鐵路電力遠動箱變UPS的故障分析和解決方案

邢挺

摘 要：鐵路電力遠動箱變主要為鐵路系統調度集中、大站電氣集中聯鎖、自動閉塞、駝峰信號等I級負荷提供電源。鐵路電力遠動箱變一旦發生故障，將造成信號燈滅、列車堵塞等事故，打亂運輸計劃，甚至出現難以挽回的經濟損失。從鐵路電力遠動箱變在全國范圍內的運行情況來看，不間斷電源（UPS）或多或少都出現了一些問題，是鐵路電力遠動箱變的薄弱環節。該文對鐵路電力遠動箱變內UPS出現的問題進行了詳細分析，探討其形成原因，針對這些問題提出了解決方案，為今后運行維護提供技術支持。

關鍵詞：UPS；蓄電池；負載功率；三防處理

中圖分類號：U238 文獻標志碼：A

1 問題分析

1.1 UPS使用環境溫度問題

目前鐵路電力箱變普遍使用的UPS是針對數據中心或辦公室內的IT設備而設計的，適用運行環境溫度一般為0 ℃～40 ℃。由于我國南北溫差較大，在華北、東北、西北地區冬季環境溫度在-20 ℃上下，個別地區可達-40 ℃。夏季室外氣溫高達45℃，而在箱變內溫度更可達60 ℃以上。惡劣的使用環境超出了傳統UPS的設計使用條件，導致UPS不能起動、保護性關機或損壞。如京滬高鐵某區段箱變使用的2 kVA UPS 71臺，高鐵開通一年內先后有18臺出現故障，故障率達25.4 %。生產廠商對故障機器進行分析后發現，其中15臺由于箱變內溫度過高，超出UPS的正常工作溫度范圍，導致開關管過熱而損壞。再如哈滿鐵路配備了45臺2 kVA的UPS設備供電。夏季時工作正常，但冬天氣溫降至-20 ℃以下時，即出現因低溫導致的保護性自動關機并頻繁報警，待環境溫度回升到-10 ℃以上時才能恢復供電。

1.2 粉塵與凝露造成的問題

據國內某大型UPS廠商統計，約30 %的UPS故障都與凝露、灰塵有關。而鐵路電力箱變的使用環境普遍比較惡劣，這是故障多發的一個重要原因。圖1是拉日鐵路現場UPS粉塵情況的照片。

當UPS采用風冷散熱時，會將空氣中的粉塵吸入UPS內部。粉塵黏附在風扇或電路板上，影響UPS散熱，并造成電路板短路的風險。圖2為京滬高鐵箱變UPS電路板因粉塵導致的短路故障的照片。

UPS對環境濕度有嚴格的要求。如果濕度過高，在遇到冷氣時，會在設備內形成水霧或細水珠，尤其是在南方潮濕的雨季，結露容易造成電路板短路。商用UPS一般按照IEC529-598規定的IP20等級設計，即可以防止直徑大于12.5 mm的外物侵入，防止手指接觸內部零件，沒有對濕度的防護要求。高速鐵路電力使用的UPS裝于箱變內，在戶外使用，箱變內沒有溫濕度調節系統，使用環境惡劣。圖3為箱變內某品牌UPS內部灰塵及銹蝕情況。

1.3 蓄電池組維護問題

經過我們對鐵路電力箱變內UPS配備的VRLA蓄電池研究，發現影響VRLA蓄電池組使用壽命的原因主要有2個方面：一是蓄電池自身特性決定的內在因素，二是外部環境及使用方法帶來的外部因素。

1.3.1 影響VRLA蓄電池使用壽命的內在因素

1.3.1.1 失水

VRLA蓄電池為“貧液式”設計，其中的電解液量受到嚴格控制，且為出廠前一次性加注，一旦減少很難恢復。因此，當電解液中的水分減少到一定程度，就會引起VRLA蓄電池失效。

1.3.1.2 負極板硫化

VRLA蓄電池在充電過程中，負極消耗硫酸鉛（PbSO4），生成海綿狀鉛（Pb）；在放電過程中，負極消耗海綿狀鉛（Pb）生成硫酸鉛（PbSO4）。整個充放電過程應該完全可逆，在理想情況下，負極的活性物不會減少。但是，在實際運行過程中，如果放電后未及時充電，或者放電時間持續較長（例如小電流深度放電），或者長時間充電不足（例如長期擱置不用），由于硫酸鉛本來在電解液中的溶解度較低，容易造成硫酸鉛結晶，形成較大的結晶顆粒附著在極板上。當再次進行充電時，結晶后的硫酸鉛很難參與反應，一方面直接減少了負極活性物使容量降低；另一方面，結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，同時使電池內阻增大，降低電池容量。

