UPS是一种含储能电池的不间断电源，主要用于给对电源连续性及稳定性要求较高的设备供电，以保证其不受停电及电网干扰影响。哈佳高铁和哈牡高铁是我国东北地区高寒铁路，铁路沿线电力箱变内UPS电源及配套蓄电池是确保信号、调度系统可靠运行的重要保证，其本身运行可靠性也面临着诸多挑战。
　　
　　一、主要问题
　　
　　高铁箱变不间断电源普遍采用在线式双变换UPS,并按各节点后备时长配置阀控式铅酸蓄电池。当市电正常时,交流电经整流单元(AC/DC转换)、逆变单元(DC/AC转换)变换后向负载供电,同时给蓄电池充电;当市电异常时,由蓄电池经逆变单元(DC/AC转换)变换后给负载供电。
　　
　　1.1 温度对主机的影响
　　
　　传统UPS电源主要针对室内环境下的IT设备，其运行环境温度一般为0℃～40℃。哈佳铁路位于我国东北地区，其冬季环境温度在-20℃左右，极端环境下可达-40℃。恶劣的使用环境已明显超出传统UPS电源的使用条件，导致设备在冬季低温情况下无法启动或因低温保护自动关机并频繁报警。
　　
　　1.2 温度对蓄电池的影响
　　
　　蓄电池作为UPS电源的能量储备部分,是电源稳定、可靠运行的最后保证。目前高铁箱变不间断电源配套的蓄电池多选用阀控式铅酸蓄电池(VRLA),单体电压以12V为主。运行经验表明,铅酸蓄电池的性能,取决于蓄电池内部的电化学反应能否顺利进行,并在很大程度上受环境温度、电解液密度、粘度等因素影响。在低温工作条件下,蓄电池负极板上的海绵状铅极易变成小尺寸的晶粒,且小孔易被冻结和堵塞,从而降低了活性物质的利用率,严重时可形成致密的硫酸铅层(硫化),使蓄电池终止放电。蓄电池硫化的主要表现是电池显示已经充满,但开始放电时电压即迅速下降,容量显著减少。
　　
　　查阅相关资料,假定蓄电池在室温环境(25℃)时容量为100%,当环境温度低于25℃时,蓄电池容量与温度的关系如表1所示:
　　
　　根据GB/T19638.1-2014《固定型阀控式铅酸蓄电池第1部分:技术条件》容量性能试验公式:
　　
　　Ca=Ct/[1+λ(t-25)]
　　
　　其中，Ct为蓄电池平均表明温度为t℃时的实测容量；Ca为基准温度25℃时容量；t为放电过程蓄电池表面温度；λ为温度系数，10小时率放电试验时取=0.006/℃、3小时率放电试验时取=0.008/℃、1小时率放电试验时取=0.01/℃。
　　
　　当蓄电池运行温度低于25℃时,放电率越大,温度对容量的影响也越大,即低温环境下,大电流放电对容量的影响更为显著。
　　
　　1.3其它因素对UPS运行的影响
　　
　　铁路电力箱变分布于轨道沿线,使用环境普遍较为恶劣,在实际运行过程中,粉尘及凝露均对UPS电源的运行造成一定的影响。
　　
　　目前UPS电源多采用风冷散热，空气中的粉尘可随风扇进入UPS内部并附着于风扇或电路板上，影响设备散热，造成设备过热保护或短路故障。另一方面，气温的变化可能在设备内部形成水雾，使内部器件锈蚀并存在导致电路板短路的风险。
　　
　　二、解决方案
　　
　　本文结合东北地理环境的特点及各高铁线路不间断电源的运行经验,提出了针对高寒地区UPS的应用与维护解决方案,以进一步提高设备的运行可靠性,降低运维成本。
　　
　　2.1 采用工业级设计
　　
　　设备采用工业级元器件,增强其高低温耐受力及抗冲击力,确保设备能在-40℃～+70℃的环境下长期稳定运行。
　　
　　增大关键元器件的冗余度。如功率半导体选用IXYS、英飞凌等国际知名品牌,并增大设计裕量,解决箱变开关操作等冲击性负荷或设备过载造成的功率器件损坏;电流采样电阻采用大功率、低温漂(50ppm)合金电阻,提高耐冲击力及采样精度;DC/DC主变压器等功率磁性元器件选用TPW33材质,提高温度特性。
