機台不斷電系統主動防禦強化

前言

各廠每年投注大量人力與費用在進行不斷電系統( Uninterrupted Power System, UPS)保養，保養內容不外乎清潔、校正、相關訊號量測、電池容量測試等，但UPS本身係由數百甚至數千個電力電子元件所組成，現行的保養內容僅能由功能性著手，無法逐一檢視各元件是否異常衰老，導致實際運轉時，仍有許多故障不時發生，輕則更換板件後復機，重則生產中斷，造成公司損失。現行之UPS採定期式保養(Time base maintenance, TBM)模式進行保養，但電力元件除了因環境溫度/負載大小正常劣化外，面對電力系統上各種開關突波、電力諧波及短路故障等因素，其劣化的速度難以掌控，亦可能保養週期剛過就因為系統條件變化使元件快速失效，因此除了原先之TBM模式外，若能採用更多的狀態監視性維護（Condition based maintenance, CBM）模式，對其內部元件進行更多的狀態監測，早期發現異常並安排檢修，將有效降低突發故障造成的生產損失及人力物料。

本文提出兩項UPS主動防禦之作法：針對UPS常見的電解電容漏液，與台達電合作修改承漏盤設計，並加入漏液偵測電路，避免電解液洩漏造成電路板元件炸損、利用UPS現有之Ipk CT，研發UPS輸出元件故障早期偵測機制，透過兩組Inverter輸出電流不平衡率，早期發現如輸出變壓器/Inverter之異常。透過上述主動防禦方法，提高UPS供電的穩定度。

文獻探討

鋁質電解電容之組成與原理

鋁質電解電容係由盤繞結構製成，其陽極為鋁薄膜，介電質為陽極上的氧化鋁，陰極則由電解紙、電解液及陰極鋁箔構成，其靜電容量如同平行板電容器，如式(1)

其中ε表示電介質的介電常數、A表示極板表面積、d表示電介質的厚度。由(1)式可知，欲增大靜電容量，電介質的厚度要薄，介電常數和極板面積要大，其可透過腐蝕鋁薄膜表面產生海綿狀孔隙，以增加有效表面積達80~100倍，因此能比其他電容器獲得更大的電容量。

而其電介質係由高純度鋁薄膜進行氧化，於鋁薄膜表面上形成鋁氧化膜(三氧化二鋁)作為其電介質，其生成反應式如式(2)^[1]

陽極氧化鋁膜與陰極間夾入電解紙後捲繞，讓氧化鋁膜與電解紙共同作為介電質，再將其浸泡於電解液實現電氣連接，完成實際具有大容量的電容器。

然而，由於其具有靜電容量大，耐壓高、價格便宜之優點，因此大量使用於交換式電源（Switching Mode Power Supply, SMPS）中，廠內UPS使用了大量的鋁質電解電容，在穩壓及儲能方面扮演著不可或缺的腳色，但電解電容是SMPS中故障率最高的元件之一，其劣化失效將直接影響UPS性能甚至影響供電，如何有效診斷電容器狀態成為各廠最重要的一項課題。

鋁質電解電容故障分析

電解電容會因施加過電壓、過大的漣波電流、頻繁充放電、溫度等因素導致故障失效， 圖1呈現了常見的電解電容器故障模式及成因，藉由故障模式的呈現，我們發現可用來進行電容器性能判斷的參數有電容值、等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance, ESR )、電容量、漏電流 (Leakage Current, LC)等，目前線上的鋁質電解電容監測僅有溫度開關，而實際上溫度的反應在電容器異常態樣中是最慢的，且由於UPS開關操作在5kHz以上，使漣波電壓(正比於ESR)、電容值及漏電流不易實現於在線監測中，目前僅有年保時施作ESR及電容值量測，且ESR量測並未導入於各廠。

