UPS电源在石油化工领域中应用的 安全和环境影响

2025-07-18

不间断电源(UPS)作为一种电气设备,包含了传统变换式UPS、在线互动式UPSDelta 变换式UPS、后备式UPS和旁路优先式UPS等多利机型。随着技术的选代进步,传统变换式UPSW

“稳频、稳压和无缝”等技术指标被广泛认可,其工作原理与DL/T1074-2019《电力用直流和交流一体化不间断电源》及SH/T3082-2019《石油化工仪表供电设计规范》2中对不间断电源的定义与要求基本一致。因此,本文中讨论的UPS也主要指传统变换式 UPS

与其他行业一样,UPS在石油化工领域也得到了大规模的应用。文献[2]中明确规定:“仪表及控制系统供电属于一级负荷中特别重要的负荷,应采用 UPS供电”。石油化工领域中重要生产装置或场所的 PLCDCSFCSSISCCSMMS等系统均属于控制系统,如没有稳定和可靠的供电电源,就不能保障企业长周期连续稳定生产和运营。虽然 UPS的投资占建设总投资比例很低,但却是企业安全生产的关键设备。然而,UPS是一种连续在线运行的半导体集成装置,该装置虽然具有整流、逆变、滤波、蓄电池浮充电、可控硅开关等功能,但是以较高耗能和固有缺陷为代价实施供电的。UPS的基本工作原理如图1所示,首先将输入的交流电变为直流电(整流),将整流后的直流电与蓄电池直流端连接并逆变为脉宽调制波(SPWM),再经滤波器滤波并将SPWM波还原为优质的正弦交流电,最将交流电经可控硅开关传送到重要负荷。多年UpS供电系统虽然经历了由单机运行到单机加骨旁路,并机运行,并机运行加外置旁路,2n制等统架构的演绎和发展四,但其供电系统的运行模式-直未变,其物理上的缺陷并未得到根本性改变。

历史上,UPS的稳频、稳压和“无缝”等功能曾经意义重大,但随着电网技术指标和质量的迅速提高,重要负荷自身的耐电网环境水平不断进步电网技术指标已经优于各类重要负荷所需求的指标,UPS的稳频、稳压等功能已不再是市场关注重点,不间断供电已成为UPS最显著的特征。作为-种较高耗能型电源装置,UPS存在着效率低、热患高、出力小、谐波重、寿命短等一系列物理缺陷由UPS构建的高耗能型供电系统,不但造成环境恶化,还对重要负荷的安全用电构成重大威胁,给供电系统留下安全事故类重大隐患。近年来,在包括石油化工在内的诸多领域中,UPS故障导致企业自动化生产装置停产的事故时有发生,给企业带来了不必要的经济损失和影响!。实践证明,如何解决 UPS供电系统的安全和环境影响等难题,是现代企业稳步和快速发展亟待解决的重大课题。本文将从UPS自身特性出发,简述其在安全和环境两个方面所带来的影响,并且对未来新型的UPS设备提出新的展望。

1 UPS 的安全问题

UPS供电系统的安全隐患主要分为内在因素与外在因素。其中,内在因素包括:半导体模块热在线载流所引发的高温和有源谐波,蓄电池热在线充电,输出端短路故障;外在因素包括:UPS的附属设施缺失或工作异常,主机系统设计安装容量不足,不实行冗余配置等。这两者之间,外因可以通过设计和配置等手段控制从而**限度地实现安全运行,然而内因则源自于 UPS的基本工作模式。以下将着重讨论UPS安全隐患的几点内因。

