导读
随着船舶自动化程度的日益提高，不间断电源设备显得越来越重要，在船上的使用也是日益广泛 [1]。
以蓄电池组及其充电设备作电源的不间断电源系统，当主系统断电后，可以不间断地向重要设备提供高性能指标和高可靠性的电源 [2]，实现对通信设备、导航设备、航行管理设备、主干网络设备等的不间断供电，确保设备可靠运行和船舶安全航行。
本文介绍了一起全船失电时不间断电源装置无法为应急负载提供不间断电源的故障事例，以及故障的原理分析和排除过程，可作为类似故障分析的参考。
一、不间断电源供电系统组成
本船不间断电源供电系统，包括日用配电板、应急配电板、蓄电池充放电板、不间断电源装置分电箱、不间断电源装置等：
日用配电板、应急配电板，为不间断电源供电系统提供主交流电源，蓄电池充放电板，为不间断电源供电系统提供备用直流电源；不间断电源分配电箱，将交流电源分配至船上各不间断电源装置；不间断电源装置，为不间断电源转换执行方及应急负载的配电方。
图1 系统原理图
图1所示为不间断电源供电系统原理图：
正常情况下，来自日用配电板和应急配电板的 AC220 V 对不间断电源装置分电箱进行供电，分电箱再供给不间断电源装置的主电 AC220 V，由不间断电源装置输出到相应的负载；
在主发电机组故障或者应急发电机组故障时，应急蓄电池作为船舶的临时应急电源，通过DC220 V 蓄电池为充放电板临时应急充放电屏进行供电，充放电板为不间断电源装置提供备电 DC220 V，通过不间断电源装置功率模块进行逆变输出 AC220 V电源供给负载，实现为应急负载不间断供电。
1、不间断电源装置
不间断电源装置，主要由机柜柜体、功率模块、控制模块、显控模块、绝缘监测模块、配电组件等组成：
（1）功率模块
每台不间断电源装置中，含有 3 个功率模块，2+1冗余并联输出；功率模块间通过分散逻辑控制方式进行并联，并输出至三相逆变输出母线，具备并联均流功能，是不间断电源装置中最重要的组成部分。
功率模块的主功率输入有主电 AC220 V 和备电DC220 V 两路。
为实现模块化设计、输入谐波抑制、电气隔离、主电和备电间快速切换等功能，功率模块由整流单元、DC/DC1 单元、DC/DC2 单元、三相逆变单元等部分组成，其原理图见图2。
图2 不间断电源装置功率模块原理图
整流单元将输入的三相 AC220 V 电源整流变换为DC360 V，作为 DC/DC1 单元的直流输入。
整流单元作为功率模块的主控单元，接收DC/DC1单元和DC/DC2单元的反馈信息，控制功率模块内DC/DC1 单元和 DC/DC2 单元的启停，同时通过模块内部 CAN 接受三相逆变单元的故障及状态信息；
对外通过 CAN 总线发送模块输入输出参数和工作状态，并接收显控模块的控制信息；
DC/DC1 单元将整流单元输出的 DC360 V 隔离变换后得到 DC360 V 输出，通过外部 I/O 口向整流单元反馈自身状态并接收整流模块的控制信号；
三相逆变单元将 DC/DC1 单元或 DC/DC2 单元输出的 DC360 V 逆变成三相 AC220 V 输出，通过并联构成三相 AC220 输出母线，具备并联均流功能；
同时通过模块内部 CAN信号，将自身的状态信息传送至整流单元。
（2）控制模块
控制模块提供功率模块并联需要的锁相同步信号和动作同步信号，接收绝缘监测模块的无源触点信号，同时为电源装置中的显控模块等提供 24 V 辅助电源。
（3）显控模块
显控模块作为电源装置的人机界面，显示当前电源装置的状态及故障信息。
（4）绝缘监测模块
绝缘监测模块检测三相逆变输出对地的绝缘电阻，当某一相对地绝缘电阻低于 10 kΩ 时，通过一对无源触点信号上传至控制模块。
（5）转换开关
手动转换开关用于设备检修时给负载供电，其正常运行时旋至正常状态，需要检修时旋至检修状态。
不间断电源装置原理图，如图3所示。
图3 不间断电源装置原理图
2、充放电板
充放电板由日用充放电屏、无线电充放电屏、临时应急充放电屏 3屏构成，每屏设备内设有浮充电模块：
充放电屏其核心部分采用 PWM 高频开关电源作为充供电模块，电路采用三相 380 V 交流电压直接输入，经整流滤波成 500 V 左右的直流电压，送到高电压变换器，高电压变换器的低压输出再经整流滤波成直流输出，此直流输出电压经采样放大至脉宽控制电路，从而改变高电压变换器的脉冲占空比，使得输出电压保持稳定；
无线电充放电屏设有可编程控制器和触摸屏，用于检测和显示设备工况；
临时应急充放电屏采用单一制，单一制充放电单元采用在线式充电。
3、蓄电池
蓄电池作为船舶通信、信号系统、UPS、应急照明等备用电源，主要由极群组（主要由正极板、负极板、隔板、极柱组合而成）、电解液、电池槽和盖、安全阀等构成。
船用阀控式密封铅酸蓄电池为吸液式蓄电池，贫电液设计，电解液全部吸附在隔膜和极板中，电池中无游离电解液，电池充电时所产生的氧气可在电池内自行复合，因此在电池使用期间无酸雾和气体逸出，不污染环境，并能减少维护成本。
二、故障原因及处理措施
1、故障情况
某船在进行设备不间断供电测试时，当主电网及应急电网失电时，不间断电源装置 AC220 V 主电输入失电，不间断电源装置上显示由备电 DC220 V 输入供电，但功率模块无法启动，且无不间断电源输出，应急负载失电；
再次恢复日用配电板供电，不间断电源装置主电 AC220 V 上电，但功率模块也无法启动，不间断电源装置无电源输出，应急负载失电。
