曹祖庭，查卫华
(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)
瑞士GUTOR电子有限公司成立于1946年，该公司的UPS、充电器等在中国的核工业设施中广泛应用。据不完全统计，在包括秦山核电、田湾核电、宁德核电、原子能院、清华大学高温气冷堆等24个单位拥有879套设备(截至2019年)。
GUTOR UPS虽然在容量上有所区别，但原理基本相同，以国内某核电常规岛UPS为例(型号为PEW 1080-220/230-EAN)，该UPS由市电进线开关(Q001)、市电隔离变压器(T001)、6脉冲整流模块(A030)、整流输出侧滤波组件—电感器(L001)电容器(CB002)、逆变模块(A032)、逆变输出滤波组件—交流电感(L002)电容(CB003)、逆变输出隔离变(T002)、旁路输入断路器(Q090)、旁路输入自动调压器(T090)、IGBT静态开关模块(A035/036)、三位置手动维护开关(Q050)、蓄电池进线断路器(Q004)、输出开关(Q100)和各种功能控制板组成，其系统单线图如图1所示。
图1 GUTOR UPS单线图Fig.1 The single diagram of the GUTOR UPS
按照工作原理，该系列UPS属于在线式UPS，其功能主要可分为以下4个工作模式[1]：
1)正常供电模式：正常情况下，380 V交流主电源经过隔离变压器(T001)、整流器(A030)、滤波电抗电容器(L001/CB02)、逆变器(A032)、滤波电抗器(L002)、输出隔离变压器(T002)、静态开关(A036)和输出切换开关Q090(处于AUTO位置)，最后送至下游负荷。
2)蓄电池供电模式：当主输入电源出现异常时，电流经过蓄电池、滤波电容(CB02)、逆变器(A032)、滤波电抗器(L002)、输出隔离变压器(T002)、静态开关(A036)和输出切换开关Q090(处于AUTO位置)，最后送至下游负荷。
3)旁路供电模式：当主输入380 V交流电以及蓄电池出现异常时，电流通过旁路调压变压器(T090)、旁路静态开关EN(A035)和输出切换开关Q090(处于AUTO位置)至下游负荷。
4)手动检修旁路供电模式：当UPS主机需要进行检修，但是负荷又不能失电的情况下，电流直接通过旁路调压变压器(T090)和输出切换开关Q090(处于BYPASS位置)送至下游负荷。
理论上上述4中供电模式能够确保所有意外工况下，负荷供电的连续性，但是近几年秦山核电、田湾核电等很多地方发生了多起由于UPS意外关机或者死机后，导致负荷失电的事件。
经过详细调查，GUTOR UPS从2012年至今发生了多起莫名失电的故障，下面介绍3起典型事件。
(1)失电事件1
2012年3月、6月、9月连续国内某核电3号机组LNQ001DL/LNR001DL/LNQ001DL接连系统关机，关机后UPS无法切换旁路导致负荷失电，其中3月与6月的这两次导致的机组的停机，反应堆停堆。
事件原因：该事件发生后，经过通过多方联合查找，最终确定导致这次系统关机的原因为UPS功能上未使用却长期配置的A075接口板改变了主控板A070控制地(GND)的接地方式(正常为RC高阻接地)，从而导致控制地与大地直接连通；
再叠加上强电回路的接地形式的不符合规范导致干扰容易通过传导耦合的方式进入设备，降低了设备的抗干扰能力。两方面共同作用下，外部干扰信号通过薄弱的A075接口板的接地点，进入了主控板中，拉低了主控板(A070)的5 V的工作电压，导致系统关机(试验证明5 V电压存在ms级的0.5 V的压降，就会导致关机)[2]。
(2)失电事件2
2018年5月，国内某核电4号机组40BRU62、40BSU43两台UPS设备接连故障停机。停机造成设备下游母线失电。UPS所带负荷均为涉及核安全的重要控制设备，母线失电会造成设备无法使用，影响机组安全运行。
事件原因：UPS的逻辑与控制的核心部件均在其主控板(A070)，2012年瑞士GUTOR将主控板进行过一次全部升级，用一块主逻辑板替代了原来的3块程序块。如图2所示，主逻辑板通过长插针固定于主控板上。经过分析，导致故障关机的根本的原因是可插拔部件与主控板之间的间歇性接触问题。
图2 主逻辑板的安装位置图Fig.2 The installation location drawing of the main logic board
除此之外，主控板PSU端输送到逻辑板的末端电压低于设定的+5 V也是失电事件的促成原因。设备控制逻辑中，当主控板电压低于4.76 V的，会触发主控板MPU复位，系统关机，从而导致负荷失电。
