A documentação indica que add_header "Adiciona o campo especificado a um cabeçalho de resposta desde que o código de resposta seja igual a 200, 204, 206 , 301, 302, 303, 304 ou 307. Um valor pode conter variáveis. " Por isso, não funciona com um 502.
Esqueci de acrescentar que você pode usar o módulo de cabeçalhos de terceiros para adicionar cabeçalhos a outros códigos. Você provavelmente terá que recompilar para adicioná-lo, no entanto.