UPS 不斷電系統保養

技術提升經驗分享台塑公司

一、前言

1. 不斷電系統 (UPS；UninterruptiblePowerSupply)為提供化工廠重要製程設備 (例如：緊急遮斷閥、DCS、PLC系統等 )穩定電源，使其不受市電斷電或電力品質不良影響，故採用 UPS做為穩定供電的來源。

2. 依據國際及國內標準執行 UPS保養工作，內容包含請購、工程、操作及保養等，減少因系統規劃不當、操作

錯誤及保養不良導致 UPS異常，造成生產損失及工安環保事故。

3. 年前某廠 UPS系統因交流 (AC)電容器介電材料絕緣劣化，引發短路電流，電容器高溫爆裂，致電容器組相間

短路悶燒，造成DCS(分散式電腦控制系統 )電源中斷，製程停車。

4.電容器異常案例 :A. UPS輸出吸收突波用電容器燒毀，高溫電解液流出燒毀電路板異常情形 (如圖一 )。

B. UPS系統內部電容器燒毀、電源供應 PCB板、連接通訊界面板和輸出入電壓電流間排線燒毀 (如圖二 )。

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5.針對 UPS保養技術與改善經驗提供整理分享供同仁參考。

二、電容器發生異常原因探討

鋁質電解電容器介電材料劣化徵兆損壞機制 :解析 -1:

解析 -2:

解析 -3:

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A.正負極相互接觸而發生短路，電流瞬間上升：機器長年使用老舊、或惡劣環境下 (如 :高溫 )使用，其材料可能會有剝落劣化情形，當絕緣層劣化，正負極就可

能發生接觸。

B.電流急速上升而產生巨大熱量就會引起元件的燒毀，導致起火燃燒。

C.流過元件的電流所產生的熱量 (H)與電流 (I)的平方、電阻 (R)以及通電時間 (t)成正比，則稱之為焦耳定律，可表為 H＝ kI2Rt(k：比例常數 )。

三、保養技術引進 : 電容器剩餘壽命評估

1.AC電容器壽命評估運算機制 -1:A. 依據 IEEE期刊：OnlineMonitoringMethodandElectricalPar

ameterAgeingLawsofAluminiumElectrolyticCapacitorsUsedinUPS(2009年 9月 )

B.壽命評估運算所需之參數：a.等效串聯電阻 (ESR：EquivalentSeriesResistance)b.電容值 (C：Capacitance)

C.各別運算 ESR及電容值 C之剩餘壽命後，兩者比較取其最小值即為該電容器之剩餘壽命，公式如下：

T-failure(C)=Min(T-failure(ESR),T-failure(C))D.剩餘壽命評估極限值 (趨勢圖描繪 )：

a. 定期量測 ESR值與出廠數據比較，ESR極限值(Ω)=2倍出廠初始值

b. 定期量測 C值與出廠數據比較，C極限值 (uF)=0.8倍出廠初始值

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2. AC電容器壽命評估運算機制 -2:趨勢管理 :定期量測 ESR與出廠數據比較，ESR極限值(Ω)=2倍初始值

趨勢管理 :定期量測電容值 C與出廠數據比較，C極限值 (uF)=0.8倍初始值

3.更換電容器基準：若電容值壽命極限 =初始值 X0.8倍或 ESR壽命極限 =初始值 X2倍時，立即更新。

4.電容器量測儀器 LCRMETER:尺寸：320X115X350mm 重量：約 5.4KG量測項目：電容值 (C)、等效串聯電阻 (ESR)、損失率 (D)

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AC電容器實際量測範例 (以 ChromaLCRMETER測試 ):

A.電容值 (C)及損失率 (D)量測 (以 100/120Hz正弦波量測 )

B.等效串聯電阻 ESR(R)量測 (以 100KHz正弦波量測 )

四、與製造商技術研討

1.濾波電容器改善項目A.防漏液隔離 (如台達電 )

a. AC電容器放置在隔離鐵盒內，若絕緣油外溢亦可完全隔離，如右圖。

b. DC電容器加裝防漏液盒，電解液外溢時可以 100%承接不會外流，如下圖。

c.上述改善為 100年後出廠之 UPS系統。d.非本質安全設計。

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B.電容器自我保護裝置 (台達電 -本質安全設計 )98年 3月後出廠之 AC電容器內含安全保護裝置 (保安座 )，電容異常時，保安裝置會先脫離以隔離故障的電容器 (自動彈開裝置 )。

