态,待维修UPS退出运行,此时QF3开关禁止断开。

当需要恢复到双输出分段运行模式时,先将所有负载切换到旁路状态,在等电位的情况下恢复所维修UPS 的旁路系统,然后断开QF3开关,两台UPS分别恢复到逆变状态,系统转换为双输出分段运行,此时QF3开关禁止合闸。

图13关键的QF3开关

4.2UPS输出独立TN-S接地系统案例

基于工业环境UPS的输入电源来自于不同的上游系统,UPS负载侧与电源侧的接地系统独立,UPS系统的隔离变压器接地点选择成为了另一个需要关注的问题。如图14所示的下面这个UPS方案的接地案例,可以提供一个很好的注释。

通过UPS的输出和旁路隔离变压器,UPS输出侧可以构成独立的TN-S接地系统。根据TN-S的说明,需要输出侧的变压器中,有一个变压器且只有一个变压器要作为接地变压器工作。以下是最常用的并机系统,考虑到系统的对称性和UPS维护退出运行的原因,一般将接地点选择在旁路隔离变压器上。对于单机系统,一般也选择旁路隔离变压器作为接地变压器。

对于TN-S接地系统而言,如果接地点断开,将是一种危险的状态,此时若发生单点接地故障,将会导致正常不带电的部位带有危险的电压,甚至可能产生危险的高电压导致设备损坏。

图14UPS输出独立TN-S接地系统

4.3UPS输出独立IT不接地系统案例

IT系统是指系统不接地或经电阻接地的运行方式,由于IT系统允许单相接地故障时继续运行,因此受到很多用户的认可。如图15所示的下面这个UPS方案的不接地系统案例

通过UPS的输出和旁路隔离变压器,UPS输出侧可以构成独立的IT不接地系统。当系统发生单相接地的情况下,旁路隔离变压器内安装的“交流接地报警”装置将发出报警信号,需要通过人工来处理接地故障;此时由于相间电压的绝对值不变,设备仍能正常工作,而不受故障相接地故障的影响。

需要注意的是,如果未装设绝缘监视装置,IT系统在单相接地的情况下没有任何处理措施,将存在巨大的危险。一是三相系统的非故障相的对地电压等于线电压而造成单相长期过电压,二是故障相的存在可能导致系统发展为两点接地对系统安全造成威胁。

从实践运行来看,对于UPS系统输出选择IT不接地系统,必须装设绝缘监视装置。除非确有必要,不建议三相输出系统采用IT不接地系统;对于单相输出系统而言,UPS额定功率的选择,以不同功能场所的IT 系统的负荷大小为原则,并尽量缩短隔离变压器与系统负载之间的距离,IT系统负载供电线路的敷设应尽量避免使用金属穿线管,以降低IT系统的固有容性泄漏电流。

图15UPS输出IT不接地系统

4.4一路采用TN-S输出,另一路采用IT不接地输出的双路供电案例

对于图8所示的双电源负载结构如,某些关键设备采用了双路供电要求,而且其中一路采用IT不接地系统(采用交流隔离器的方式),图16所示。

图16某设备双路供电要求示意图

针对此种技术要求,UPS输出系统宜采用一路采用TN-S输出,另一路采用IT不接地输出的双路供电最为合适。如图17所示,这种供电方式是符合图16所示的这种负载要求的最佳方案。

图17一路采用TN-S输出,另一路采用IT不接地输出的双路供电系统

5结束语

工业环境用UPS最大的特点是满足不同客户的用电环境及负载的情况下,提供定制化的交流不间断电源UPS解决方案。即没有适用于所有场所的唯一方案,也没有不涉及负载和电网情况的解决方案。所有UPS 供电方案的设计和选择,核心是满足UPS负载的要求和UPS设备的管理维护。

本文从工业环境用典型工业环境使用UPS方案的实际案例入手,比较各个方案的不同差异和适用范围,为广大工业UPS用户提供工业UPS系统整体电源保护解决方案的建议。

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