(3)失电事件3
2020年8月，国内某核电8LNF001DL逆变器负荷失电，面板显示异常，现场操作面板按钮，无任何反应，处于死机状态。
事件原因：经过各方分析，最终原因为由于逆变器所在房间通风系统异常导致房间温度较平时温度略高，逆变器内部热量无法及时排出导致主控板温度异常而出现死机的情况。
造成上述失电事件的原因各异，但是最后均影响到了主控板(A070)的正常工作，诱发主控板功能失效或者发出了错误的指令，最终导致关机或者死机，引起了负荷的失电。
GUTOR UPS的主控板(A070)是整个设备的核心部件，类似于一个神经中枢，它与各个功能板件均有接口，直接或者间接控制着UPS的运行状态。其与各个板件的关系图如图3所示。
从图3中可以看出，主控制板的主要功能是整流器控制、逆变器控制、监测电压，电流监测，温度监测、静态开关切换、告警、通讯、保护逻辑实施等。主控板的核心部件就是主逻辑板A701，静态开关的切换逻辑也在这块芯片中。
GUTOR主控板的设计将所有控制功能全部集成在一块板子上，无冗余逻辑，若主控板出现5 V控制电压波动(低于4.76 V)，或者其插针松动等小概率事件，就会导致主控板的失效、负荷失电。因此通过设计一个带独立电源的旁路逻辑板，在主控板失效的情况下，强制导通静态开关变的十分重要。
3.1 静态开关原理
静态开关是由自然换相的三组反向并联晶闸管组成，其导通需要通过高电平触发，其才能导通。其切换的原理如图4所示。
正常情况下，市电通过整流逆变后向负载供电，在运行过程中，逆变器输出电压与旁路电压保持同步，UPS若发生故障，比如逆变器故障、超温等，主控板发出高电平指令驱动旁路静态开关EN导通，发出低电平给静态开关EA，使其关闭，此时由旁路向负载供电。
3.2 FSBS(Forced Static Bypass Switch)强制静态旁路方案
既然主控板的失效导致了无法切换旁路，那么若新增一个独立的静态旁路逻辑模块IML(Independent Master Logic)，其主要逻辑为在主控板失效情况下，替代主控板的功能，强制导通静态旁路，这样就能保证负荷供电的连续性。该套方案主要能实现功能如表1所示。
图3 主控制板与各个板件的关系图Fig.3 The relation between main board and other board
图4 静态开关原理图Fig.4 The principle of the static switch
表1 强制静态旁路动作逻辑表Table 1 The action logic of FSBS
其中强制静态旁路激活的逻辑为：旁路电压在-50%到+15%的范围内，在监测到EA/EN均关断(如UPS 主控板故障、失电或“系统关机”)的情况下，激活静态旁路开关EN，使负荷供电连续。
逻辑上通过监测EA/EN是否闭合，而不采用判断输出电压是否存在来激活强制静态旁路的原因为，前者是一个直接量，能够直接获取，后者是一个间接量，是在EA/EN均未导通的情况，才会导致负荷失电，由于是交流电，准确判断失电由需要至少一个周波(20 ms)，因此采用监测EA/EN在切换速度上会比检测输出电压快很多，同时UPS技术规格书规定，切换时间小于5 ms，所以采用监测EA/EN是否闭合来判断更合适。
实现强制静态旁路的原理如图5所示，该方案的特点有：
1)独立逻辑模块IML采用独立的旁路电源，与主控板电源分开，避免主控板电源异常而引起该模块的功能异常，正常工况下该模块不起作用，但是可以通过绿色指示灯判断是否可用，通过其红色指示灯判断强制静态旁路是否被激活；
2)独立的逻辑模块能够采集旁路电压信号、输出电压信号，主控板的驱动EA/EN的信号，通过表1的逻辑表来输出额外的驱动信号，导通EN，避免负荷失电；
3)主控板驱动EN的信号与独立的逻辑模块驱动EN的信号并联后再输出到EN，实现原有静态旁路开关EN同时受主控板和独立逻辑模块控制，不需要增加额外的静态开关。
图5 FSBS原理图Fig.5 The schematic of FSBS
该强制静态旁路(FSBS)已经经过了实验验证，能够满足切换要求，以较小的改进，提高设备的可靠性。
GUTOR UPS在核工业应用广泛，但是都存在系统关机后无法切旁路的逻辑，因此FSBS强制静态旁路方案能够在小改动的情况下，能够大大提高GUTOR UPS的可靠性，实现在UPS系统关机后无法切旁路的缺陷，该方案也能够对其他品牌UPS的可靠性改进提供一个很好的思路。
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