C.電容器自我保護裝置 (SOCOMEC-本質安全設計 )a.內部保險絲保護b.內部設計一個承受過壓的安全空間c.新型電容器於 101年已使用於新的 UPSDELPHYS系列產品

D. AC/DC濾波電容器更換週期UPS主機零件更新週期依設備規範執行外，若廠商有建議更新週期則以廠商建議週期為準。

E. 安裝 AC濾波電容器電流偵測裝置 (如台達電 )AC 電 容 器 外 加 即 時 電 流 偵 測 系 統 ( 比 流 器CTsensor&CurrentMeter)

▲AC電容鐵盒

▲DC電容器防漏液盒

▲防漏液盒組裝後

▲防漏液盒與電容器組合

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2.主機盤提供檢查視窗UPS新購主機盤增設視窗以利目視檢查外觀、漏液現象及紅外線熱影像檢測。

3.主機盤內發熱元件應與電容器隔離UPS新購主機盤時需規劃發熱元件與電容器隔離，避免發熱元件溫度影響電容器使用壽命 (如台達電80KVANTUPS)

4.電容器電容值與 ESR值量測歲修定期保養時增加電容器電容值與 ESR值量測，觀察量測值變化趨勢，做為更換電容器之判斷依據。

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5.線上 (ON-LINE)偵測系統改善 (安裝於重要機台 )A.極早期火災預警系統

B.貼片式 PT100溫度感測器 (早期徵兆檢測設計 )

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五、目前UPS 主機及監視系統改善案例經驗分享

1.UPS盤內及電容器貼片式溫度感測器安裝

2.個別電容器量測 (LCRMETER)量測項目：電容值 (C)、等效串聯電阻 (ESR)、損失率 (D)

溫度指示於無紙化記錄器畫面

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3.電容器巡檢視窗設置

4.極早期火災預警系統安裝

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六、新版不斷電系統設備規範修訂說明

規範組 102年 02月 04日制定之「不斷電系統設備規範」，最新版本於 103/01/02公佈全企業，針對新主機設備規範、預防保養、定期保養規範修訂，摘要說明如下：

1.新主機設備規範修訂項目

項次 修訂項目 最新版本UPS 設備規範修訂後內容(103/01/02 公佈 )

1 UPS規劃設計時應注意事項 雙重化UPS主機建議不同系統間要有適當的距離隔開

2 UPS 選用及請購 安裝 AC濾波電容器電流偵測裝置，量測各相電容器電流值 ( 依廠商建議設定警報值 )

3 UPS 選用及請購 UPS 主機內電容器異常洩漏時，有發生火災之虞可安裝「極早期火災預警系統」

4 安裝前檢查注意事項電氣室地板、牆壁及天花板應採用防火材料，UPS 設備周圍之隔間牆應有一小時防火時效，並於電氣室內設置滅火器 ( 建議電氣室安裝 CCTV 監視系統 )

5 安裝前檢查注意事項 盤內電纜線進出之開口處必須有防火阻隔

6 主機請購規範 :品質標準

DC濾波電容器：1. 需有防漏液功能。2. 負載 100%時至少需有 4年使用壽命。3. 提供組裝時量測之電容值與 ESR 值。4. 提供檢驗報告 ( 依 IEC61071 標準及品質保證書。5. 主機盤提供檢查視窗，供目視檢查及紅外線熱影像量測等。

7 主機請購規範：品質標準

AC濾波電容器：1. 需有防漏液功能。2. 負載 100%時至少需有 4年使用壽命。3. 自我保護裝置。4. 主機盤內發熱元件應與電容器隔離。5. 提供組裝時量測之電容值與 ESR 值。6.提供檢驗報告 (依 IEC61071標準 )及品質保證書。7. 主機盤提供檢查視窗等。

8 主機請購規範：靜態切換開關 (STS) 品質標準：變流器切換至旁路的時間＜ 2ms

9 主機請購規範：輔助電源

品質標準：□輔助電源之電源模組板雙重化 ( 附異常警報輸出 )

10 主機請購規範：其他

品質標準：□極早期火災預警系統：1. 警報靈敏度設定範圍：0.005%~20%obs/m。2. 分四階段警報等級。3. 警報輸出接點及通信功能。

11 主機請購規範 :驗收資料

品質標準：中英文規格說明書及操作手冊三份 ( 含 DC、AC濾波電容器規格書電容器規格書 )

