鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變UPS的故障分析和解決方案

邢挺

摘 要：鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變主要為鐵路系統(tǒng)調(diào)度集中、大站電氣集中聯(lián)鎖、自動(dòng)閉塞、駝峰信號(hào)等I級(jí)負(fù)荷提供電源。鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變一旦發(fā)生故障，將造成信號(hào)燈滅、列車(chē)堵塞等事故，打亂運(yùn)輸計(jì)劃，甚至出現(xiàn)難以挽回的經(jīng)濟(jì)損失。從鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變?cè)谌珖?guó)范圍內(nèi)的運(yùn)行情況來(lái)看，不間斷電源（UPS）或多或少都出現(xiàn)了一些問(wèn)題，是鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變的薄弱環(huán)節(jié)。該文對(duì)鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)箱變內(nèi)UPS出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)分析，探討其形成原因，針對(duì)這些問(wèn)題提出了解決方案，為今后運(yùn)行維護(hù)提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：UPS；蓄電池；負(fù)載功率；三防處理

中圖分類(lèi)號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 問(wèn)題分析

1.1 UPS使用環(huán)境溫度問(wèn)題

目前鐵路電力箱變普遍使用的UPS是針對(duì)數(shù)據(jù)中心或辦公室內(nèi)的IT設(shè)備而設(shè)計(jì)的，適用運(yùn)行環(huán)境溫度一般為0 ℃～40 ℃。由于我國(guó)南北溫差較大，在華北、東北、西北地區(qū)冬季環(huán)境溫度在-20 ℃上下，個(gè)別地區(qū)可達(dá)-40 ℃。夏季室外氣溫高達(dá)45℃，而在箱變內(nèi)溫度更可達(dá)60 ℃以上。惡劣的使用環(huán)境超出了傳統(tǒng)UPS的設(shè)計(jì)使用條件，導(dǎo)致UPS不能起動(dòng)、保護(hù)性關(guān)機(jī)或損壞。如京滬高鐵某區(qū)段箱變使用的2 kVA UPS 71臺(tái)，高鐵開(kāi)通一年內(nèi)先后有18臺(tái)出現(xiàn)故障，故障率達(dá)25.4 %。生產(chǎn)廠商對(duì)故障機(jī)器進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其中15臺(tái)由于箱變內(nèi)溫度過(guò)高，超出UPS的正常工作溫度范圍，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管過(guò)熱而損壞。再如哈滿(mǎn)鐵路配備了45臺(tái)2 kVA的UPS設(shè)備供電。夏季時(shí)工作正常，但冬天氣溫降至-20 ℃以下時(shí)，即出現(xiàn)因低溫導(dǎo)致的保護(hù)性自動(dòng)關(guān)機(jī)并頻繁報(bào)警，待環(huán)境溫度回升到-10 ℃以上時(shí)才能恢復(fù)供電。

1.2 粉塵與凝露造成的問(wèn)題

據(jù)國(guó)內(nèi)某大型UPS廠商統(tǒng)計(jì)，約30 %的UPS故障都與凝露、灰塵有關(guān)。而鐵路電力箱變的使用環(huán)境普遍比較惡劣，這是故障多發(fā)的一個(gè)重要原因。圖1是拉日鐵路現(xiàn)場(chǎng)UPS粉塵情況的照片。

當(dāng)UPS采用風(fēng)冷散熱時(shí)，會(huì)將空氣中的粉塵吸入U(xiǎn)PS內(nèi)部。粉塵黏附在風(fēng)扇或電路板上，影響UPS散熱，并造成電路板短路的風(fēng)險(xiǎn)。圖2為京滬高鐵箱變UPS電路板因粉塵導(dǎo)致的短路故障的照片。

