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中国石化仪征化纤有限责任公司 孙金伯 地址：江苏仪征市真州镇长江西路1号 邮编：210096 东南大学自动化学院 童国道 地址：南京市四牌楼2号 邮编：210096 南京鼎尔特科技有限公司谭文彬 沈启鹏 地址：南京市鼓楼区浦江大厦5层 邮编：210036 【摘要】本文以某化工厂UPS电源后级的仪表电源板发生批量失效事件进行案例分析，并给出事故原因，提出防止类似事故发生的解决办法。 UPS作为不间断电源已经广泛用于化工、交通、铁路、电厂、变电站、冶金、核电站、移动通讯、控制设备及其紧急保护系统等各行各业，它用于给计算机、计算机网络系统或电子仪器仪表设备如：各类变送器、电磁阀等提供持续、稳定、不间断的电源供应。UPS电源系统主要由以下几个部分组成：进行AC/DC变换的整流部分、进行DC/AC变换的逆变部分、逆变和旁路输出切换电路以及储能蓄电池部分。UPS作为一种特殊的电力电子产品，由于其独特的电路特性，在一些异常供电情况下，会对前级供电电路和后级负载产生影响。本文对一起UPS后级仪用电源板大面积失效现象进行分析，找出原因，以减少类似事件给生产带来的损失。 某公司仪表机柜间的原料预处理装置SIS、动力站SIS和发电机组CCS主机架及扩展机架上，6块由1#UPS供电的所有仪表电源卡件失效，对应上一级供电电源空气开关跳闸，直流电源输出消失。事故后，检查发现仪表内部的6块电源卡件的压敏电阻MOV1有放电痕迹。 现场检查，给仪用设备供电的UPS为三相380VAC输入，220VAC单相输出。其输出220VAC采用不接地方式。正常情况下，UPS输出的L、N对大地PE都为110VAC。下图是仪表系统电源卡件的电路原理图。
事故发生后，经与仪表设备供应商联系，设备商给出如下意见：给仪表设备供电AC220V方式需要用TN-S系统。由于UPS的输出未采用TN-S系统方式接地，是仪表设备的电源板烧坏的原因。当电源输入端对地电压出现波动时，N端、L端电压就会升高，引起压敏电阻击穿，发生短路电流并导致电源空开跳闸。3.1不考虑一次侧的接线方式，单相AC220V有以下四种接线方式图2中L1对地电压为AC220V，N对地0V。满足单相AC220V TN-S系统供电要求。
图3中L1、L2对地电压为0，L1、L2之间电压为AC220V。满足单相AC220V的 IT系统供电要求。
图4中L1、L2对地电压各为110AC，L1-L2之间输出220VAC。满足单相220VAC TT系统供电要求。
图5中L1、L2对地电压各为110AC，L1-L2之间输出220VAC。满足单相220VAC TN-S系统供电要求。
图6中，不考虑一次侧的接线方式，三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC，不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACIT供电要求。
图7中，不考虑一次侧的接线方式，三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压220VAC，不能输出相电压。满足三相或单相负载220VACTN-S供电要求。
图8中，不考虑一次侧的接线方式，三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压380VAC，对N线输出220VAC。满足380/220VAC负载TT供电要求。
图9中，不考虑一次侧的接线方式，三相输出220VAC供电方式。a、b、c之间输出线电压380VAC，对N线输出220VAC。满足380/220VAC负载TN-S负载供电要求。
国际电工委员会（IEC）对工程供电系统作了统一规定，统称为TT系统、 TN系统、IT系统。其中TN系统又分为TN-C、TN-S、TN-C-S系统。其中TN-S 方式供电系统是把工作零线 N 和专用保护线严格分开的供电系统，称作 TN-S 供电系统，其原理图见下图。TN-S 供电系统的特点如下：