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2.預防保養規範修訂項目

項次 修訂項目 最新版本UPS 設備規範修訂後內容(103/01/02 公佈 )

1 預防保養 可依廠商建議或設備實際需要增加預防保養項目

2 預知保養 鉛酸電池應每半年使用內阻計量測單顆電池之內阻值或使用電導計量測單顆電池之電導值

3 預防保養檢查記錄表：電池室工作環境檢查

保養基準：溫度≦ 25° C、不結露、無積塵及水滴、排風機運轉正常

4 預防保養基準：盤內空間溫度檢查

保養基準：( 有安裝盤內空間溫度顯示及警報者 ) 依廠商建議之管制溫度為準

5 預防保養基準：電容器外觀檢查

保養基準：( 有安裝檢查視窗者 ) 電容器外觀無變形、漏液

3.定期保養規範修訂項目

項次 修訂項目 最新版本UPS 設備規範修訂後內容(103/01/02 公佈 )

1 定期保養 可依廠商建議或設備實際需要增加定期保養項目

2 定期保養

併聯模式、雙單機以 ASTS 切換模式及熱機備援之備用機，除了濾波電容器 (DC 與 AC) 外，其餘零組件只要進行定期保養，可延長更換週期；各公司考量製程重要性另訂有更換週期者，則依各公司標準辦理 ( 但不可低於本規範標準 )

3 生產操作須知 操作人員UPS 異常緊急應變措施演練

4 定期保養

電容器電容值與 ESR 值量測：定期保養時，使用直讀式量測儀器 LCRMeter( 電感 . 電容 . 電阻量測器 ) 量測電容器之電容值與 ESR 值 ( 等效串聯電阻 ) 並做成記錄，觀察變化趨勢，依廠商建議之管制值為基準更換新品

5 交流電源輸出 新電容器組裝時量測電容值與 ESR 值，使用前二年不需要量測電容值，至第三年起定檢開始個別量測電容值

6 交流電源輸出 安裝 AC濾波電容器電流偵測裝置者，定檢時不需要個別量測電容值

7 定期保養執行記錄表：AC/DC電容器檢查 量測並記錄 ( 電容基準值、ESR 基準值 )

8 定期保養基準：紅外線熱影像量測

保養基準：無異常高溫、電容器外殼無異常高溫 ( 有安裝檢查視窗者 ) 保養週期：建議每季實施

9定期保養基準：個別電容器量測電容值 (C) 及等效串聯電阻值 (ESR)

保養基準：依廠商建議之管制值為基準

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電容器異常狀況：1.溫度高2.變形或漏液3.電容值不足4. 串聯等效電阻值高

處理對策：更換電容器

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七、總結：

1. UPS主機盤保護層設計架構，供參考：A. 第一層保護：電容器獨立空間設計 (本質安全 )B. 第二層保護：電容器自我保護裝置 (本質安全 )

(如：保安座、內部保險絲、釋壓空間設計 )C. 第三層保護：電容器貼片式溫度感測器安裝監視 (ON-

LINE)D. 第四層保護：主機盤內溫度檢測與監視 (ON-LINE)E. 第五層保護：藍光極早期火警預警系統監視

2.改善分享 :A. 電容器自我保護裝置：安裝內部保險絲、自動彈開隔離保安座及釋壓空間。

B. 電容器巡檢視窗設置，便於保養人員平日巡檢時檢查電容器是否變形、漏液及紅外線熱影像量測。

C. UPS系統相關設備獨立空間設置，以降低風險：不可將多台 UPS主機安裝於同一空間，以避免發生火警事故時互相影響波及，以降低風險。

D. 線上 (ON-LINE)偵測系統改善 :a. 極早期火災預警系統 (安裝於重要機台 )：利用高功率藍光為探測技術，可對火災醞釀階段時

產生微小煙霧顆粒發生預警訊號，預警時間最多可

提前 30分鐘至數小時之久可達到極早期預警之效果。

b. 貼片式 PT100溫度感測器：主機盤體及 AC電容器外殼表面，增設貼片式PT100溫度感測器，可即時監視主機盤及個別電容器溫度，並連線至無紙化記錄器作趨勢管理及警報

功能。46