2、原因分析
不间断电源装置无法输出 DC220 V 电源，从不间断电源装置开始分析，可能是以下原因（见图4）。
图 4 故障树分析图
（1）电源装置故障
在正常供电情况下，主电源三相 AC220 V 经过功率模块内部的整流单元、DC/DC1 单元、逆变单元输出给负载供电，此时 DC/DC1 单元输出直流作为三相逆变单元的供电电压，逆变后输出 AC220 V 供给负载；
在主电源失电时，备电 DC220 V 经过 DC/DC2 单元进行升压，再经过三相逆变单元输出给负载供电，实现不间断供电。
为了判断不间断电源装置是否故障，对单台电源装置进行测试。
通过断开电源装置分电箱的单台电源装置的负载开关，电源装置主电 AC220 V 失电，充放电板输出 DC220 V 供电给电源装置，电源装置可以正常运行，则说明电源装置功率模块三相逆变单元、DC/DC2 升压单元、逆变时间无故障，可以排除不间断电源装置内部故障。
（2）电源装置输入备电 DC220 V 故障
单台不间断电源设备可以实现不间断电源输出，则电源设备内部工作正常，问题在于电源输入端备电DC220 V。
为了检验输入 DC220 V 是否有问题，采用示波器对输入备电 DC220V 进行观察。
再次断开日用配电开关，各设备主电失电，并用示波器对不间断电源装置输入电源 AC220 V、DC220 V 电压及电流进行监测发现：
在主电 AC220 V 失电时，DC220 V 电压下降至 50 V 左右，无法达到逆变模块的最低电压，不间断电源装置无电源输出，约 230 ms 后才恢复 DC220 V 供电；
主电 AC220 V 重新恢复供电时，约 4 s 后通道 2 的DC220 V 电压也下降至 126 V 左右。
由于不间断电源装置为缓启动，建立电压时间约为 10 s，导致电源装置主电未完成建压而备电出现电压下降，导致功率模块无法升压再逆变输出，1 s 后恢复为 DC220 V。
综上所示，可以判断不间断电源装置失电的主要原因，是备电 DC220 V 输入出现电压下降，导致无法逆变输出。
3、具体故障点分析
经过上面的试验分析，可以判断故障点在充放电板输出 DC220 V 异常。
图 5 充放电板原理图
从图 5 所示的充放电板原理图可知：
放电板由主电 AC380 V 和备电蓄电池 DC220V 供电。
正常由主电 AC380 V 供电时，经过整流为DC220 V 输出至供电回路，在主电 AC380 V 失电时常闭触点 3KM1-1 闭合，由蓄电池 DC220 V 直接供电。
（1）排除充放电板主电 AC380 V 整流变压至DC220 V 回路故障
在主电 AC380 V 正常供电时，供电回路输出正常，不间断电源装置运行正常，故可以排除此故障。
（2）排除蓄电池容量不足导致电压下降故障
断开充放电板的主电源 AC380 V，待设备稳定后再断开电源装置的主电源 AC220 V，电源装置可以正常供电,证明在没有主电AC380 V掉电过程的情况下，充放电板内由蓄电池到输出 DC220 V 回路没有问题，蓄电池容量也可以满足负载突加而不会导致电压下降，保证蓄电池供电稳定，排除蓄电池容量不足原因。
（3）判断蓄电池供电的备电 DC220 V 回路故障
在主电失电情况下，蓄电池供电回路无法输出供电电源，则故障在充放电板内的 AC380V 的断开过程中，对蓄电池 DC220 V 供电的控制回路产生了影响。
经过对充放电板进行内部排查，发现确实是充放电板的 3KM1线圈以及二极管故障，导致充电回路和供电回路中的联络常闭触点 3KM1-1 动作异常：
在主电失电时，3KM1-1 常闭触点未闭合，蓄电池直接通过二极管模块降压输出供电，二级管模块损坏导致输出电压下降；
在主电恢复时，AC380 V 整流输出直流未建压，而常闭触点 3KM1-1 也未断开，由蓄电池通过二极管降压供电，在主电建压后，由主电逐步恢复输出供电，出现了电压下降，然后逐步升压至 DC220 V 的故障现象。
维修更换后，充放电板 DC220 V 输出正常，当日用配电失电时，不间断电源装置可以实现不间断稳定供电。
三、结论
全船失电时，不间断电源设备不起作用，导致通信、导航、航行等设备的失电，可能导致撞船、搁浅等严重事故，后果不堪设想[3]。
因此，需要对不间断电源系统相关设备的各主要功能、各性能指标进行充分的试验验证，以保证设备工作的安全性和可靠性；
同时，船员也应该定期对系统相关设备进行定期检查和保养，掌握必要的维修技能，确保全船失电时不间断电源供电安全可靠。
通过此次故障分析和排除，对于系统性故障可以通过系统性原理分析，从故障发生点最近设备开始逐步逆推，列出故障树，采用排除法通过原理分析及试验逐一排除故障，并通过排除后确定的故障点进行细化分析，从而确定故障原因并排除故障，为后续类似故障提供故障分析方法和检验方法。
参考文献：
[1] 谢勇 . 不间断电源装置（UPS）在船上的应用 [J]. 船舶 .1996（05）42-44.
[2] 邓林 . 不间断电源装置（UPS）在船舶上的应用和发展 [J]. CNKI.1997(06): 16-19.
[3] 王必改.某轮全船失电故障的原因分析与排除[J].天津航海.2017（4）：38-42.
本文原创作者系：
中船黄埔文冲船舶有限公司
杜智慧，刘茂辉，张 峰，蔡云兴，谢曜聪
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