1.1 半导体模块安全隐患

1.1.1 环境温度缩短系统使用寿命

UPS在正常环境下的使用年限一般为5~10a,但高温环境会加速半导体模块及电阻、电容电感类导体器件的老化,从而加大故障概率(UPS中的整流、逆变和可控硅开关等半导体模块在实时载流过程中,一方面模块内的载流芯片快速升温而导致模块持续升温,另一方面制冷通风系统为升温的模块实时降温,当升温和降温达到平衡时,模块便停止升温和降温,稳定工作在温度平衡点。实际运行中,UPS内载流半导体模块的温度平衡点一般在45~65℃的某一点。然而,旦降温系统出现异常或UPS内置风机异常、半导体模块参数漂移或受到干扰而升温加剧,则半导体模块的温度便会迅速飙升,直至半导体模块损坏,严重情况下可引燃关联线缆,从而导致市电正常而重要负荷被中断供电甚至引起火灾等事故即使是系统内升温和降温始终保持平衡,也会因为平衡点的温度远高于常温(25)而大幅缩短半导体模块内载流芯片的安全使用寿命,大幅增加UPS故障的概率。例如,电解电容在常温(25)环境下使用寿命可达1.0x10'h,在常温基础上每升高10℃其寿命减半,而半导体模块的整体温度般平衡在45~65,因而电解电容的寿命在6.5x10°~2.5x10'h。由于半导体模块热在线载流的缘故,即使是在现场具备空调(含集中空调)的情况下,UPS的正常使用寿命也会大幅降低。现实中,市电正常但UPS因超出质保期而反复维修的案例较多。

1.1.2 环境湿度失衡引发系统故障

UPS内部半导体模块成型于制造厂恒温恒湿环境的洁净车间,在后续的使用中也需要一定的恒温恒湿环境。如果在UPS使用中只注重控制温度而忽视控制湿度,则湿度超高会导致半导体接线管脚间因潮气或结露而出现“联电”类故障,而湿度太低会导致静电,产生严重干扰而导致UPS工作异常。此外,半导体模块若长期处于单纯的升温和降温的物理状态中,还会导致内部载流介质干裂及连接管脚的断裂,在热胀冷缩或其他因素干扰下,干裂点和断裂点因接触不良会出现闪断闪接现象,直到最后彻底丧失导电能力。其闪断闪接过程还会引发火花和加剧温升,造成半导体模块温度平衡点上升,甚至未发生断裂之前就已退出工作,造成市电正常而重要负荷被断电对于总安装容量较大的UPS电源室,为防止该类隐患引发主机工作异常甚至事故,还需要保持合适的湿度,因而对空调的设置要求较高。完善的附属设施虽然可以改善UPS的环境,提升安全可靠性,但附属设施热在线持续工作的能耗是客观存在的,并且附属设施也有安全寿命和维修维护等负担,一旦出现附属设施工作异常或退出工作UPS的安全可靠性就无法保证,并且包括UPS及附属设施的全系统每月,特殊情况下每0.5个月都要带电检测及维护,以保证UPS的正常运行。

1.1.3有源谐波带来的耗损和隐患

为了避免谐波带来的危害,石油化工行业中应用的工业级大功率UPS的整流装置多选用十二脉冲整流器。但即便如此,在实际工作中仍会向电网及其所在配电系统释放一部分有源谐波,这些谐波一方面以噪音、震动和发热的形式增加系统内线路、变压器及非重要负荷(特别是动力)的能耗;另一方面会不同程度地产生谐波电磁场信号干扰;同时还令整流前端网络的正弦波形发生畸变。这些受有源谐波干扰而畸变的网络波形对发电设备、输电设备、供电设备以及用电设备产生严重的危害,从而给供配电系统的安全运行带来安全隐患。特别在化工行业中,有源谐波对化工高精仪表和控制系统产生的负面干扰尤其需要重视。这些电气仪表都基于工频正弦波设计和工作,而当有源谐波介人后,感应式测量仪表将产生指针摆动,造成电气仪表测量的不准确及电能表计量的误差。另外,目前新型的监控系统很多是基于物联网技术并依赖于以太网或无线网络传输信号,有源谐波产生的磁场会出现射频干扰,严重时将可能造成监控系统的误动作。