UPS對(duì)環(huán)境濕度有嚴(yán)格的要求。如果濕度過(guò)高，在遇到冷氣時(shí)，會(huì)在設(shè)備內(nèi)形成水霧或細(xì)水珠，尤其是在南方潮濕的雨季，結(jié)露容易造成電路板短路。商用UPS一般按照IEC529-598規(guī)定的IP20等級(jí)設(shè)計(jì)，即可以防止直徑大于12.5 mm的外物侵入，防止手指接觸內(nèi)部零件，沒(méi)有對(duì)濕度的防護(hù)要求。高速鐵路電力使用的UPS裝于箱變內(nèi)，在戶(hù)外使用，箱變內(nèi)沒(méi)有溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用環(huán)境惡劣。圖3為箱變內(nèi)某品牌UPS內(nèi)部灰塵及銹蝕情況。

1.3 蓄電池組維護(hù)問(wèn)題

經(jīng)過(guò)我們對(duì)鐵路電力箱變內(nèi)UPS配備的VRLA蓄電池研究，發(fā)現(xiàn)影響VRLA蓄電池組使用壽命的原因主要有2個(gè)方面：一是蓄電池自身特性決定的內(nèi)在因素，二是外部環(huán)境及使用方法帶來(lái)的外部因素。

1.3.1 影響VRLA蓄電池使用壽命的內(nèi)在因素

1.3.1.1 失水

VRLA蓄電池為“貧液式”設(shè)計(jì)，其中的電解液量受到嚴(yán)格控制，且為出廠前一次性加注，一旦減少很難恢復(fù)。因此，當(dāng)電解液中的水分減少到一定程度，就會(huì)引起VRLA蓄電池失效。

1.3.1.2 負(fù)極板硫化

VRLA蓄電池在充電過(guò)程中，負(fù)極消耗硫酸鉛（PbSO4），生成海綿狀鉛（Pb）；在放電過(guò)程中，負(fù)極消耗海綿狀鉛（Pb）生成硫酸鉛（PbSO4）。整個(gè)充放電過(guò)程應(yīng)該完全可逆，在理想情況下，負(fù)極的活性物不會(huì)減少。但是，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，如果放電后未及時(shí)充電，或者放電時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)（例如小電流深度放電），或者長(zhǎng)時(shí)間充電不足（例如長(zhǎng)期擱置不用），由于硫酸鉛本來(lái)在電解液中的溶解度較低，容易造成硫酸鉛結(jié)晶，形成較大的結(jié)晶顆粒附著在極板上。當(dāng)再次進(jìn)行充電時(shí)，結(jié)晶后的硫酸鉛很難參與反應(yīng)，一方面直接減少了負(fù)極活性物使容量降低；另一方面，結(jié)晶后的硫酸鉛附著在極板上，堵塞極板微孔，降低活性物有效面積，同時(shí)使電池內(nèi)阻增大，降低電池容量。

1.3.1.3 正極板腐蝕

VRLA蓄電池充電后期，當(dāng)正極荷電狀態(tài)超過(guò)70 %以后，發(fā)生電解水反應(yīng)。電解水在正極析氧，負(fù)極析氫。正極析出的氧氣大部分?jǐn)U散到負(fù)極被還原生成水，另一部分氧氣將正極板氧化腐蝕，還有一部分通過(guò)安全閥排出電池正極析出的氧氣大部分?jǐn)U散到負(fù)極被還原生成水，另一部分氧氣將正極板氧化腐蝕，還有一部分通過(guò)安全閥排出電池。

正極板腐蝕，由金屬鉛生成PbO2，需要耗氧氣，因此造成蓄電池失水，降低蓄電池容量。PbO2的摩爾體積比鉛的摩爾體積大21%，由于PbO2是鉛經(jīng)過(guò)固相反應(yīng)氧化生成的，因此會(huì)在致密的腐蝕層中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。因此，正極腐蝕嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)正極增長(zhǎng)變形，造成活性物與柵板脫落，甚至正極板失效。

