九大维度解析UPS使用故障与板级器件故障

    UPS作为数据中心不可缺少的供电保护系统，其应用领域是越来越广泛。但长期以来，由于部分使用人员不了解UPS的组成、原理、特点，不注重对UPS的管理维护，使其使用寿命缩短，故障率增高，其结果是影响了UPS性能的发挥，并导致UPS系统故障，UPS系统被动故障可分为使用性故障和器件或板级故障。

UPS的使用性故障

    所谓使用性故障，是指由于操作、维护人员的误操作、对故障现象的错误判断、所采取的不当措施及经验性诊断等造成的故障。UPS的使用性故障大致可以分为知识性故障、操作性故障、延误性故障、维护性故障、经验性故障、环境性故障、突然掉电故障、UPS器件或板级故障等。

1.知识性故障

    这类故障情况的出现主要是由于维护人员缺乏基本的理论知识所致。例如，有一台新安装的30kVA的UPS向一台设备供电，设备接好电源开机后发现该设备中的一个电源模块被烧坏。于是用户认为是由于UPS的三相电压零点漂移所致，并向UPS厂家提出交涉，要求马上对设备进行检查或更换并对损坏的设备进行赔偿。既然用户提出这样一个既专业又严重的问题，那么厂家就立即派技术人员对该UPS进行检查。经检查，三相输出电压分别为220V、219V、219V，对称性很好，零点并未漂移。经仔细检查分析，确认设备电源模块的损坏是因为其质量有问题，更换电源模块后设备正常运行。

    对于三相电压，一般来说其偏差小于2%可以不计。目前，大多数UPS在三相负载100%不平衡时，都具有自动调节其电压不平衡度小于2%的能力。所谓三相负载100%不平衡，是指UPS的负载一相或两相满载，而另两相或一相空载的情况。例如，30kVA的UPS一相的满载值是10kVA（即10kVA/220V=45A）。并不像有人理解的那样，一相电流为1A，另一相为2A，就认为它们的不平衡度是50%，实际上不能这样理解。反过来说，如果一相电流为1A，另一相电流为0，岂不是它们的不平衡度也是100%，从字面上理解似乎是对的，但定义并非如此。

    又例如，有的用户给UPS配置的是工作寿命为3～5年的蓄电池，而环境温度夏天经常超过30℃，而且两年多市电从未停过，开机后维护人员也从未对蓄电池进行过核对性或容量测试性放电试验，蓄电池的运行状况不得而知。偶遇市电停电，蓄电池的放电时间不到额定时间的1/3，UPS就关机了。于是，用户就向厂家发出了索赔通知，等厂家的维修工程师指出故障原因，出示了操作说明书上关于蓄电池保养的有关内容并详细分析了蓄电池容量减小的原因后，用户无法再提索赔要求，但这对厂家声誉造成的影响却是严重的。

    还有的用户误解了UPS输出短路保护功能，认为做短路试验时只要将输出端用一根短路线碰一碰就可以了。实际不然，这样做对有的UPS可以，对有的UPS就不行了。其原因是当UPS由逆变器供电时，对过载和短路的保护是通过切断控制信号的方法使逆变器截止达到的。当逆变器采用功率三极管或MOS管时，用这种方法效果较好，不奏效的时候也有，这主要是因为电流传感器电路的反应时间太长，在控制信号被切断前，功率管就已经损坏了；当用IGBT作为逆变器时，引起损坏的概率相对高一些，这是由于IGBT不可克服的缺点造成的，即在IGBT的结构中寄生了一只晶闸管，它具有擎住电流效应，即一旦通过功率管的电流超过晶闸管的擎住电流时，这时即使取消了控制信号，IGBT照样导通，一直到烧毁。因此，在没有特别需要的情况下，尽量不要做这样的短路试验。

2.操作性故障

    因为UPS所带负载的重要性，为了保证UPS安全可靠地运行，各种产品都有自己的一套安全操作程序，并被写进说明书以供用户参照执行。但有个别维护人员却对此不以为然，并不按照既定程序操作，而是按照自己的理解随意操作，结果有时就出了问题；也有无意识的操作故障，例如，在维修或保养期间，因拆卸某一器件时不小心将邻近的器件碰坏而未发现，开机加电时形成二次故障；在检查故障时表笔误将某两点短路；连接外部蓄电池时误将正、负极搞错；有单只或几只蓄电池连接条未拧紧或蓄电池开关未闭合，市电停电时蓄电池放不出电而导致UPS停机；供电局进行市电线路改造或维修时将原来的相序搞错，也会导致UPS无法启动或转换失败；UPS加电后忘记启动逆变器，在市电断电时同样会导致停机；由于值班人员在机房内乱放食物而招来老鼠，老鼠啃咬线缆或窜入机内而导致线缆或元器件之间的短路故障；无屏蔽的远程信号线缆与交流线并行布线，由于耦合干扰而导致故障等。