1.3.1.3 正極板腐蝕

VRLA蓄電池充電后期，當正極荷電狀態超過70 %以后，發生電解水反應。電解水在正極析氧，負極析氫。正極析出的氧氣大部分擴散到負極被還原生成水，另一部分氧氣將正極板氧化腐蝕，還有一部分通過安全閥排出電池正極析出的氧氣大部分擴散到負極被還原生成水，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是鉛經過固相反應氧化生成的，因此會在致密的腐蝕層中產生機械應力。因此，正極腐蝕嚴重時會出現正極增長變形，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VRLA蓄電池電壓超過正極板的析氧的電壓（2.3 V），長時間大電流充電時，由于電解水產生大量氣體。由于正極板產生的氧氣可以擴散到負極被吸收，吸收氧氣是明顯的放熱反應，電池的溫度會因此提升。如果電池已經出現失水，玻璃纖維隔板的無酸孔隙增加，會加快氧循環速度，產生的熱量會更多，電池溫升也更高。而電池的溫升也會加速正極板析氧，形成惡性循環——熱失控。在熱失控狀態下，析氧量增加，電池內的氣壓增加，當達到塑料電池外殼的玻璃點溫度的時候，電池開始鼓脹變型，這種變型除了影響電池內部的機械結構以外，還會形成電池漏氣，而導致更加嚴重的失水漏酸。 盡管電池熱失控現象發生的不多，但是一旦發生熱失控，電池的壽命會迅速提前結束。

1.3.2 影響蓄電池使用壽命的外在因素

1.3.2.1 過充電

VRLA蓄電池過充使正極析氧，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，蓄電池過充電超過5 %，連續工作120天，其壽命減少50 %，這點也可以從YTD/799—2010標準“過充電壽命試驗”一節得到印證。按標準中的過充電試驗條件：在25±5 ℃環境中，充電電流為0.02C10，對于通信基站常用的500AH蓄電池而言，相當于浮充電流為1 A時，連續工作30天，蓄電池的壽命將縮短1年。這實際上是利用過充電對蓄電池壽命的影響來完成蓄電池壽命的加速測試。

1.3.2.2 過放電

VRLA蓄電池過放電，會造成負極硫酸鉛結晶，形成很難參加充電反應的大顆粒硫酸鉛（俗稱負極硫酸鹽化），造成負極活性物減少，內阻增加，降低蓄電池容量。因此，實際應用中應該盡量避免蓄電池過放電。

1.3.2.3 充電不足

VRLA蓄電池長期充電不足，也會加速負極硫酸鹽化，造成負極活性物減少，內阻增加，降低蓄電池容量。因此，一旦電池組出現放電，應盡快給電池組充電。對于浮充應用的VRLA蓄電池組，要盡量保持電池組浮充電壓的一致性，避免個別單體電池電壓偏低長期處于充電不足的狀態，造成容量下降。

1.3.2.4 環境溫度

環境溫度對蓄電池壽命和容量的影響是顯而易見的。通常認為，環境溫度以25 ℃為參考點，每上升10 ℃，長時間工作蓄電池壽命降低50 %。當以環境溫度0 ℃為參考點時，每降低10 ℃，長時間工作蓄電池容量降低20 %，當低于-20 ℃時VRLA蓄電池容量基本為0。通信行業標準YTD/799—2010中，對高溫加速浮充壽命試驗給出了具體方法，對于設計壽命為8年的蓄電池，60 ℃±2 ℃連續工作240天其壽命終止。

因此，鐵路箱變中UPS電源所配備的VRAL蓄電池運行環境溫度對其造成很大的影響；對VRLA蓄電池的實時檢測、定期維護管理工作變得至關重要。但鐵路沿線電力箱變數量龐大且分布區域廣，工區維護人員較少，天窗點等時間限制使其不能夠形成一套完整的維護體系，很難實現全面的維護管理工作，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 負載功率匹配問題

用戶應根據所用設備的負荷量統計值來選擇所需的UPS輸出功率（kVA值），為了確保UPS系統的效率，盡可能地延長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 %的負載量。因此，最好不要按照UPS不間斷電源額定功率使用它。長期處于滿載狀態，會造成UPS不間斷電源逆變器及整流濾波器的過熱，影響UPS的使用壽命。比如負載總功率達到600 VA時，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電源的容量選型會在1 kVA～5 kVA，可根據實際現場測量，箱變內正常運行的情況下負載會在60 W～110 W，如石太客專沿線電力箱變UPS為60 W；津秦高鐵電力箱變UPS為80 W；在正常運行不進行分合閘操作的情況下的負載只有RTU、指示燈、儀表和二次回路中間繼電器等。而負載太小對設備會有影響，如此長期小負載運行，會造成空載現象，空載會導致逆變電路和電池損壞，或者對電路產生較多的諧波，諧波的存在易使電網的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動以及在通信系統內產生聲頻干擾，嚴重時將威脅通信設備及人身安全。