1.3.1.4 熱失控

當(dāng)VRLA蓄電池電壓超過(guò)正極板的析氧的電壓（2.3 V），長(zhǎng)時(shí)間大電流充電時(shí)，由于電解水產(chǎn)生大量氣體。由于正極板產(chǎn)生的氧氣可以擴(kuò)散到負(fù)極被吸收，吸收氧氣是明顯的放熱反應(yīng)，電池的溫度會(huì)因此提升。如果電池已經(jīng)出現(xiàn)失水，玻璃纖維隔板的無(wú)酸孔隙增加，會(huì)加快氧循環(huán)速度，產(chǎn)生的熱量會(huì)更多，電池溫升也更高。而電池的溫升也會(huì)加速正極板析氧，形成惡性循環(huán)——熱失控。在熱失控狀態(tài)下，析氧量增加，電池內(nèi)的氣壓增加，當(dāng)達(dá)到塑料電池外殼的玻璃點(diǎn)溫度的時(shí)候，電池開(kāi)始鼓脹變型，這種變型除了影響電池內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)以外，還會(huì)形成電池漏氣，而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的失水漏酸。 盡管電池?zé)崾Э噩F(xiàn)象發(fā)生的不多，但是一旦發(fā)生熱失控，電池的壽命會(huì)迅速提前結(jié)束。

1.3.2 影響蓄電池使用壽命的外在因素

1.3.2.1 過(guò)充電

VRLA蓄電池過(guò)充使正極析氧，加速極板腐蝕，造成蓄電池失水，降低蓄電池容量。大量研究表明，蓄電池過(guò)充電超過(guò)5 %，連續(xù)工作120天，其壽命減少50 %，這點(diǎn)也可以從YTD/799—2010標(biāo)準(zhǔn)“過(guò)充電壽命試驗(yàn)”一節(jié)得到印證。按標(biāo)準(zhǔn)中的過(guò)充電試驗(yàn)條件：在25±5 ℃環(huán)境中，充電電流為0.02C10，對(duì)于通信基站常用的500AH蓄電池而言，相當(dāng)于浮充電流為1 A時(shí)，連續(xù)工作30天，蓄電池的壽命將縮短1年。這實(shí)際上是利用過(guò)充電對(duì)蓄電池壽命的影響來(lái)完成蓄電池壽命的加速測(cè)試。

1.3.2.2 過(guò)放電

VRLA蓄電池過(guò)放電，會(huì)造成負(fù)極硫酸鉛結(jié)晶，形成很難參加充電反應(yīng)的大顆粒硫酸鉛（俗稱(chēng)負(fù)極硫酸鹽化），造成負(fù)極活性物減少，內(nèi)阻增加，降低蓄電池容量。因此，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該盡量避免蓄電池過(guò)放電。

1.3.2.3 充電不足

VRLA蓄電池長(zhǎng)期充電不足，也會(huì)加速負(fù)極硫酸鹽化，造成負(fù)極活性物減少，內(nèi)阻增加，降低蓄電池容量。因此，一旦電池組出現(xiàn)放電，應(yīng)盡快給電池組充電。對(duì)于浮充應(yīng)用的VRLA蓄電池組，要盡量保持電池組浮充電壓的一致性，避免個(gè)別單體電池電壓偏低長(zhǎng)期處于充電不足的狀態(tài)，造成容量下降。

1.3.2.4 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對(duì)蓄電池壽命和容量的影響是顯而易見(jiàn)的。通常認(rèn)為，環(huán)境溫度以25 ℃為參考點(diǎn)，每上升10 ℃，長(zhǎng)時(shí)間工作蓄電池壽命降低50 %。當(dāng)以環(huán)境溫度0 ℃為參考點(diǎn)時(shí)，每降低10 ℃，長(zhǎng)時(shí)間工作蓄電池容量降低20 %，當(dāng)?shù)陀?20 ℃時(shí)VRLA蓄電池容量基本為0。通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YTD/799—2010中，對(duì)高溫加速浮充壽命試驗(yàn)給出了具體方法，對(duì)于設(shè)計(jì)壽命為8年的蓄電池，60 ℃±2 ℃連續(xù)工作240天其壽命終止。

