某高含硫天然氣凈化廠（以下簡稱“凈化廠”）是一家主要從事天然氣凈化（含硫磺加工）的化工企業(yè)，凈化之后的天然氣通過龐大的西氣東輸管道網(wǎng)絡，輸送到國內(nèi)能源需求旺盛的中東部地區(qū)。天然氣凈化是一個不間斷的生產(chǎn)過程，其關鍵負載在日常運行中對電力連續(xù)性的要求極高[1]，斷電可能引發(fā)數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)崩潰甚至硬件損壞等問題，從而對生產(chǎn)工作帶來嚴重影響[2]。所以，亟需對增強UPS電源的運行控制靈活性，提高運維效率，實現(xiàn)故障的便捷診斷與快速恢復等方面展開研究。本文以該凈化廠為例，分析UPS電源運行不穩(wěn)定原因，然后進一步對UPS電源故障處置方法和如何提高UPS電源運維效率進行探討。1、UPS電源基本概況1.1

UPS電源的作用不間斷電源（UninterruptedPowerSupply，UPS）內(nèi)部配置足夠容量的固定型蓄電池組，當市電輸入正常時，它能穩(wěn)定電壓并同時為內(nèi)部電池充電[3]；當市電出現(xiàn)中斷或異常（電壓浪涌、瞬態(tài)尖峰、諧波干擾、頻率漂移等）時，UPS電源會立即通過逆變器將內(nèi)部電池儲存的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，主要為電力系統(tǒng)及儀表系統(tǒng)聯(lián)動預警裝置、關鍵設備和儀器等重要設備提供連續(xù)、無間斷且穩(wěn)定的電源，從而避免因電力問題導致的數(shù)據(jù)丟失、硬件損壞和業(yè)務中斷。所以，UPS系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和運行效能直接影響到企業(yè)安全生產(chǎn)的平穩(wěn)進行。1.2

UPS維護要點及溫度對蓄電池壽命的影響UPS設備應保持穩(wěn)定，避免劇烈震動和沖擊，并遠離導電性、爆炸性塵埃，明顯腐蝕性氣體以及熱源，且UPS室應保持清潔，尤其是UPS設備的表面、散熱風口、風扇及風道[4]。為減少因UPS設備失效而導致UPS系統(tǒng)出現(xiàn)故障的情況發(fā)生，在UPS設備的日常使用維護中，應對其進行定期檢查，如監(jiān)測UPS輸入/輸出參數(shù)和電性能指標，觀察蓄電池外觀有無鼓脹漏液，注意其工作溫度和通風散熱情況等。根據(jù)維護計劃，定期進行蓄電池放電活化操作，一般每6個月至1年進行一次放電操作，以便評估蓄電池狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并更換性能衰退的蓄電池單元。1.3

導致UPS電源運行不穩(wěn)定的原因分析UPS電源主要組件包括整流器、逆變器、靜態(tài)開關和控制單元等，主要由電力電子器件構成。與一般的電氣器件相比，可控硅、晶體管、大規(guī)模集成電路、IGBT等電力電子器件的壽命較短，因此造成UPS電源故障的概率相對較高，超過一般的電氣設備。1）輸入電源質(zhì)量問題及其影響。輸入電源質(zhì)量是影響UPS穩(wěn)定性的首要因素。現(xiàn)代電網(wǎng)中的電壓波動、頻率漂移、諧波污染和瞬態(tài)脈沖等現(xiàn)象，對UPS的正常工作構成嚴重挑戰(zhàn)。電壓波動可能導致UPS頻繁切換至旁路或電池模式，不僅增加了電池的負擔，還可能引起電壓輸出不穩(wěn)定。諧波電流會增加UPS逆變器的損耗，降低效率，嚴重時還會導致設備過熱或保護裝置誤動作。此外，雷電沖擊或電壓突變等瞬態(tài)事件，雖然發(fā)生概率較低，但一旦發(fā)生，若防護措施不足，將直接損害UPS內(nèi)部敏感元件。2）溫度對UPS電解電容的影響。高溫是導致絕緣老化的直接原因，隨著絕緣材料溫度升高，其氧化速率也會加快，從而加速了絕緣老化過程。UPS的蓄電池在運行溫度20～25℃條件下浮充壽命為10年，根據(jù)阿侖尼烏斯理論，蓄電池運行溫度越高，壽命越短。當運行溫度超過25℃時，每增加10℃，密封閥控鉛酸蓄電池的實際使用壽命將縮短約一半。電解電容的故障可能會導致UPS系統(tǒng)不穩(wěn)定，同時還存在諸如漏液、絕緣擊穿甚至爆炸等安全隱患。因此，在其使用壽命到期之前，必須對整個電解電容進行更換。3）浮充電壓過高對UPS蓄電池的影響。UPS新的蓄電池投用一般要經(jīng)過初充電、放電、再充電、浮充電和并入使用等環(huán)節(jié)，當蓄電池經(jīng)過一段時間的使用后，會產(chǎn)生一系列問題，如蓄電池內(nèi)部浮充電壓過高，會使電池內(nèi)氣體排放的速度加快，導致電池干涸[5]；由于電池缺水，會導致電池容量極速下降。2、凈化廠UPS電源運行狀況凈化廠自成立至今近10年，其UPS電源設計使用壽命為10年，現(xiàn)已投用9年，UPS電源接近其使用壽命。如今蓄電池老化情況逐步嚴重，近幾年更換已損壞和容量不足的蓄電池數(shù)量逐步上升。2.1

