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UPS电源故障解决方案与运维管理

某广电集团的电视制播业务楼——演播中心为保障广播电视制播安全，中心配置了两套均采用1+1冗余并机组网模式的“克劳瑞德”160kVA+160kVA和60kVA+60kVA的UPS电源系统。随着媒体融合的深入和电视制播技术的发展，集团又分别建设了3套UPS系统，目前共有5套UPS电源系统为集团电视节目制播服务，
文章通过剖析广电系统配置的UPS电源的常见故障，从故障现象、原因分析、处理过程等角度进行阐释，探讨UPS电源故障的解决方法，总结如何通过制定日常巡检和定期维护制度，预防性地进行设备维护保养，以提高UPS电源系统的可靠性，确保广播电视制作和播出安全。

一、系统配置

某广电集团的电视制播业务楼——演播中心为保障广播电视制播安全，中心配置了两套均采用1+1冗余并机组网模式的“克劳瑞德”160kVA+160kVA和60kVA+60kVA的UPS电源系统。随着媒体融合的深入和电视制播技术的发展，集团又分别建设了3套UPS系统，目前共有5套UPS电源系统为集团电视节目制播服务，系统配置见表1。

表1  演播中心UPS系统配置表

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通常UPS设备由输入输出开关、整流器、逆变器、蓄电池、风扇、静态转换开关、变压器等主要部件组成。正常工作模式下，市电经输入开关进入整流器整流后变为直流电，再经逆变器逆变为交流电，通过输出开关后为负载提供电源，同时直流电对蓄电池浮充或均充。当市电停电时，UPS自动转为电池供电模式，蓄电池经过逆变器逆变后为负载供电，此后当市电恢复供电时，UPS自动回到正常工作模式。当整流器或逆变器工作异常时，UPS自动转为旁路供电模式，市电经旁路开关后为负载提供电源。当UPS因故障需维修时可转为维修旁路模式，负载通过维修旁路装置连接到旁路电源，其工作原理见图1。
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图1  UPS工作原理图

随着信息技术的发展，现在的UPS设备大多采用DSP数字化控制技术，内部的关键部件高度冗余，可靠性较以往机型大幅提高，也更加适应电网的变化。同时，辅以智能化的电池自动管理技术，延长了蓄电池组的使用寿命。但是，UPS不间断电源作为常年不间断运行的设备，特别是使用年限长的UPS设备，发生故障是难以避免的。本文中，笔者根据多年对UPS电源系统的管理经验，列举简述故障维修实例，以供参考。
二、故障案例
  1.整流器组件故障
演播中心三楼1+1冗余并机的“克劳瑞德”60kVA电源系统的A#UPS设备LCD面板告警：主路输入断路器故障，整流器过流，逆变器停止运行。
该机整流器使用三相全控桥整流电路，通过相移发生器依次控制各可控硅的触发端实现整流目的，功能是给逆变器提供直流电压，给蓄电池组执行限压恒流充电，整流器工作原理见图2。依据设备报警信息重点检测整流器相关组件及逆变器的IGBT各功率组件及保护熔体；目测故障设备内部的直流滤波电容组件C中有一只电容器外表面有穿孔焦煳现象，预判为直流母线端的直流滤波电容被击穿后引起的连锁短路故障。该机型整流器对电池组的浮充电压约为449V，电容的耐压值为450V，浮充电压接近电容耐压参数的上限值，是造成直流母线滤波电容故障的主要原因，而滤波电容被击穿后短路引起可控硅过流烧毁的情况较为常见。

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图2  六脉冲可控硅整流工作原理图
该机逆变器采用电流控制PWM技术，以3只双管IGBT模块组成三相桥式逆变电路，需测量IGBT辅助端子栅极G和发射极E的容值读数验证逆变器是否存在故障。整流和逆变控制板内的故障较难查找，通常控制板内集成块的故障率很低，由于可控硅（SCR）过流烧毁，判断整流功率驱动板的故障概率大。
现场勘查发现A#机组已停止工作，蓄电池断路器已脱扣，负载完全由B#UPS承担。对并机系统中的A#故障设备进行脱离并机系统的隔离操作，做放电处理完毕后进行故障检修工作。检测A#设备内部组件，用“福禄克289”万用表测量可控硅（SCR）的辅助端子阴极K和控制极G，有3只处于开路状态，正常的阻值读数为10Ω左右，3只整流可控硅（SCR）均被过流烧毁，测量直流滤波电容，证实电容已击穿，测量主输入端和逆变器输入端的200A/690VaR快熔，证实快熔断路，测量IGBT模块辅助端子栅极G和发射极E的容值，数值为18nF左右，测量值均正常，见图3所示。为了提高维修后系统的整体可靠性，在将直流滤波电容全部更换为耐压值为浮充电压的1.5倍的电容和同规格的aR系列快熔外，同时也更换了整流驱动板上的3只可控硅（SCR），最后对A#设备做并机系统恢复操作，系统恢复正常。