　　
　　2.2 蓄电池智能管理设计
　　
　　采用基于RISC的工业级ARM处理器构建不间断电源“硬实时”核心,实现AC/DC、DC/DC、DC/AC实时动态控制及蓄电池智能管理。
　　
　　智能活化管理:开发蓄电池定期活化功能,设备可根据用户设定的周期自动对蓄电池进行在线活化,以激活蓄电池电离子活性,减少低温环境下蓄电池硫化现象,并对电池放电回路进行检查。UPS电源可通过设定放电容量或截止电压(设定为标称容量的30%,以保证现场应急供电需求),对蓄电池进行浅放控制并经MCU实时监测放电过程的各项状态指标,过程无需人员干预。
　　
　　定期在线核容:开发蓄电池健康状态(SOH)在线检测功能，设备可实时采集分析蓄电池运行数据，通过智能软件算法定期检测蓄电池真实健康状态；同时在设备前面板设置10段数码管进行蓄电池容量显示，方便运维人员直观、准确对蓄电池健康状态进行评估，及时发现、处理异常电池，在提高设备运行可靠性的同时大幅降低蓄电池运维难度。
　　
　　智能充电管理:采用智能三阶段充电管理技术，设备根据蓄电池状态及环境温度，通过软件算法智能控制蓄电池充电电压、电流,动态实现涓充(电池电压过低时，避免大电流充电损失蓄电池)、恒流(保证充电效率，减少充电时间)、恒压充电方式(平衡电池自放电)，最大限度延长蓄电池使用寿命。
　　
　　2.3 电路板增强环境适应性设计
　　
　　优化PCB板布局。采用相对独立的风道设计,将环境敏感器件尽可能布置在风道外,同时减少在进风口布置小插件器件,避免灰尘沉积。
　　
　　环保三防处理。UPS内部电路板采用防尘、防潮、防腐处理,确保PCB板及电子元器件引脚均得到可靠防护。
　　
　　设置可拆卸防尘网。在设备前面板进风口设置可拆卸防尘网,减少粉尘进入,同时使运维人员在无需拆卸设备的情况下适时清灰。
　　
　　2.4 可视化交互功能设计
　　
　　采用小型化机架式结构,通过在前面板设置运行状态指示灯、蓄电池状态指示灯,实时显示电源输入状态、输出状态、旁路状态、蓄电池健康状态等信息,减少运维人员巡查工作量。同时可经干接点上传报警信息或经RS485上传实时运行数据,实现运维人员对电源设备及蓄电池状态的远程在线监测和可视化管理。
　　
　　2.5采用卷绕式蓄电池作为储能介质
　　
　　蓄电池作为不间断电源的储能介质,其环境适应性同样制约着电源的可靠、稳定运行。经广泛调研,卷绕式蓄电池具有良好的高低温特性,可在-55℃～+75℃的环境下正常工作,且具有可快速充电、大电流放电及运行寿命长等特点,可与上述UPS电源配套使用。
　　
　　三、现场应用
　　
　　牡佳高速铁路位于黑龙江东部高纬度严寒地图3蓄电池定期活化控制逻辑区,海拔80～800米之间,冬季平均气温零下19℃,极端天气下气温可达零下35～40℃。本课题研制的不间断电源(BUP3000S),先后在牡佳高速铁路沿线电力箱变完成部署,累计投入使用136台。设备自2021年投运至今,各项功能运行稳定,未发生电源低温保护、蓄电池无法可靠带载等运行故障。结合设备在现场的运行实际,其与传统UPS电源相比具有明显优势,见表2。
　　
　　四、结论
　　
　　本文通过上述对UPS电源及蓄电池管理策略的优化,提出了适用于高寒地区高铁箱变不间断电源的技术方案,并经试验验证可有效提高高寒地区恶劣运行环境下UPS的运行可靠性,降低运维成本,为高寒地区铁路UPS电源的应用与维护提供了技术支撑。
　　
　　作者简介
　　
　　佟岗,中国铁路哈尔滨局集团有限公司供电部高级工程师,主要研究方向铁路电力系统应用。
　　
　　陈桂雄,深圳蓝信电气有限公司工程师,主要研究方向为交流、直流不间断电源及蓄电池在线监测与维护。
　　
　　编辑：Harris