1 ）系统正常运行时，专用保护线上没有电流，只是工作零线上有不平衡电流。PE 线对地没有电压，所以电气设备金属外壳接零保护是接在专用的保护线 PE 上，安全可靠。2 ）工作零线只用作单相负载回路或流过三相不平衡电流。3 ）专用保护线 PE 不许断线，也不许进入漏电开关。4 ）干线上使用漏电保护器，工作零线不得有重复接地，而 PE 线有重复接地，但是不经过漏电保护器，所以 TN-S 系统供电干线上也可以安装漏电保护器。5 ） TN-S 方式供电系统安全可靠，适用于工业与民用建筑等低压供电系统。 1）当UPS输出不接地，即采用图3、图6、图7供电方式时。图1中的O1点接地，是零电位。电容器F1、F2需承受110V电压，F3承受220V电压，压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压，压敏电阻MOV3承受220V电压。这也解释了现场系统正常时，测得L-PE之间、N-PE之间都有110V电压的原因。 2）当UPS输出接地即采用图4、图5、图9(符合TN-S)两种接地供电方式时。和4.1一样，电容器F1、F2需承受110V电压，F3承受220V电压，压敏电阻MOV1、MOV2各承受110V的电压，压敏电阻MOV3承受220V电压。 3）当UPS输出接地，即采用图2、图8（符合TN-S）供电方式时。图1中的O1点接地，是零电位。电容器F1将承受220V电压，F2承受0V电压，F3仍然承受220V电压，MOV1承受220V电压，MOV2不承受电压，MOV3仍承受220V电压，电容F1和MOV1极易出现承载过压而烧毁。上述分析可知，如果采用了图2、图8(符合TN-S)供电形式，将使得电容F1和压敏电阻MOV1容易烧毁。若采用图3、图4、图5、图6、图7、图9（符合TN-S）供电形式，均不易出现本文电源板的故障现象。所以供电形式是否采用TN-S系统不是导致故障的关键原因。但通过分析可以初步判定：UPS在运行过程中,接地条件发生改变，造成后级电源板元器件烧坏。经过对原始记录的进一步提取，我们发现一个现象，即与1#UPS同时工作的2#UPS供电的SIS内电源卡件记录了瞬时的失电现象。UPS1、UPS2当时都自动切换到了旁路供电。UPS1后级仪用电源烧坏，UPS2后级仪用电源正常。UPS1、UPS2输出都没有接地，满足图1的要求，MOV1、MOV2各承受110V的电压，MOV3承受220V电压。当UPS1切旁路后，旁路电源的N线接地，这样供电方式可能从原图3、4、5转变成了图2供电形式（现场使用的三相输入单相输出UPS），故F1承受220V电压，F2承受0V电压，F3仍然承受220V电压，MOV1承受220V电压，MOV2不承受电压，MOV3仍承受220V电压，MOV1烧毁。2#UPS切换后回路正常工作。故对UPS1的旁路系统的接线，特别是中性线和接地线进行认真复核检查是本次故障的关键。根据这个思路，我们发现UPS1的旁路变压器输出N线接地，如图10。UPS的输出电压是AC220V，0V；或AC110,AC110V。这个值在物理量中是电压有效值，最大的峰峰电压可能达到500-1000伏特。这是因为UPS内部有大功率晶体管如GTR或绝缘栅双极型晶体管IGBT，其输出多是SPWM电压波形，斩波会生成尖峰电压（L*di/dt），其峰峰电压值会达到500-1000伏特。在UPS跳转旁路运行后，接地条件改变，加在压敏电阻和滤波电容上的最大电压值会提升几倍，这样它们烧坏就不奇怪了。故UPS输出的后端，建议加输出隔离变压器，以减小电压峰峰毛刺对于后级负载的影响。附 部分国家或行业标准中对UPS接地方式的要求说明参考DL/T5136-2012《火力发电厂变电所设计技术规程》第10.2.15条规定：配电系统可采用不接地方式，也可采用接地方式，根据热工系统对电源要求确定。条文解释如下：“采用不接地的系统可以提高重要用电设备的供电可靠性，釆用接地系统可以满足某些DCS厂家对交流电源接地的要求，并减少零地电压。”