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图3  IGBT逆变器组件图

  2.辅助电源板故障

演播中心进行变压器及避雷器年度检修时，位于负二层的160kVA“克劳瑞德”UPS电源输入前端的ATS装置在完成自动主备电线路切换后，听到两台160kVA1+1冗余并机系统中的B#UPS设备内部突然发出持续刺耳的高频啸叫声。
此现象初步判断为设备辅助电源板发出的异响，拟拆除故障设备中3块电源板进行检测，由开关电源芯片UC3842、电解滤波电容、稳压二极管、电源变压器等组成的开关电源电路中，电解滤波电容容易失效造成芯片工作电压异常，此故障比较常见，而芯片本身损坏概率较小（除非击穿）。由于160kVA“克劳瑞德”UPS电源系统采用1+1冗余并机工作方式，对并机系统中的B#UPS故障设备进行脱离并机系统的隔离操作，负载完全由A#UPS承担，测量B#设备的电源各项输入指标均正常，再检测B#设备内部组件，拆除3块辅助电源板上6只电容，用4082LCR手持数字电桥对滤波电容进行测量，发现3块辅助电源板上的数只100μF/50V电解滤波电容的容值均偏离正常值，有的接近开路，见图4所示。经更换故障的电解滤波电容，将辅助电源板复位后开机，B#设备高频啸叫消除，并机后系统正常。可见，滤波电容变值是导致高频干扰滤除不净的主要原因。

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图4  辅助电源板
  3.逆变器组件故障
位于演播中心负二层采用1+1冗余并机工作方式的“APC”120kVA系统B#UPS设备LCD面板告警：逆变器输出高压，逆变器停止，逆变器不同步，系统停止。
在UPS电路中，逆变电路是将直流电能变换成交流电能的变流装置，图5所示为桥式逆变器工作原理，该机故障原因初步判断为逆变器的IGBT控制板故障，或IGBT驱动信号不正常，或输出滤波电容变值。

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图5  桥式逆变器工作原理框图
通常，设备内部的高温环境，导致电路板上的电容容量减小，高温使电容的劣化呈现上升趋势。基于逆变器有输出电压，根据维修经验判断IGBT控制板或驱动板内部故障使得驱动信号不正常这种原因基本排除，而滤波电容并联在逆变输出端，作用为滤波、稳定输出电压及抑制高频噪声，输出滤波电容容量低造成逆变输出电压高频谐波增加、瞬间缺相情况较为常见。在检修时用LCR数字电桥测量交流输出滤波电容的容值C和损耗值D后即可判别。
对并机系统中的B#UPS设备进行脱离并机系统的隔离操作，待UPS内部直流母线电容放电完毕后进行故障检修工作，检测B#设备内部组件。拆除逆变器后端的输出滤波电容器连线，用万用表和LCR手持数字电桥测量电容，发现并联的3只290VAC600μF交流滤波电容容量值低于规定值，判定为故障元器件。更换掉3只故障电容后，对B#设备做并机系统恢复操作，系统正常工作。