細部探討電容器失效模式，可了解電解液扮演著舉足輕重的腳色，電解液的功能在於和鋁薄膜孔隙的有效接觸，增大有效表面積，提升電容量的效果。而電解液的蒸發、漏液等異常亦會反映在ESR及電容值，然而，我們在UPS年保時，發現NT UPS使用的電解電容多顆發生嚴重漏液，電解液甚至溢出原有承漏盤，流至下方IGBT模組，與IGBT僅有數公分之距離，若非年保發現，後果將不堪設想，且UPS本體無任何告警。將其拆下進行量測，發現其電容值相較正常電容幾無差異，關於電解液的流失與ESR、電容值的關係可參考 圖2，當電解液持續流失時，ESR的反應會優先於電容值，但以此次案例而言(漏液約莫10C.C.)，其增加的ESR並不足以導致溫度上升至溫度開關動作，而容值亦無法顯現出差異，且NT UPS現行的承漏盤設計，無法承接該洩漏量，若其溢出至IGBT模組導致短路故障，將嚴重影響生產。

逆變器並聯的均流探討

高科技廠房對電力品質的要求越來越高，所需使用的高可靠度不間斷供電容量亦不斷擴大，高電壓/電流額定值的IGBT模組由於生產成本較高，因此業界普遍使用多組逆變器並聯之架構來提升電壓/電流額定，但相較直流輸出，交流輸出並聯需考量不只電壓大小，還有頻率、相位、向序等條件，控制上的困難度亦較高，倘若輸出電壓因故導致偏差，即會造成負載電流分配不均，影響元件壽命降低供電可靠度，有關逆變器並聯控制亦有多篇文獻探討^{[3] [4] [5]}。

要做到逆變器的均流，除了控制策略以外，還須考量下列幾個元件導致的因素^[6]，IGBT製程差異：可參考 圖3，IGBT的製程差異，會使其在同樣的VCE (sat)下，產生不同的額定電流IC；輸出迴路阻抗不對稱，參考 圖4，由於IGBT模組到並聯點間線長必不同，所以並聯的兩回路等效射級阻抗RE1及RE2就不同，會導致阻抗小的模組分到較高的電流；閘極驅動電壓VGE，相同的VCE時，若閘極驅動電壓VGE不同，亦可能導致分流不均，參考 圖5。

綜上所述，許多因素皆會導致兩組逆變器分流不均，若我們能觀察兩組逆變器的分流情形，或許能提早發現如IGBT早衰、Gate driver (VGE)異常及輸出XTR (輸出回路阻抗)等元件異常，強化早期防禦機制。

研究方法

電解電容漏液早期偵測

500kVA UPS功率模組共有六抽^[7]，功率模組示意圖如 圖6所示，每抽上方有8顆鋁質電解電容，現有設計是每顆電容下方配有一承漏盤，只能承接電容少量的漏液，若發生異常漏液即可能溢出承漏盤至下方IGBT模組。與台達電合作修改承漏盤的設計，計畫將其改為2顆電容共用承漏盤如 圖7，加大漏液容量降低溢出的可能，此外，為了達到早期預警機制，我們希望加入漏液偵測機制，將漏液sensor安裝於承漏盤的底部，並將六抽的漏液sensor整合至漏液偵測電路板安裝於T板左側空間，透過現有的健檢盒警報機制回傳，一旦發出HCS Alarm，人員至現場開啟盤門若看到漏液偵測電路板有紅燈，便可確認為電解電容發生漏液。

逆變器元件異常早期偵測機制

由於設備商在選用零件時，會盡量採用同一批號、同一產線的元件，因此IGBT的元件差異可在出廠前被控制到最小，而輸出回路阻抗及閘極驅動電壓在設計面時即被決定，因此，排除高頻響應部分，出廠時UPS兩組逆變器的低頻成份不平衡度可被量測，例：以上抽逆變器輸出電流波形為基準值，不平衡度可被定義如式(3)-(5)^[8]：