無法對UPS實現(xiàn)運行狀態(tài)實時監(jiān)測凈化廠的UPS設備安裝在10kV變電所和儀表機柜間，這些區(qū)域分布廣泛且無人值守。隨著設備長時間運行，配件部分如電容器板件老化速度較快，蓄電池容量會減小，但運維人員無法實時了解UPS運行狀態(tài)和參數(shù)的變化，一旦發(fā)生故障，只有通過運維工作人員每天一次的巡檢才能發(fā)現(xiàn)，然后再進行處置。2023年共發(fā)生9次UPS故障，各次故障從發(fā)生至處理完畢的時長如圖1所示，經(jīng)計算，平均恢復正常運行的時長高達10.1h。故障情況常常因為滯后性問題不能及時發(fā)現(xiàn)，因此無法滿足快速處理故障的需求，致使為變電所五防、通信，儀表機柜間DCS等系統(tǒng)供電的可靠性不足，繼而因UPS供電不穩(wěn)定還增加了電力系統(tǒng)誤動作以及儀表系統(tǒng)聯(lián)鎖停機停泵的可能性。2.2

UPS不能時刻為負載提供電力保障當UPS需要更換靜態(tài)開關、整體固件升級時，在執(zhí)行更換、升級操作和維修的過程中[6]，UPS將暫時無法履行其核心功能，即無法為依賴穩(wěn)定電力供應的關鍵負載提供不間斷的電力保障。此外，因輸出濾波板介于輸出開關QF5、儀表柜QF6開關之間，當輸出濾波板故障時，必須將UPS完全停機才能對其進行更換。UPS原理如圖2所示。3、UPS電源改造方法3.1

增加脫機維修旁路在UPS的儀表柜QF6開關后方增加一個QF7開關，然后從旁路柜的備用開關QF3處連接一根電纜至儀表柜QF7開關處，如圖3所示。此時，當UPS因更換輸出濾波板、更換靜態(tài)開關等必須將UPS設備完全退出、停機時，可實現(xiàn)UPS在線脫機檢修。通過增加脫機維修旁路的措施，可滿足為變電所五防、通信，儀表機柜間DCS系統(tǒng)等關鍵負載連續(xù)供電的要求。3.2

增加蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)傳統(tǒng)的蓄電池端電壓測量方法是在蓄電池浮充狀態(tài)下使用電壓表來測量各個蓄電池的端電壓。對于開口式鉛酸蓄電池，還需要測量其液體比重。然而，在浮充狀態(tài)下，端電壓實際上只是化學勢，無法準確反映出容量已極度縮小的蓄電池的當前狀況。因此，僅通過在浮充狀態(tài)下測量蓄電池端電壓來判斷其好壞并不可行。蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)由收斂模塊（監(jiān)控主機）、TA模塊（單電池檢測模塊）、TC模塊（電流檢測模塊）以及相應安裝附件組成。收斂模塊配備LCD顯示，并通過RS485接口或網(wǎng)絡端口上傳數(shù)據(jù)。蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)通過設置端口號、IP等，并在機柜內(nèi)的網(wǎng)口進行映射，同時利用后臺軟件完成配置和調(diào)試工作，從而實現(xiàn)通過檢測模塊收集蓄電池單體的電壓、電流等信息，收集到的信息通過收斂模塊的COM5或LAN上傳接口，采用MODBUS/TCP通信協(xié)議及RS-485（兩線制）通信模式的有線通信技術，與配電自動化主站進行數(shù)據(jù)交換。該系統(tǒng)接入電力調(diào)度中心的SCADA系統(tǒng)，使得計算機能夠通過網(wǎng)絡或串口與蓄電池監(jiān)測設備連接，獲取包括單體電池電壓、內(nèi)阻、溫度以及總電壓、充放電電流、環(huán)境溫度在內(nèi)的數(shù)據(jù)，如圖4所示。同時，它還能實現(xiàn)對蓄電池單體故障進行報警并定位的功能。4、UPS電源改造效果上述措施的實施，顯著提高了凈化廠UPS供電可靠性，具體改造效果如下：1）實現(xiàn)了全天候?qū)崟r監(jiān)測UPS電池狀態(tài)，有助于提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，同時實現(xiàn)了設備的預防性維護，減少了意外停機時間和維修成本。2）實現(xiàn)了故障報警，在電池數(shù)據(jù)異常時能自動觸發(fā)聲光報警，方便值班人員及時判斷并采取應急措施。2024年，凈化廠UPS電源共發(fā)生4次故障，單次故障的平均處理時長從10.1h縮短至1.7h，如圖5所示，極大地減少了故障次數(shù)和處理時長。3）在更換靜態(tài)開關、輸出濾波板此類配件時，UPS不再需要停機處置，顯著提升了變電所五防、通信及儀表機柜間DCS等關鍵系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性。