双UPS并机直流母线过压故障研究

廖百睿，刘鹍鹏，江梁智，孙晓伟，易炳强

（广州地铁集团有限公司，广州 510415）

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）在城市轨道交通信号系统中应用广泛，为各类信号设备提供稳定可靠的、不间断的电源。随着城市轨道交通发展，信号系统电源设备逐渐向着双UPS冗余设计方向发展。但既有线路信号电源大多为单UPS 设计，一旦UPS 发生故障，将导致全部负载设备断电，广州地铁6 号线曾因此导致大面积晚点。

2018 年，为了提高信号系统电源可靠性，在广州地铁6 号线海珠广场站和天平架站进行了UPS 并机改造，在原来1 套UHA3R-0160L 小型UPS 和蓄电池组的基础上新增1 套同型号的UPS 和蓄电池组，实现双UPS 并机供电。然而改造完成后，海珠广场站UPS 频繁发生故障，给信号系统供电带来了较大隐患。

1 双UPS并机实现方式

海珠广场站原信号电源系统包括1 套电源屏、稳压器，1 台UHA3R-0160L 小型UPS 和1 组蓄电池。并机改造增加1 套相同型号UPS 及1 组蓄电池组，与原UPS 做1+1 并机冗余输出。2 台UPS 主路输入、旁路输入同源，保证了并机系统转旁路工作时，每个UPS 的输出电源、频率和相位仍为同步。旁路输入前级接1 台稳压器提供稳定电压。输出端并联接入电源屏端子。改造后的系统设计如图1 所示。

图1 UPS并机改造系统Fig.1 System diagram of transformation into UPS parallel operation

另根据UPS 技术资料要求，每台UPS 必须加配外部输入空开和外部输出空开。于是在设备房墙面增加了1 套电源空开箱，将2 台UPS 输入、输出空开和蓄电池组空开放置在空开箱内，重新布放了配线电缆，如图1 所示。

并机逻辑控制电路采用平均电流法设计方式，通过并机线连接在2 台UPS 并机逻辑控制电路的接口端。并机逻辑控制电路采集到两UPS 逆变器输出参数差值信号后进行比对，再对各自的UPS 逆变器进行微调，使输出参数保持同步。正常情况下2台UPS 主路逆变供电，各自承担50%的系统负载。单台UPS 故障不影响系统供电，故障的UPS 自动退出并机系统，负载由另一台UPS 继续供电。故障消除后，人工手动开启逆变器，2 台UPS 恢复并机工作状态，如表1 所示。

表1 并机工作逻辑Tab.1 Working logic of UPS parallel operation

2 广州地铁6号线并机故障

2.1 故障概述

2018 年3 月2 日，海珠广场站UPS 故障报警，现场检查UPS1 停止工作，UPS2 工作正常。UPS1显示告警内容：直流母线过压、整流器故障、电池变换器故障、均不供电。此后海珠广场站UPS1 和UPS2 频繁发生故障，无任何规律，现象和告警内容均与3 月2 日首次故障一致。发生故障后，人工按压UPS 主机的故障消除按钮，重新开启逆变器，UPS 可以恢复正常工作。

2.2 故障排查及处理情况

2018 年至2021 年3 年，海珠广场站UPS 同类故障多次出现。故障发生周期长短不一，有的相隔数天，有的相隔数周、数月。为解决故障，对所有涉及并机改造的设备、线缆进行了逐一检查、排除，故障没有消除。处理情况如表2 所示。

表2 故障排除处理情况Tab.2 Disposal results of troubleshooting

此外对比了同样实施改造但无一故障的天平架站，查找可疑问题点。除房间内设备布局不同，两站实施改造的系统结构设计一致，使用的设备、线缆、空开型号一致，输入电源和输出负载设备一致。未发现两站改造存在明显差异。

2.3 故障原因分析

根据故障告警信息“直流母线过压、整流器故障、电池变换器故障、均不供电”，首先判断故障关键点在于直流母线过压。直流母线的电压指的是当交流输入电网正常时，由交流输入电网经过整流器变换为直流母线电压，作为逆变器的输入源。当交流输入电网发生故障或者无法提供足够的能量时，UPS 的输入电源由交流输入电网切换至蓄电池组供电。蓄电池组经过放电器转换为直流母线电压，作为逆变器的输入。由于整流器、逆变器、电池变换器均接在直流母线上，当UPS 检测直流母线异常后，设备内部软件逻辑认为整流器、逆变器和电池变换器存在异常，所以产生上述报警信息并停止输出。再结合故障后可以重新开启逆变器恢复正常工作的情况，分析直流母线电压为瞬时异常，当直流母线电压恢复正常，UPS 可恢复正常工作。