1.2 蓄电池高温在线热患

UPS的配套蓄电池组连接于整流和逆变之间,在蓄电池满电情况下依然保持着内部的化学反应,市电电压偏高则整流的直流电压偏高,偏高的直流电压会对满电的蓄电池组微充电;而市电电压偏低则整流的直流电压偏低,此时蓄电池保持交流输出电压稳定,自动进入微放电状态。由于其微充电和微放电不止,内部化学反应不断,因此蓄电池升温不停。这种动态热在线充电带来的高温工作环境可能大幅度缩短蓄电池寿命,从而引发相应的故障。到目前为止,绝大部分的UPS故障是由蓄电池故障引发的,严重的情况下会导致火灾,造成严重的经济损失甚至危害人身安全。在这样的前提下,环境温度就成为电池组使用寿命的主要因素。一般15~25℃是最适合蓄电池(以铅酸电池为例)的环境温度,超过了25,温度对铅酸电池循环寿命的影响愈发重要。在高温下,内部化学反应加速,进而加剧正极板的腐蚀和硫化物的形成,从而缩短电池的使用寿命。此外,高温会促进电解质蒸发,进一步影响电池的性能相反,在低温下,内部化学反应速率减慢,延长了电池的循环寿命。因此,保证UPS室温度在20~25℃尤为重要。由于在常规设计中,一般均参照DL/T459-2017《电力用直流电源设备》中的要求,UPS室的温度控制在常温(25)环境,因此需要对UPS室内配备比如空调、风扇等散热控温设备UPS的配套蓄电池往往是循环寿命或日历寿命还没有到就已经不能正常在线运行,勉强运行会给供电系统造成重大安全威胁。

1.3 UPS输出端负荷侧短路故障的危害

在正常的市电供电系统中,如果负荷侧分支回路出现短路类故障,相关的保护开关会快速实现保护跳闸,不会令所在网络的输出回路全部断电;而在UPS供电系统中,当负荷侧发生短路类故障时,由于各分支回路的保护开关的跳闸时间为10ms左右,UPS内逆变器对短路电流的阻断时间和耐受短路电流的时间均小于0.01ms,因而在负荷侧发生短路瞬间,UPS内的逆变模块会先于所有短路保护开关跳闸保护之前发生“死机”或损坏,造成所在网络的输出回路全部断电。迄今为止,面对UPS输出端负荷侧短路故障,还没有找到有效的应对策略。

2 UPS 的环境影响

除了潜在的安全隐患之外,UPS对周围环境所带来的影响却往往容易被忽视。UPS系统本身对环境要求就很高,如远离热源、无阳光直射、无腐蚀性、保持正常的温度和湿度等。UPS系统包括冗余的主机及其配套的空调和有源滤波器等因为占地面积较大且设备布局相对复杂,所以需要设置独立的电池间。对环境造成的影响主要表现在以下几个方面:

1) 配套蓄电池组对环境的影响较大。如常用的铅酸电池里面含有汞、铅、镉、镍等重金属及酸碱等电解质溶液,对人体及生态环境有不同程度的危害。潜在替代产品磷酸铁锂电池热失控管理目前仍然存在着较大风险,在企业生产现场,一旦发生火灾,对生产环境将有较为严重的影响。

2) UPS工作时除了散热设备的风扇声,在充电降压时会产生低频振动波,低频共振对人体的危害主要有精神的刺激和身体机能的下降,如果长时间处于这种情况下,将会危害工作人员的健康。

3) 如果有源滤波器配置不合理、或出现工作状态异常,或不配置有源滤波器,则会导致现场空间电磁场信号于扰严重,使整流器前端导线内有源谐波副作用加剧,还会对整个配电网造成环境污染和信号干扰。