其中U_R、U_S、U_T分別為R、S、T相輸出有效值電流的不平衡比例，I_R1、I_R2、I_S1、I_S2、I_T1、I_T2，分別代表上、下抽的R、S、T相電流有效值。我們計畫藉由下列信號判斷方法來找出系統問題。

有效值不平衡警報判定

假定U_R (Base)、U_S (Base)及U_T (Base)為廠內開機時測得之不平衡度，測得為110%、115%及120%，我們對各相進行標么化，標么化如式(6)-(8)所示。

如此便可使用統一的觸發條件，若我們設定觸發條件警報條件為標么值大於110%或小於90%，這樣U_R>121%或U_R<99%時，便可發出警報提醒我們有可能元件的異常。

瞬時值差異警報判定

許多的故障態樣並不會直接反應到有效值，可能是波形的畸變，因此我們可以加入電流瞬時值比較，先針對各相瞬時不平衡進行下列定義

其中u_R、u_S、u_T為R、S、T相的瞬時電流不平衡比例，i_R1、i_R2、i_S1、i_S2、i_T1、i_T2分別代表上、下抽的R、S、T相輸出電流瞬時值。我們同樣對各相進行標么化如式(12)-(14)所示

假設輸出電流取樣頻率為6kHz，參考電壓快速異常偵測之作法，我們可定義當u_R(pu)>120%並持續5點(18度角)，即可能有發生異常，當然，觸發條件及持續時間皆可規劃，避免過度靈敏導致造成值班人員負擔。

結果與分析

電解電容漏液早期偵測

將要求與台達電溝通後，我們將承漏盤修改如 圖8所示，由於承漏盤底部會放置漏液偵測感測元件，實測後發現原設計的斜率需要較多的漏液才會觸發，因此我們要求修改承漏盤斜率，由原先的5度仰角改為10度如 圖8，雖然犧牲了些許容量，但增加了漏液偵測的靈敏度。

漏液感測元件的部分則由台達電自行設計如 圖9，當電解液滴至導體中間，便會使兩端短路觸發信號，信號偵測電路如 圖10所示，六抽的漏液偵測信號回到CNCP1，當平時沒漏液時，QCP1沒動作，QCP2動作，UCP1光耦合導通，平時為低電位，漏液發生時，輸出便轉態觸發警報，整合至健檢盒HCS警報，到現場時可藉由電路板上LEDCP1指示燈來判別是否發生漏液，如 圖10漏液信號偵測電路板。

我們已完成台達電廠驗，並通過FRC報告，計畫隨今年年保進行部分高風險電解電容導入。

逆變器元件異常早期偵測

觀察Delta NT 500kVA UPS之系統架構如 圖11所示，可發現原先台達電便已於各相逆變器輸出設置Ipk CT，用來偵測六組逆變器模組輸出電流最大值，參考電路圖如 圖12，如六組逆變器模組輸出電流最大值超過警報設定值，便會將PWM訊號拉掉，觸發轉態至旁路模式。

利用Ipk CT迴授信號，我們便可透過研究方法提到的做法，對並聯的逆變器進行異常偵測。參考 圖13，正常狀況下UPS即因原先設計因素會有分流不均情形，我們可以藉此定義各相的不平衡基準值U_R (Base)、U_S (Base)及U_T (Base)，當發生如 圖14之異常情形時，透過前段提到二種警報方法，可以有效的抓出如 圖14所示的兩種異常，此外，中科十五廠五期亦曾發生過G+H板異常導致分流不均，UPS無任何告警，於年保時才發現異常做更換，這種故障亦可被檢出。

結論

本文提出二種UPS主動防禦方法，針對UPS主機內元件的衰減早期偵測及輸出變壓器負載異常偵測。以中科十五廠五期為例，廠內有二百多台UPS，定期式保養難以捕捉到元件衰減或劣化程度，運用UPS主動防禦方法，由UPS本身告訴使用者，內部元件已衰減到一定程度需要更換。早期發現異常並檢修，可降低突發故障造成的生產損失及人力物料。