“UPS主电路有各种接法，UPS为接地方式时：当旁路带隔离时，进线N线与UPS输出N线电气隔离，因此输出N线与PE线连接，并与共用接地系统相连，UPS之后仍为接地系统；当旁路无隔离时，进线N线与UPS输出N线直接金属连接，因此UPS输出N线不应再接地，UPS之后仍为接地系统。”“UPS输出N线是否需要接地，应根据UPS的接线形式、可靠性等，并综合考虑热工系统对电源的要求确定是否接地。现行国家标准GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10条的条文说明“当零地电压不满足负载的使用要求时（一般零地电压应小于2V），应采取措施，降低零地电压”。经过调査，部分DCS厂对交流220V电源有接地要求，如ABB，FOXBORO公司；部分DCS厂对此无要求。当DCS电源需要零线接地时，可以将UPS配电系统零线接地或在DCS增加隔离变压器，将隔离变压器二次侧接地实现。采用不接地系统可以减少停电次数，有利于提高供电的可靠性，如国内CPR1000堆型核电厂明确UPS系统采用不接地系统，并设置绝缘监察装置在一点接地时报警。采用接地系统可以降低零地电压，满足部分设备对电源的要求。另外，当热工电源为一路不接地、一路保安电源接地时，某些快速电源切换回路，不能正确监测两侧电压造成切换失败，这种情况也可考虑采用接地方式。”根据上述解释，《中国石化生产装置过程控制仪表供电系统技术管理规定》规定“UPS输出装置中性点不接地”和《石油化工仪表接地设计规范》（SH-T3081-2003）规定“控制室用电应采用TN-S系统”，对UPS接地方式的要求都是片面的。当UPS负载为单相负载时，三相输出380/220V的UPS就不能采用中性点不接地方式。当380V/220V三相输出UPS采用中性点不接地方式时，正常情况下，只要中性点即N线的电位不超标，UPS的220V负载能够正常运行。当发生一相如A相接地故障时，非故障的B、C两相对N线电压由220V升高为线电压380V，此时接在B-N和C-N之间的220V负载全部烧毁。因此，UPS输出中性点不接地方式只适用于单相输出的UPS或只有380V负载。2 UPS交流输入、输出两侧是否应装设隔离变压器的问题DL/T5136-2012《火力发电厂变电所设计技术规程》第10.2.15条规定：UPS交流输入、输出两侧应装设隔离变压器。条文解释如下：（1）由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法，中性点接地后产生新的零线，从而降低零地电压。（2）输出隔离变压器可以滤除负载端的大量的低次谐波，减少高频干扰，并可以使高次谐波大幅度衰减。（3）增强过载短路保护能力，隔离安全负载。UPS在正常工作过程中，如果遇到大的短路电流，变压器会产生反向电动势，延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏，达到保护负载与UPS主机的作用。（4）输出隔离变压器具有“通交流阻直流”的能力，如无输出隔离变压器，一旦逆变器桥臂的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）被击穿短路，母线高直流电压将加到负载上，将危及负载的安全。GB50174-2008《电子信息系统机房设计规范》第8.1.10规定：当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备使用要求时，宜配备隔离变压器。中性线与PE线之间的电位差称为“零地电压”，当“零地电压”高于电子信息设备的允许值时，将引起电气硬件故障、烧毁设备；引发控制信号的误动作；影响通信质量……，因此，当“零地电压”不满足负载的使用要求时（一般“零地电压”应小于2V），应采取措施，降低“零地电压”。对于TN系统，在UPS的输出端配备隔离变压器是降低“零地电压”的有效做法。选择隔离变压器的保护开关时，应考虑隔离变压器投入时的励磁涌流。
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