3.延误性故障

    延误性故障是指由于维护人员的疏忽未及时发现故障隐患，或发现了却未及时采取相应措施而导致的UPS故障。例如，在UPS双机冗余并联系统中，负载被均分到两台UPS上，有时由于某种巧合而导致其中的一台逆变器关机，这时负载被全部转移至另外一台UPS上，如果维护人员及时发现了，那么只要将关机的UPS逆变器重新开启即可；如果维护人员未及时发现，那么遇到市电中断时，就变成了单机供电，一方面过载能力减弱，另一方面后备时间减半，此时，一旦过载就会造成所带负载全部中断。又例如，当蓄电池在不理想的条件下运行时，应按时对蓄电池进行维护，一经发现有容量明显减小的蓄电池，应立即更换。因为蓄电池的损坏有的是逐渐累积造成的，也有的是瞬间发生的，即昨天还是可用的，今天就无法放电了。在对蓄电池的维护中就会遇到此类情况：上次月检时，个别蓄电池虽然浮充电压稍低，但还未到完全不能使用的程度，而在当月市电停电后，有一组蓄电池却完全不能放电了。因此，一旦发现蓄电池有故障，要及时进行更换，以免酿成事故。

4.维护性故障

    UPS的周期性维护内容虽然较少，但这些内容却是非常必要的，而且这些维护要有一套严格的程序。不按要求定期地维护设备是导致故障的重要原因。例如，有的UPS长期不维护不保养，一旦发现设备工作不稳定，只好请求维修。待打开机壳一看，电路板和元器件上积了厚厚一层灰尘，只要用吹风机和吸尘器将这些灰尘清理掉，设备即可恢复正常。又例如，有一台UPS维修完毕后，维修人员将市电加到输入端，而忘了启动逆变器或闭合蓄电池开关，等到下一次市电停电时，UPS因逆变器不能启动而关机。

5.经验性故障

    即使是由几次处理故障经历得到的经验，也不能死搬硬套。例如，有一个具有甲种品牌UPS操作经验的用户去操作新安装的乙种品牌UPS，也不看说明书，就凭经验直接进行直流启动。因为他熟悉的UPS都可直流启动，哪知这台机器就没有直流启动功能，当然启动不了。于是，他就打开机箱用螺丝刀见继电器就捅，逆变器虽然启动了，但马上就冒烟了，功率管损坏了。他不知道具有直流启动功能的UPS在启动时是有一定程序的：当打开直流启动开关后，首先控制电路工作，然后才去驱动逆变器，即正常启动。但此台UPS无直流启动功能，控制电路正在工作的同时，逆变器也在启动，过渡中的不稳定状态导致逆变器的两个功率管同时导通而烧毁。

    还有的维护人员在培训时，自认为对UPS的原理已经掌握，只要求学一些排除故障的方法。而短期的培训只可能学习一些简单故障的判断方法，具体故障要具体分析，经验仅可作为参考。例如，UPS交流输入熔丝烧断的原因有很多，如整流器击穿、滤波电容击穿、逆变器击穿、输入整流管两端的RC网络短路，以及由此而波及的控制电路损坏等，这些都会造成熔丝烧断。当然，对一些简单故障的判断和排除，经验是有用的，不过要灵活运用，具体情况具体对待。

6.环境性故障

    环境性故障是由于用户不重视设备使用环境而导致的。例如，有一台30kVA的UPS被用户长期放在堆满杂物的仓库里，仓库没有空调也不通风，夏天温度高达30～40℃，湿度又大，这样导致UPS内元器件性能降低，蓄电池容量也大打折扣，当这台UPS被安装投入使用后，故障频频发生，蓄电池容量也远远达不到要求。又例如，将一台20kVA的UPS安装在一间简易屋顶房内，风雨过后，UPS逆变器关机，充电板被烧毁，检查发现是由于屋顶的泥水由上出风口灌入机器内所致。还有的地方市电条件很差，经常停电，致使蓄电池长期处于亏电状态，寿命急剧缩短；也有的地方在市电电压上经常叠加着很高的干扰电压，配电柜内的二级防雷器屡屡烧毁，并有时击毁UPS，进而损坏用电设备。