4) 如果空调设备出现工作异常,则会导致现场温湿度环境偏离安全区,从而可能导致UPS主机或电池组工作异常,带来火灾等风险。

5) 蓄电池组热在线浮充导致其安全寿命缩短至2~4a,报故障待更换的蓄电池组成为现场环境的负担和潜在风险。

6) 主、辅设备群内诸多设备的特性不同,其安全工作寿命也不同,处于异常或退出工作状态的设备在没有得到及时更换之前,也是对现场环地的一大影响和威胁。

3 提高 UPS 供电系统安全可靠性的措施

综上所述,UPS的安全隐患主要源于其热在线的工作S进线开关的电流,否则当尸明下,相关设计规范及标准给出了科学严谨的安装和使用规范。提高UPS安全可靠性的措施主要包括如下几个方面:

1) 避免过载。UPS的热在线升温是系统发热的内因,UPS的温升速率和最高温升均与其带载率平方成正比。因而,带载率偏高是助推UPS温度上升的决定性因素,最有效的方法是控制 UPS的带载率在安全范围之内。

2) 控制温湿度。由于UPS内半导体模块的载流是连续的,所以其温升也是持续的,若对UPS

内半导体模块的温升不加限制,其温升会很快达到额定值(150),继而突破额定值损坏设备。因此,必须有足够功率的降温制冷系统为半导体模块降温(控制温升),令升温和降温在某温度值实现动态平衡,UPS供电系统的温升便会停止。同理,UPS供电系统还应有湿度控制系统,保证UPS工作环境的湿度也在安全范围之内。实践中,对于有集中空调的大型UPS群供电系统,例如数据机房,一般都是在 UPS室内另行装设互动冗余的多台精密空调装置,而在中小型 UPS供电系统,一般直接由精度较高的空调系统替代普通空调系统。

3) 有效抑制谐波。如前所述,UPS内的谐波较为严重,逆变谐波是SPWM波的衍生物,只能滤除。而UPS整流侧的有源谐波则是能用对消法管控的衍生物,如果不加以控制,就会释放到UPS前端的网络和设备里,对系统和相关设备造成不必要伤害和干扰。

4) 保证开关选择性。该选择性是指合理配置UPS电源进线上一级的保护开关及配套线路。众所周知,UPS主机内的进线开关是根据整流和逆变功率的**值并考虑谐波影响设置的,开关的额定电流值远比实际负荷的计算电流大,且没有考虑对UPS之外线路的保护。因而UPS前端电源进线侧线路和上级配置开关的额定电流均应大于 UPS进线开关的电流,否则当UPS内电流接近进线开关额定电流并大于进线电缆的额定电流时会引起进线电缆故障(如火灾等);或者引发越级跳闸断电的故障。

综上所述,以上措施在本质上依然是对于UPS自身安全隐患内因所作出的防范妥协,并没

有从根本上杜绝这些隐患。当这些相措施,比如降温设施、滤波设施、恒温恒湿设施等附属设施出现问题时,都会直接引发UPS工作异常或退出工作,甚至引发火患等安全事故:遇到UPS供电的负荷侧发生短路类故障,也会导致UPS损坏。事实上,即使UPS的附属设施始终都不出现常(很难)UPS内部热在线的半导体模块也会有在质保期后随时出现异常和损坏的风险。

4 结束语

UPS设备是石油化工企业连续安全生产的重要保障,传统的UPS虽然被广泛地应用,但其自身的结构特点也不可避免地带来了诸多安全及环境的影响。如何在保障电源供应的同时从本质上规避这些潜在的影响,对改良传统的UPS或者研发新型UPS设备提出了更高的要求。随着智能预判式UPS等新型电源设备的大量应用,如何优化配电网系统结构,提升电源设备的预判响应能力,保证在电网参数正常时,整流和逆变环节均处于空载待机状态,系统直接以电网侧电源作为输出,而当电网参数异常时,UPS供电系统智能判断后提前实施快速切换动作,无扰动切换为应急输出的技术路线。这种新型的节能,环保型UPS技术路线能从一定程度上解决传统UPS的潜在题相信随着国内科技水平的不断提高,在未来将会有越来越多的新型智能 UPS设备被研发出来进人市场,为石油化工行业电力资源利用率的有效提高贡献巨大的力量。

文章来源《石油化工自动化》


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