  4.交流风机故障

位于演播中心负二层的“克劳瑞德”160kVAUPS电源系统A#主机设备报警：风扇故障，整流器过温。
设备中各元器件因为工艺、使用环境的不同寿命各不相同，特别是风扇和电容的寿命远短于其他元器件。UPS系统中的风扇始终处于运转状态，吸附在叶片上的灰尘，破坏了风扇的动平衡，同时灰尘进入风扇轴承中，加大了轴承的运转阻力，轴承过度磨损导致卡滞停转，且启动电容容量偏低增加了电机的启动电流，最终因过流导致风扇线圈及供电线路熔丝烧毁的故障。检修时先进行A#UPS主机脱离并机系统的隔离操作，负载完全由B#UPS主机承担，等UPS内部直流母线滤波电容完全释放电荷后，拆开设备防护盖板检测变压器顶部和设备顶部出风口的交流风机，用热成像仪检测各交流风机电机温度，发现变压器顶端的一只交流风机温度76℃，正常应在28℃左右。取下该风机，用手去转动叶轮，发现叶轮卡滞，用万用表测量风扇线圈的绕组，发现线圈阻值偏离正常值，用LCR手持数字电桥测量风扇启动电容发现容量偏低。通过更换故障风机和启动电容以及烧毁的熔丝，做并机系统恢复操作，A#设备告警消除，并机系统工作正常。
在上述故障案例中，电容和风扇是高故障率的元器件，电容损坏还会导致连锁损失。2009年6月工业和信息化部发布的YD/T1970.4-2009标准明确了UPS设备的滤波电解电容和风扇的建议工作年限，该标准建议电容及风扇应到期后更换或根据设备的要求进行更换，电容若出现防爆阀开裂、外表鼓胀或漏液等现象，应立即更换（YD/T 1970.4-2009通信局(站)电源系统维护技术要求.第4部分:不间断电源(UPS)系统）。提前更换UPS中的易老化元器件，可以消除UPS设备的潜在隐患，保持UPS设备的在线率，延长UPS设备的使用寿命，保证重要机房的UPS电源系统的运行安全。

三、UPS电源系统的维护与管理

UPS机组是精密电子设备，运转部件只有冷却风扇在转动，其他电子元器件均处于静默工作状态。由于温度、湿度、洁净度等环境因素对UPS的影响较大，因此在日常维护中需保障UPS运行所要求的机房环境，以保持UPS设备工作在良好的性能状态。
  1.UPS系统主机日常检查和定期保养

（1）每日巡检

每日巡检是UPS维护工作的首要内容，包括：确认UPS机房内环境温度在20℃~25℃；查阅UPS监控系统中的运行事件记录、UPS机组面板警示信息，查看并机系统中各UPS的均流状态及电池后备等参数，确认所有显示参数正常；观察UPS设备运行噪声有无异常；检查并确保UPS空气过滤网没有任何的堵塞物等。

（2）定期维护

定期维护工作对保持UPS设备性能状态至关重要，一般每季度维护一次。季度维护检修内容包括UPS性能检测和功能检测两个方面。其中性能检测包括所有电气端点、风机、元器组件等，确认连接可靠，运行正常，对超过设计年限的元器件应尽量提前更换；检查UPS内部参数是否正确；校准UPS的采样系统；用校正仪测量UPS输入、输出电压和电流及谐波电压，并调整使其显示数据与实测值相符合；检查UPS直流系统的交流分量；检查防雷接地保护设施是否正常。UPS功能测试包括测试市电输入切换功能是否正常；测试逆变器供电功能是否正常；测试市电状态带载功能是否正常；测试电池状态带载功能是否正常；检查各维护参数的门限设置是否正确，修正设备存在漂移的相关参数；主机转维修旁路后对主机系统内部进行深度除尘、清洁，避免灰尘影响系统的使用寿命。

  2.蓄电池维护管理

UPS电源使用的密封式免维护铅酸电池应与UPS系统中的其他设备分开放置，并保持环境温度在规定范围内。蓄电池维护需做好以下几点：确保UPS的自动电池管理功能正常且电池管理参数设置正确；定期维护时逐节测试蓄电池的在线内阻与端电压，检查蓄电池连接条的紧固螺栓有无锈蚀、松动，及时清除漏出的电解液或电极端酸雾，以免大电流放电时由于接触不良产生过大的压降而产生打火现象；用自动电池管理系统的均充功能对“落后”电池进行补充充电，对故障的蓄电池应及时更换，并确认更换的电池与原电池的参数及规格相同；进行蓄电池组放电测试并检查蓄电池组总体性能，同时应避免深度放电。
四、结语

对UPS的管理和维护应采取预防为主、修理为辅的原则。通过建立日常检查和定期维护制度并落实到位，提前更换易损元器件，可降低设备故障发生率，保证UPS系统长期有效安全地运行，以进一步适应广电系统现代设备管理的要求。

 

来源：数据中心基础设施运营管理

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