因此，鐵路箱變中UPS電源所配備的VRAL蓄電池運(yùn)行環(huán)境溫度對(duì)其造成很大的影響；對(duì)VRLA蓄電池的實(shí)時(shí)檢測(cè)、定期維護(hù)管理工作變得至關(guān)重要。但鐵路沿線電力箱變數(shù)量龐大且分布區(qū)域廣，工區(qū)維護(hù)人員較少，天窗點(diǎn)等時(shí)間限制使其不能夠形成一套完整的維護(hù)體系，很難實(shí)現(xiàn)全面的維護(hù)管理工作，這也是鐵路電力箱變UPS蓄電池壽命降低的主要因素之一。

1.4 負(fù)載功率匹配問(wèn)題

用戶(hù)應(yīng)根據(jù)所用設(shè)備的負(fù)荷量統(tǒng)計(jì)值來(lái)選擇所需的UPS輸出功率（kVA值），為了確保UPS系統(tǒng)的效率，盡可能地延長(zhǎng)UPS的使用壽命，一般建議在線式UPS電源選取額定功率的70 %～80 %的負(fù)載量。因此，最好不要按照UPS不間斷電源額定功率使用它。長(zhǎng)期處于滿(mǎn)載狀態(tài)，會(huì)造成UPS不間斷電源逆變器及整流濾波器的過(guò)熱，影響UPS的使用壽命。比如負(fù)載總功率達(dá)到600 VA時(shí)，選用UPS 650 VA就不合適了，而1 kVA左右的UPS更適合。這樣可以延長(zhǎng)UPS不間斷電源的使用壽命。一般鐵路電力箱變中UPS電源的容量選型會(huì)在1 kVA～5 kVA，可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，箱變內(nèi)正常運(yùn)行的情況下負(fù)載會(huì)在60 W～110 W，如石太客專(zhuān)沿線電力箱變UPS為60 W；津秦高鐵電力箱變UPS為80 W；在正常運(yùn)行不進(jìn)行分合閘操作的情況下的負(fù)載只有RTU、指示燈、儀表和二次回路中間繼電器等。而負(fù)載太小對(duì)設(shè)備會(huì)有影響，如此長(zhǎng)期小負(fù)載運(yùn)行，會(huì)造成空載現(xiàn)象，空載會(huì)導(dǎo)致逆變電路和電池?fù)p壞，或者對(duì)電路產(chǎn)生較多的諧波，諧波的存在易使電網(wǎng)的各類(lèi)保護(hù)及自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)以及在通信系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生聲頻干擾，嚴(yán)重時(shí)將威脅通信設(shè)備及人身安全。

UPS應(yīng)根據(jù)負(fù)載性質(zhì)選用負(fù)載容量和余量。UPS負(fù)載一般分為線性負(fù)載和非線性負(fù)載。不同性質(zhì)的負(fù)載有不同的功率因數(shù)和峰值因數(shù)，所以選擇UPS時(shí)，必須考慮負(fù)載的性質(zhì)。

鐵路電力箱變中UPS的負(fù)載既有非線性負(fù)載也有感性負(fù)載，正常運(yùn)行時(shí)負(fù)載較小，而需要進(jìn)行分合閘操作時(shí)瞬時(shí)峰值因數(shù)比較高，所以在選擇負(fù)載容量還應(yīng)考慮不同負(fù)載的沖擊電流，通常UPS的峰值因數(shù)為3︰1，適合電腦等非線性負(fù)載在正常工作中的峰值因數(shù)要求。但當(dāng)沖擊較大時(shí)，UPS等供電設(shè)備的電流容量乘以3后還不足以滿(mǎn)足負(fù)載的瞬間電流要求。在這種情況下需要考慮增加供電設(shè)備的容量，從而提高電流提供能力。因此在選擇UPS容量時(shí)需要考慮負(fù)載波動(dòng)及沖擊余量，適當(dāng)增大UPS余量以抵御負(fù)載的波動(dòng)。