为进一步判断故障位于UPS 前级或者后级，在2 台UPS 的输入端和输出端分别加装1 组电流传感器，共加装了4 组，监测发生故障时2 台UPS 三相电流变化情况。随后通过监测发现了电流异常情况。并机正常工作时，UPS 输出端三相电流经常发生突变，在监测曲线上形成向上尖峰；在故障发生时，输出端电流波动变得剧烈，而UPS 输入端电流从始至终无明显变化，如图2 所示。

图2 故障时输出端电流曲线Fig.2 Current curve at output end during failure

经过一段时间的UPS 输出电流监测，发现UPS 输出端电流出现尖峰时间与故障的发生时间具有很强的关联性。同时输出端电流变化也为瞬时变化，与直流母线电压瞬时异常的情况相吻合，判断UPS 输出端电流瞬时尖峰变化是引起直流母线过压的原因。由于前期已经尝试替换UPS 主机硬件，可排除UPS 整流器、逆变器和电池变换器等内部硬件问题，将故障原因基本锁定在UPS 输出端外部环境。

通过仔细检查UPS 输出端配线及负载设备情况，发现海珠广场站2 台UPS 输出电缆长度存在差异，UPS1 电缆长度3.3 m，UPS2 电缆长度3.7 m，而天平架站2 台UPS 输出电缆长度相当。查阅相关资料，多台UPS 并机时，输入/输出电缆的截面积和长度应尽量相同，以提高UPS 工作均流程度。均流是指2 台UPS 并机运行时，需要确保UPS 中逆变器输出电压的幅值、相位以及频率保持同步，给负载均流供电。而UPS 内部功率元器件的差异、采集采样电路元件差异、两逆变器输出端连接电缆的等效电阻差异都会影响并机系统均流效果，产生并机环流。并机环流导致了2 台UPS 逆变器所输出的电流不是全部流向负载，而会有部分电流在2 台UPS 逆变器之间流动。较大的环流会冲击其中一台UPS，造成设备过载。

海珠广场站施工放缆时，考虑设备布置以及电缆余量，在静电地板下对电缆进行了盘圈处理。在随后故障处理换缆时，亦未关注双机输出电缆的长度要求。所以布放的电缆仅满足技术资料中关于截面积的要求，未考虑电缆长度的一致性。因此，海珠广场站UPS 并机后频繁发生直流母线过压等故障告警，原因在于2 台UPS 输出电缆长度不一致引起的逆变器等效阻抗差异，造成并联系统模块之间产生较大环流。

3 故障解决方案

抑制环流有以下措施。

1）控制两逆变器输出端至电源屏的连接电缆的等效电阻，保证逆变器的等效阻抗相同。

2）控制2 台UPS 并机逆变器输出电压的差值。

因此海珠广场站采取以下解决方案。

1）替换UPS 输入/输出电缆。2 台UPS 的输入和输出电缆都采用最高等级WDZAN 型号电缆，逆变器输出侧至电源屏端子之间的电缆截面积和长度相同。

2）重新调校UPS 逆变输出参数。更换电缆后，对逆变器输出电压、频率和幅值参数进行调校，尽量保证2 台UPS 逆变器输出电压一致。

经过以上整改后，海珠广场站2 台UPS 供电系统运行至今近1 年的时间，未再发生直流母线过压等故障告警。通过监测观察2 台UPS 输出端电流曲线，亦未再出现尖峰变化，可以确定故障已经解决。

4 总结

海珠广场站UPS 故障的根本原因是2 台UPS输出电缆长度不同带来等效阻抗差异，在UPS 间产生并机环流，造成UPS 过载。通过本次故障处理得到的经验是：

1）并机环流是UPS 并机系统中的重大隐患，在后续并机改造工作中应当引起重视。

2）为避免产生环流问题，实现并机均流供电，在并机系统安装调试阶段，一方面要调校UPS 输出参数，将逆变器输出电压差控制在最小范围；另一方面输入/输出电缆的型号、截面积应该符合技术资料要求，UPS 输出端至电源屏的电缆长度应尽量相等。