海上油气田开发工程仪电讯系统设计指南第七章(ups)

第七章不间断电源（UPS）系统第一节不间断电源(UPS)概述第二节UPS的结构形式第三节UPS的设计要求和技术参数第四节新技术在UPS中的应用第五节UPS系统的设计第六节不同设计阶段对UPS系统设计的要求第一节不间断电源（UPS）系统作用一.概述不间断电源UPS（Uninterruptible Power Supply）是能为负载提供不间断电源和清洁电源的供电系统。

它是海上油气田供电系统的重要组成部分。

随着信息处理和计算机技术在海上油气田中的广泛应用，海上油气田上生产流程、原油处理系统和消防系统等的所有数据和信息都是由中央控制系统和消防系统来控制、处理、分析和储存，如果这些设备在运行的过程中突然停电的话，中央控制系统和消防系统存储的数据和信息就会丢失；更严重的是，正在生产的海上油气田会处于严重的失控状态，或发生重大的事故。

除此以外，海上油气田的电力系统内连接了各种不同性质的负载，其中一些较大的感性、容性、开关电源等负载不仅从电网中获得电能，反过来还会造成电网的供电电压的波形畸变或频率漂移。

另外，电力系统内的短路故障和大容量用电设备的起动，都可能会引起正常电网的异常波动，从而影响其它电气设备的正常工作。

UPS的另一个作用就是要给对供电品质要求高的负载提供高质量的正弦电压。

海上油气田中使用的UPS有三个供电回路，见图4-7-2-1，这三个回路都直接连接到应急配电系统的400V汇流排。

在主电源工作正常的时候，连接到应急配电盘上的UPS的电源由电力系统的主电源提供（通过各种母联开关的连接）。

如果主电源供电中断的话，UPS系统的输入电源由应急配电系统提供；如果应急配电系统也出现问题，供电中断的话，那么UPS 系统内的蓄电池组将向负载提供电源，蓄电池组的容量维持供电的时间不能少于30分钟。

为了保证UPS可靠供电，海上油气田上使用的UPS系统是由两套独立的UPS和一个旁通回路组成，两台独立的UPS采用的是并联冗余的方式运行。

UPS和旁通回路之间的切换是通过静态开关来实现的。

由于切换的时间很短，而且并联运行的两台UPS之间的电源始终保持锁相同步。

因此在交流主电源停电，或者任何一台UPS发生故障时，由UPS供电的负载仍能正常工作。

这个系统为负载连续，可靠地运行提供了强有利的保证。

UPS采用了微机控制的电子负反馈电路，UPS的输出电压稳定度高，可达±0.5%~±2%。

同时，还采用了石英晶体振荡来控制逆变器的频率，UPS输出端的频率稳定度可达±0.01%~±0.5%，电压失真度也较小（电压畸变小于1%，不存在潜波失真的问题）。

从而达到了为UPS 系统内的负载提供高品质的电能。

二.不间断电源（UPS）的供电范围海上油气田开发工程设施上，对供电电源质量要求较高，而且不能中断供电的负载是：1.中央控制系统；2.火灾探测及消防系统；3.海上油气田内部和外部通讯系统；4.广播系统；5.电力配电系统的断路器和开关装置的跳闸电源；6.一些重要机械设备的控制盘或工作站。

第二节UPS的结构形式一.UPS的结构一个合格的不间断电源（UPS）系统应具有连续，稳压、稳频、滤波和抗各种电力“污染”等功能。

UPS主要是由整流器、逆变器、静态开关和蓄电池组等组成。

整流器是将交流电源转换为直流的装置；而逆变器则相反，它是将直流转变为交流的装置；静态开关是UPS 系统内几路电源相互转换的开关装置；蓄电池组则是UPS系统内保证电源不间断的电能储存装置。