由此可見(jiàn)，鐵路電力箱變UPS因負(fù)載特性的不同應(yīng)減少負(fù)載容量增，大沖擊余量，使其能夠在不同負(fù)載特性條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

1.5 設(shè)計(jì)余量問(wèn)題

對(duì)于1 kVA～5 kVA UPS，生產(chǎn)廠家出于對(duì)成本考慮，各項(xiàng)設(shè)計(jì)余量都會(huì)留得比較小，為了降低成本，元器件選型時(shí)多選用臨界規(guī)格的產(chǎn)品，會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題：

（1）電路板多采用單層板設(shè)計(jì)，電流密度和安規(guī)距離都比較小。

（2）生產(chǎn)廠商由于成本原因，電感磁芯往往選用鐵粉類(lèi)的磁芯。鐵粉類(lèi)的磁芯有一個(gè)致命缺陷，即老化問(wèn)題。這類(lèi)磁芯隨著使用時(shí)間的推移，磁芯性能會(huì)逐漸下降，電感量會(huì)逐漸降低。當(dāng)電感量降低到一定程度時(shí)，電感就會(huì)完全失效，導(dǎo)致機(jī)器故障。3年左右，鐵粉類(lèi)磁芯的電感的壽命就差不多了。當(dāng)機(jī)器長(zhǎng)時(shí)間帶重載或工作環(huán)境溫度比較高，電感老化問(wèn)題會(huì)更嚴(yán)重。

（3）有的廠商為了降低生產(chǎn)成本，IGBT選型規(guī)格過(guò)于臨界，當(dāng)UPS在帶沖擊性負(fù)載或過(guò)載時(shí)容易造成IGBT擊穿。

（4）電容器質(zhì)量參差不齊， UPS電容器質(zhì)量直接影響應(yīng)對(duì)感性負(fù)載的能力，有的廠商由于成本原因，選用過(guò)于臨界的電容器，在惡劣環(huán)境中電容老化嚴(yán)重，降低其負(fù)載能力不能應(yīng)對(duì)鐵路電力箱變中UPS的負(fù)載特性，無(wú)法滿(mǎn)足沖擊余量要求，以至于無(wú)法對(duì)箱變內(nèi)操作機(jī)構(gòu)，塑殼斷路器等進(jìn)行分合閘操作。

2 解決方案

2.1 采用新材質(zhì)、新技術(shù)提高設(shè)備的抗高、低溫能力

通過(guò)器件的選材提高硬件的耐高、低溫的能力，如果輔助電源芯片選用軍工級(jí)的，可以工作到-40 ℃。電阻采用陶瓷電阻，輔助電源采用比較大的裕量設(shè)計(jì)，平時(shí)正常功率為40 W，新設(shè)計(jì)功率為80 W，這樣可以保證低溫下工作的可靠性。采用風(fēng)扇調(diào)速技術(shù)，在溫度低的時(shí)候風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，機(jī)器工作溫度上升，自動(dòng)提高轉(zhuǎn)速加大風(fēng)量。在高加速壽命試驗(yàn)（HALT）中存在低溫不能啟機(jī)的問(wèn)題，通過(guò)排查解決了低溫下輔助電源自動(dòng)關(guān)機(jī)的原因，滿(mǎn)足了-40 ℃啟機(jī)。新設(shè)備內(nèi)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的溫度控制單元，提高風(fēng)扇帶載能力，滿(mǎn)足鐵路的-40 ℃～60 ℃的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 電路板的三防處理