UPS應根據負載性質選用負載容量和余量。UPS負載一般分為線性負載和非線性負載。不同性質的負載有不同的功率因數和峰值因數，所以選擇UPS時，必須考慮負載的性質。

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

由此可見，鐵路電力箱變UPS因負載特性的不同應減少負載容量增，大沖擊余量，使其能夠在不同負載特性條件下穩定運行。

1.5 設計余量問題

對于1 kVA～5 kVA UPS，生產廠家出于對成本考慮，各項設計余量都會留得比較小，為了降低成本，元器件選型時多選用臨界規格的產品，會產生以下問題：

（1）電路板多采用單層板設計，電流密度和安規距離都比較小。

（2）生產廠商由于成本原因，電感磁芯往往選用鐵粉類的磁芯。鐵粉類的磁芯有一個致命缺陷，即老化問題。這類磁芯隨著使用時間的推移，磁芯性能會逐漸下降，電感量會逐漸降低。當電感量降低到一定程度時，電感就會完全失效，導致機器故障。3年左右，鐵粉類磁芯的電感的壽命就差不多了。當機器長時間帶重載或工作環境溫度比較高，電感老化問題會更嚴重。

（3）有的廠商為了降低生產成本，IGBT選型規格過于臨界，當UPS在帶沖擊性負載或過載時容易造成IGBT擊穿。

（4）電容器質量參差不齊， UPS電容器質量直接影響應對感性負載的能力，有的廠商由于成本原因，選用過于臨界的電容器，在惡劣環境中電容老化嚴重，降低其負載能力不能應對鐵路電力箱變中UPS的負載特性，無法滿足沖擊余量要求，以至于無法對箱變內操作機構，塑殼斷路器等進行分合閘操作。

2 解決方案

2.1 采用新材質、新技術提高設備的抗高、低溫能力

通過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計，平時正常功率為40 W，新設計功率為80 W，這樣可以保證低溫下工作的可靠性。采用風扇調速技術，在溫度低的時候風扇轉速降低，機器工作溫度上升，自動提高轉速加大風量。在高加速壽命試驗（HALT）中存在低溫不能啟機的問題，通過排查解決了低溫下輔助電源自動關機的原因，滿足了-40 ℃啟機。新設備內設置專門的溫度控制單元，提高風扇帶載能力，滿足鐵路的-40 ℃～60 ℃的運行環境。

2.2 電路板的三防處理

所有的電路板都進行防塵、防潮、防腐的環保三防處理，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。

進風口加裝可以拆卸防塵網，減少粉塵的進入，防止因凝露、粉塵造成電路板的短路故障。同時免去運維單位拆卸UPS清理灰塵工序，只需將防塵網拆卸清理即可。

2.3 采用智能型蓄電池管理系統

可根據蓄電池特性進行自動調節式的均充、恒壓、恒流充電方式的轉換，也可監測蓄電池放電過程到臨界值自動停止。避免出現過放電、過充電和充電不足等外部條件對蓄電池使用壽命的影響。 .

智能自動活化管理：無需人工干預的蓄電池活化管理系統。能夠定期自動對UPS的蓄電池組進行淺放電活化，激活蓄電池電離子活躍性。避免快充電、快放電的方式對蓄電池造成容量衰減使用壽命降低等問題，通過芯片對蓄電池容量（AH）和放電電流做精準計算，使其淺放電控制在電池容量的25%左右（預留剩余電量應對現場緊急供電需求），免去了蓄電池維護對各運營單位人力物力資源的消耗和工作負擔。

采用線核容系統：即可定期核算蓄電池健康狀況和實際剩余容量，能夠通過485通信，現場巡檢等方式對UPS蓄電池實際的健康狀況直觀地做出評估，對存在問題的蓄電池可以做到提前發現，提前更換，大大提高了設備運行的穩定性、可靠性。大幅減少運維難度，有效提高了蓄電池問題的排查能力，如圖4所示。

2.4 增大電路板及器件的設計裕量

選用鐵硅磁芯的電感，解決鐵粉芯電感老化問題。

提高IGBT的帶載容量選擇，解決了帶沖擊性負載或過載時IGBT損壞問題。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際頂尖品牌鋁制電容器。增強承受瞬時沖擊電流余量，降低環境溫度對電容器容量的衰減，增強UPS帶感性負載的能力。

UPS在設計時，電源輸入側增設濾波電路，抑制輸入電源的諧波電壓峰值，減少因直流電壓過高而引起的UPS自動關機故障，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，其極板與極板之間的間隙極小，且其酸是固體酸，并能被玻璃纖維網所吸附，整個結構是很緊密的。因此在高溫下，基本不存在冒氣冒泡的現象，在低溫下，沒有液態酸可冰凍，因此不存在電流輸出減少的問題。根據美國SAE測試標準，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55 ℃～75 ℃范圍內安全工作。可見相對于我國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更安全可靠，實現“免維護”。

3 結論

通過上述理論分析，提出了解決鐵路電力箱變UPS常見問題的有效措施，為UPS的良好運行提供了保證。

參考文獻

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