图4-7-2-1是海上油气田典型的UPS系统的单线图。

独立的整流充电器和逆变器回路）、一个旁通回路、蓄电池组、静态转换开关和配电盘组成。

如果一个整流/逆变回路发生故障或维修的话，另一个整流/逆变回路仍然能在电源不中断的情况下，向负载提供品质高的、连续电源。

如果两个整流/逆变回路都发生故障或维修的话，仍然能通过带有隔离变压器和电压调节器的旁通回路向负载提供较高品质的、连续电源。

二. 基本的工作原理一般情况下，UPS的两个整流器输入端的交流电源通常连接到应急配电盘。

考虑到供电系统的灵活性，一个整流器输入端的交流电源连接到应急配电系统，另一个整流器的输入电源可以连接到正常400V配电系统，因为规范和标准对海上油气田开发工程设施上使用的UPS 输入电源没有明确的规定。

UPS旁通回路的输入电源应连接到应急配电盘。

正常情况下，UPS 将来自主电源的交流电源经整流充电器转换为直流电，再由逆变器逆变为工频交流电供给负载。

整流充电器的输出与蓄电池并联连接。

UPS正常工作时，蓄电池处于浮冲状态，UPS系统的负载由UPS的主回路供电。

交流电源中断后，UPS系统的蓄电池组经逆变器向负载提供必要的电能。

三.UPS主要的组成部分和它们的功能1.整流充电器整流充电器的作用有两个：一个作用是将电力系统的交流三相电源转换为直流电，为逆变器提供能量；另一个作用是为蓄电池充电。

两路UPS的整流充电器的输出端与直流母排相连，两路UPS的电源共用一组蓄电池，蓄电池与直流充电器的直流母排相连接。

整流充电器性能的优劣直接影响UPS的输出指标。

整流充电器的种类大致分为以下两种：1）可控硅整流器可控硅整流器输出容量大，可靠性高，工作频率低，滤波器体积大，噪声大，适用于输入电压低、功率大的UPS。

2）二极管与绝缘栅双极晶体管（IGBT）组合型整流器二极管与IGBT组合型整流器的工作频率高（20kHz），具有功率因数校正功能，滤波器体积小、噪声低和可靠性高，适用于中小功率的UPS。

2.逆变器逆变器的作用是：将整流后的直流电能或蓄电池的直流电能转换为电压和频率都比较稳定的交流电能，其性能的优劣直接影响UPS的输出性能指标。

IGBT逆变器工作频率高（20Hz）、滤波器体积小、噪音低、可靠性高。

3.隔离变压器旁通回路隔离变压器的作用是：●将380V的交流三相电源转换成230V或115V的单相交流电源；●消除和隔离交流输入电源的多次谐波，降低交流输入电压的波形畸变度。

4.稳压器旁通回路稳压器的作用是：调节并稳定输出电压。

5.旁路开关旁路开关是UPS系统的重要组成部分，在以下两种情况下UPS处于旁路状态：1）当负载超载、短路（实际上可以看成是一种严重的超载）或者逆变器故障时，为了保证不中断对负载的供电，旁路开关动作，由主电源通过隔离变压器和稳压电源向负载供电。

2）维修或测试时，为了安全操作，将维修旁路开关闭合，由主电源通过隔离变压器和稳压电源向负载供电，将UPS隔离。

这种切换可保证在UPS检修或测试时对负载供电。

旁路开关的主要作用是为提高UPS系统工作的可靠性而设置的，能承受负载的瞬时过载或短路电流。

由于UPS的逆变器采用的是电子器件，如：IGBT管的过载能力仅为125%。

当UPS供电系统出现过载或短路故障时，UPS将自动切换到旁路，以保护UPS的逆变器不会因过载而损坏。

UPS供电系统转入旁路供电后，电力系统的交流三相电源通过隔离变压器和稳压电源直接供给负载的，因海上油气田上电力系统的容量大可提供足够的时间使过载或短路回路的断路器跳闸，待系统切除过载或短路回路后，旁路开关将自动转换回来，由UPS继续向其他负载供电。