所有的電路板都進(jìn)行防塵、防潮、防腐的環(huán)保三防處理，采用油浸的工藝，確保線路板和電子元器件引腳都能得到充分防護(hù)。

進(jìn)風(fēng)口加裝可以拆卸防塵網(wǎng)，減少粉塵的進(jìn)入，防止因凝露、粉塵造成電路板的短路故障。同時(shí)免去運(yùn)維單位拆卸UPS清理灰塵工序，只需將防塵網(wǎng)拆卸清理即可。

2.3 采用智能型蓄電池管理系統(tǒng)

可根據(jù)蓄電池特性進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)式的均充、恒壓、恒流充電方式的轉(zhuǎn)換，也可監(jiān)測(cè)蓄電池放電過(guò)程到臨界值自動(dòng)停止。避免出現(xiàn)過(guò)放電、過(guò)充電和充電不足等外部條件對(duì)蓄電池使用壽命的影響。 .

智能自動(dòng)活化管理：無(wú)需人工干預(yù)的蓄電池活化管理系統(tǒng)。能夠定期自動(dòng)對(duì)UPS的蓄電池組進(jìn)行淺放電活化，激活蓄電池電離子活躍性。避免快充電、快放電的方式對(duì)蓄電池造成容量衰減使用壽命降低等問(wèn)題，通過(guò)芯片對(duì)蓄電池容量（AH）和放電電流做精準(zhǔn)計(jì)算，使其淺放電控制在電池容量的25%左右（預(yù)留剩余電量應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)緊急供電需求），免去了蓄電池維護(hù)對(duì)各運(yùn)營(yíng)單位人力物力資源的消耗和工作負(fù)擔(dān)。

采用線核容系統(tǒng)：即可定期核算蓄電池健康狀況和實(shí)際剩余容量，能夠通過(guò)485通信，現(xiàn)場(chǎng)巡檢等方式對(duì)UPS蓄電池實(shí)際的健康狀況直觀地做出評(píng)估，對(duì)存在問(wèn)題的蓄電池可以做到提前發(fā)現(xiàn)，提前更換，大大提高了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性。大幅減少運(yùn)維難度，有效提高了蓄電池問(wèn)題的排查能力，如圖4所示。

2.4 增大電路板及器件的設(shè)計(jì)裕量

選用鐵硅磁芯的電感，解決鐵粉芯電感老化問(wèn)題。

提高IGBT的帶載容量選擇，解決了帶沖擊性負(fù)載或過(guò)載時(shí)IGBT損壞問(wèn)題。加大了電路板銅箔截面和間距，提高抗短路能力。

選用日本紅寶石等國(guó)際頂尖品牌鋁制電容器。增強(qiáng)承受瞬時(shí)沖擊電流余量，降低環(huán)境溫度對(duì)電容器容量的衰減，增強(qiáng)UPS帶感性負(fù)載的能力。

UPS在設(shè)計(jì)時(shí)，電源輸入側(cè)增設(shè)濾波電路，抑制輸入電源的諧波電壓峰值，減少因直流電壓過(guò)高而引起的UPS自動(dòng)關(guān)機(jī)故障，提高蓄電池的使用壽命。

2.5 采用卷繞式鉛酸蓄電池

由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了螺旋卷繞技術(shù)，其極板與極板之間的間隙極小，且其酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，整個(gè)結(jié)構(gòu)是很緊密的。因此在高溫下，基本不存在冒氣冒泡的現(xiàn)象，在低溫下，沒(méi)有液態(tài)酸可冰凍，因此不存在電流輸出減少的問(wèn)題。根據(jù)美國(guó)SAE測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55 ℃～75 ℃范圍內(nèi)安全工作?？梢?jiàn)相對(duì)于我國(guó)的北方寒冷的天氣和南方炎熱的天氣而言，使用卷繞式鉛酸蓄電池將會(huì)更安全可靠，實(shí)現(xiàn)“免維護(hù)”。

3 結(jié)論

通過(guò)上述理論分析，提出了解決鐵路電力箱變UPS常見(jiàn)問(wèn)題的有效措施，為UPS的良好運(yùn)行提供了保證。

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