    从以上几点可以看出，对UPS的维护应制定并严格遵循一套科学有效的方法，才有可能避免上述的人为故障，以使UPS的故障率大大减小，真正做到不间断地为用电设备提供安全、可靠的洁净电源。

7.突然掉电故障

    突然掉电会给UPS硬件造成很大的损伤，还会对数据中心运营产生影响。突然掉电故障多为UPS负载超出上限导致自动停机保护。对此可停运几台不重要的设备，让UPS的负载率低于90%。

8.UPS器件或板级故障

    如果说蓄电池是UPS的“心脏”，那么充电、整流、滤波、逆变则是UPS的“躯体”，控制电路无疑是UPS的“大脑”。为了保证设备和UPS本身的安全，控制电路必须对来自检测电路的信息（过流、过压、蓄电池电压、蓄电池极性、交流电压、电流等）进行准确迅速的处理。虽然电路的控制系统复杂，但正是因为有了这些复杂的控制关系，当UPS出现故障时，才能根据故障现象，判断出故障的大致范围。在一般情况下，UPS主板常见的故障主要有不逆变、不稳压、不充电、不能用市电、死机等几种情况。在检修UPS时，应首先检查蓄电池，其次检查主板电路；当确定主板电路发生故障后，应先查市电供电电路。后查逆变电路。下面就几种情况的维修方法，分别进行以下介绍。

（1）不逆变

    不逆变是指UPS用市电能正常工作，但当市电中断时，蓄电池直流电压不能转变为220V交流电压。遇到这种情况，首先，测量蓄电池电压，因为若蓄电池电压过低（对于24V蓄电池，一般调整为21V），则控制电路检测到蓄电池电压过低信号后，就会中断逆变电路工作；其次，查辅助电源是否正常，逆变管及驱动管有无损坏；最后，检查输出保护电路。在一般情况下，通过上述步骤，故障即可得到排除。

（2）不稳压

    非在线式UPS不稳压分为交流输入时输出不稳压和逆变输出不稳压两种情况。当市电输入时，输出稳压过程是通过调压电路控制继电器与变压器的不同抽头进行连接来实现的。逆变输出电压的稳压过程是通过检测逆变器反馈电压高低来控制方波信号的脉冲宽度来实现的。如果UPS出现不稳压故障，那么只要查相应的调压控制电路即可。

（3）不充电

    不充电故障在市电不经常中断的环境里比较难发现，它的危害很大，很可能使蓄电池因长期得不到充电而提前报废。判断此故障的方法很简单，只要断开充电电路与蓄电池的连接，测充电电路的空载电压即可判断（正常时，对12V的蓄电池来说，此电压为13.5V，对串联的两只蓄电池来说为27V）。若此电压不正常，则应查充电电路及相应控制电路，特别是与此相关的控制电路。当市电过低或中断时，充电电路在控制电路作用下会停止工作；当相应控制电路有故障误动作时，也会使充电电路不工作。

（4）不能用市电

    逆变输出正常，用市电输入时无输出。遇到此类故障应首先检查市电检测电路。因为当市电检测电路检测出市电低于170V或高于260V时，就会发出相应信号给控制电路，使控制电路发出控制脉冲，切断市电输入电路，并使UPS处于逆变状态。当检测电路正常后，要检查继电器转换电路。由于机型不同，其控制关系和保护电路类型也千差万别。此处同一故障现象的原因还有很多，但根据经验其检查方法都基本相同。

（5）UPS不能正常启动

    在正常情况下，只要合上输入开关，UPS便自动工作在旁路供电方式，这时负载由市电直接提供电源。当发出UPS启动命令后，UPS开始启动，约1min后自动由旁路供电方式转换为逆变器供电方式（正常工作方式）。UPS不能正常启动的原因除UPS内部的因素外，使用者首先应检查输入电压是否正常；对于三相输入的UPS，还要检查是否缺相。因为在UPS内部有一个检测电路时刻对输入电压进行监视，若存在缺相，则输入电压的三相平均值必然低于正常值的下限，检测电路便发出信号封锁UPS的启动。若检查输入电压正常，UPS仍未启动，则对于单相输入的UPS要检查输入电压的火线与零线接线是否接反；对于三相输入的UPS，则要检查其输入电压的相序是否正确。