旁路开关可分为以下几种。

1）静态旁路开关静态旁路开关为无触点开关，由晶闸管开关器件构成。

所谓电子式静态转换开关，是将一对反向关联的快速晶闸管连接起来，作为UPS在执行由电力系统主电源旁路供电至逆变器供电切换操作时的元件。

由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，因此，依靠这种先进技术，可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。

正常工作时，只有逆变器供电通道或交流旁路电源通道中的一路电源向负载供电。

当UPS需要执行由交流电源供电至逆变器供电切换操作时，会出现短暂的（约几毫秒至几十毫秒）两路交流电源在时间上重叠向负载供电的情况。

静态开关可以将转换时间缩短到1ms以下，甚至100μs以内，但损耗较大。

2）动态旁路开关动态旁路开关为有触点开关，由接触器和断路器构成，靠机械动作完成转换，动态开关转过程会有几十毫秒的供电中断，故不能应用于重要的负载场合，现代的UPS已很少采用。

4．蓄电池当主电源正常时，UPS的整流充电器为蓄电池充电，将电能转换为化学能。

主电源中断后，蓄电池将电能再转换为电能，为逆变器和重要负载提供必要的能量。

由此可见，蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度，然而蓄电池却又是整个UPS系统中平均无故障时间（MTBF）最短的一种器件。

蓄电池的种类一般可分为：开放型液体铅酸电池、免维护铅酸电池及镍镉电池等。

1）开放型液体铅酸电池开放型液体铅酸电池按使用寿命可分为：8~10年、15~20年寿命两种。

由于这种蓄电池中的硫酸电解会产生腐蚀性气体，这类蓄电池必须安装在通风，并远离精密电子设备的房间内，而且房间内应铺设防腐蚀瓷砖。

由于蒸发的原因，开放型液体铅酸电池需定期测量比重、加酸加水。

此类蓄电池可忍受高温、高压和深放电。

安装蓄电池的房间应禁烟，并用开发型蓄电池架。

此类蓄电池充电后，不能运输，因而必须在现场安装后充电，初充电一般需要55~90小时。

正常时每节蓄电池的电压为2V，初充电电压为2.6~2.7V。

2）免维护铅酸电池免维护铅酸电池在结构和材料上作了重要改进。

此种蓄电池具有体积小、重量轻，维护少、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀和污染等优良特性。

与传统的开放型液体铅酸电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优点。

(1) 使用方便。

免维护铅酸电池只需要严格控制整流器的充电电压，根据浮充使用和循环使用的不同要求，采用规定的电压进行恒压充电，无需值班人员过多关注蓄电池组的充电过程，不需要添加蒸流水，也不必经常检测电解液的比重及温度，只需定期检测蓄电池端电压和放电容量。

(2) 安装简便。

免维护铅酸电池已进行过充放电处理，为荷电出厂，所以用户在安装和使用时，无需再进行繁琐的初充电过程。

如果放置时间超过6个月，可按生产厂家规定进行补充电，充足电后，再进行一次容量试验性放电检查，以判断蓄电池容量是否符合标准要求，以及质量是否稳定，可靠。

(3) 安全可靠。

免维护铅酸电池采用密封结构，可竖放或卧放使用，无酸雾，无有毒、有害气体溢出。

由于蓄电池采用恒压充电制，蓄电池内部实现氧循环过程，水损失很少，即使偶尔过充，少量的气体可通过安全阀向外排出，蓄电池壳不致压力过大而爆裂。

免维护铅酸电池尽管有许多上述提到的优点，但在进行设备选型时，还有一些需要考虑和遵循的原则，它们是：(1) 免维护铅酸电池可允许运行在150C~300C的温度范围内，但在50C~350C之内使用可延长蓄电池的寿命，在200C~250C范围内使用将获得最高寿命。

蓄电池在低温下运行时将获得长寿命，但容量较低，在-150C以下使用时蓄电池化学成分将发生变化而不能充电。