（6）UPS启动后不能正常转换

出现UPS启动后不能正常转换故障现象的最大可能是此时的旁路电压超出其允许范围。UPS对于其输入电压的允许范围是比较大的，一般为其额定值的-20%～+10%，但其旁路电压的允许范围为其额定值的-10%～+10%。由此就出现了UPS虽然能够启动却不能转换到正常工作方式的故障。出现不能正常转换的故障，首先应检查当时的市电电压（旁路电压）是否超出其允许范围。若已超出，则不需要进行任何处理，只要市电电压进入其允许范围，UPS就会自动转换到正常工作方式；若检查的结果证实市电电压在允许范围内，则可能是随着UPS使用时间的延长，其内部控制电路的某些参数发生了漂移，使得旁路电压的允许范围变小，这时需要对UPS内部的某些参数进行必要的调整（最好由UPS的专业人员进行）。

（7）UPS在运行中频繁地转换到旁路供电方式

    UPS一般运行在正常工作方式，但是在某些情况下就会转到旁路供电方式。例如，当UPS本来负载就比较大，再启动其他的负载，UPS就因过载而转到旁路，等负载的冲击电流过去后，UPS又自动转换到正常工作方式，这种情况的频繁出现对UPS的稳定工作是不利的，应进行相应处理。

    在接多台计算机及打印机等负载时，若在UPS的输出端安装一个开关集中控制这些负载的启动及停止则是不恰当的。经计算，计算机在开机瞬间的负载容量约是正常工作时负载容量的2～3倍。上述的连接方式在加载的瞬间必然造成UPS过载而转换到旁路。为了避免其发生，有两种办法：一是仍集中控制设备启停，但必须在旁路方式下进行，待设备启动之后再启动UPS，由于旁路工作方式的过载能力较强，躲开了集中加载瞬间所产生的冲击电流；二是在正常工作方式的情况下加载，但由于逆变器的过载能力较弱，此时不能采用集中加载的方法，应逐步加载以分散加载时的冲击电流。

（8）UPS逆变器驱动管损坏

    减少或避免UPS逆变器驱动管损坏故障发生的方法有以下两个。

    ① 慎重选择UPS的负载，最好不带大功率晶闸管负载和含晶闸管桥式整流器及半波整流器等非线性负载。对于单相桥式半控整流器电路，当晶闸管未被触发时，UPS的输出电流为零，晶闸管一旦被触发，UPS的输出电流突然由零增大至一个很大的值。晶闸管的控制角不同，其触发时UPS输出电流的增大值也不同。当控制角接近90°时，UPS突然增大的输出电流将达到其最大值。UPS带上这样的负载，就相当于在其输出端不断地进行从零到数倍输出负载容量的阶跃式脉冲加载和减载操作，显然这种情况对逆变器的工作是不利的。

    ② UPS在工作时应避免出现蓄电池未接入或接入的蓄电池严重失效的情况。蓄电池不仅能够储存电能，在UPS的工作中它还相当于一个容量很大的电容器，起到稳定直流电压的作用。如果蓄电池未接入或接入的蓄电池严重失效，则UPS工作时其逆变器输入端的直流母线电压就不稳定，当UPS突加或突减负载时尤为明显，这种情况容易造成逆变器驱动管损坏。

9.当市电中断时UPS立即关机

    当市电中断时UPS立即关机，是由于蓄电池失效或其性能严重变坏，以致当市电中断时蓄电池没有足够的能量来维持对负载的供电而造成的。此时，只要将不良蓄电池更换即可恢复正常。在检查蓄电池时，不能以测量蓄电池空载时端电压的高低来衡量其好坏，而应让它稍带负载，视其端电压变化。当蓄电池失效或性能严重变坏时，其空载端电压虽然基本正常，但只要放电，其端电压就会大幅度下降，下降幅度往往超出蓄电池的允许范围。在检查蓄电池时，蓄电池带的负载值与蓄电池的容量有关，推荐以蓄电池额定容量的70%作为放电电流。例如，一只12V/24Ah的蓄电池可以采用16A电流放电，当测量其端电压低于10V时则认为该蓄电池已经失效。