石太客运专线是我国较早的一条高速铁路线路,于2009年正式通车运营,至今已运行3年多。石太客运专线的电力系统共有电力箱变120台,分布在191.806公里的铁路沿线,为石太客运专线沿线的行车设备提供工作电源。

石太客运专线在电力箱变内安装了UPS(不间断电源)设备。UPS设备的输入电源是通过双电源切换装置引自箱变内的一级贯通侧和综合贯通侧的低压回路,如图1所示。UPS的输出电源主要为以下设备供电:

图1  箱变内UPS输入和输出示意图

(1)为箱变内的高、低压开关,提供二次保护电源和操作电源;

(2)为箱变内电力远动装置RTU,提供工作电源;

(3)为箱变内烟感装置、凝露装置等,提供工作电源;

(4)为箱变内的各类指示灯,提供工作电源。

1   电力箱变内UPS的作用

电力箱变内安装UPS为二次系统提供不间断电源,在铁路电力系统中属于新技术,为铁路电力系统的可靠运行提供了保障。主要作用有以下几个方面:

(1)远动设备RTU使用UPS提供的不间断电源后，铁路一级贯通或综合贯通侧在一路因故障或检修停电时，双切换装置在进行电源切换的过程中,不会导致远动设备短暂失电而停止运行或重新启动。

(2)在铁路一级和综合贯通两路电源均停电的故障情况下,为远动设备和高、低压开关提供电源,实现远程监控功能,极大地缩短了故障处理时间,保障了高速铁路的可靠供电。

(3)为箱变内二次保护系统提供了更加可靠的保护电源。

2   UPS故障的原因

箱变内UPS自安装调试以来,前两年设备运行情况稳定可靠,但是到了第三年设备故障不断发生,经过对故障情况进行整理和分析,主要有两个方面:

(1)蓄电池寿命缩短的问题

①石太客运专线电力箱变内UPS蓄电池采用的都是阀控式密封铅酸蓄电池,也就是俗称的免维护蓄电池。这种蓄电池具有体积小、重量轻、自放电小、维护少、寿命长、使用方便、对环境无腐蚀和污染等优点。按照厂家的原设计,这种蓄电池使用寿命为5年,但是仅仅过了3年就出现了蓄电池容量不足、内部短路等情况。

经了解,这种蓄电池的使用寿命极大地依赖于工作温度,当温度增加时,加速极板的腐蚀和失水,电池的容量下降,寿命也随之缩短。一般电池生产厂家要求的最佳环境温度是在20℃～25℃之间,环境温度一旦超过25℃,每升高10℃,电池的寿命就要缩短一半。环境温度的提高,会导致电池内部化学活性增强,从而产生大量的热能,又会反过来促使周围环境温度升高,这种恶性循环,会加速缩短电池的寿命。电力箱变密闭性较强,散热效果差,箱变内的电气设备较多,散发的大量热量排出不畅,且UPS一般都放置在箱变的低压柜内,空间非常狭小,更加不利于散热。另外电力箱变的金属外壳热传导能力强,夏季阳光充足的情况下,箱变内温度可达到50℃以上。上述种种原因都造成了蓄电池在较高的环境温度下容量减少,寿命缩短。

②影响蓄电池寿命的另一个重要因素是对蓄电池的日常维护。免维护蓄电池只是免除了以往的测比重、配比重、定时添加蒸馏水的工作,要保证蓄电池的寿命依然要进行必要的维护,主要是对蓄电池做定期放电试验。石太客运专线的UPS长期处于浮充状态,日久就会导致电池化学能与电能相互转化的活性降低,加速老化而缩短使用寿命。按厂家的建议每隔2～3个月应进行一次放电操作,让长期处于浮充的蓄电池组进行自激活,提高其活性物质的活性,提高其放电性能及寿命。但是石太客运专线是全封闭的线路,电力箱变都在铁路防护网内,平时是禁止入内的。日常的设备维修任务要在三天一次的天窗点内进行,在这样短的时间内,对全线的UPS蓄电池进行充放电作业无法开展,这种情况下就忽略了对蓄电池的维护,缩短了蓄电池的寿命。

(2)UPS内电路板故障

2012年石太客运专线UPS的电路板发生了6起故障,经过分析主要与UPS的选型有关,目前所用的UPS属于民用级,不适用于石太客运专线的运行环境,主要体现在以下几方面:

①目前石太客运专线所用的民用级UPS元器件标称的使用环境温度一般为0℃～40℃,而石太客运专线所在的太行山地区常年气温在-25℃～50℃之间,这样的环境,民用级UPS很难满足长期稳定运行的要求。

②据国内统计,在1～10kVA功率段UPS的故障原因中,有30%左右与电路板的腐蚀有关。而石太客运专线的电力箱变内没有较好防尘、防凝露等措施,运行环境比较恶劣。没有对电路板进行防潮、防腐、防尘处理的民用级UPS很难满足长期稳定运行的要求。经过对现场UPS的检查发现:散热风扇和电路板上都积累了大量的灰尘,不利于UPS的正常运行。由于石太客运专线的天窗点时间较短,对UPS的除尘工作无法开展,也加剧了灰尘对UPS主机带来的影响。

③普通UPS都是针对普通工业电网和民用电网设计和测试的,电网谐波含量相对较低,但是铁路电网谐波含量较高,特别是有机车经过时,对电网电压的冲击也比较大,其电能质量普遍低于普通工业电网和民用电网,这必然对UPS的运行带来不利的影响。

3   解决的办法及建议

针对以上对石太客运专线UPS及蓄电池故障情况的分析,可以采取以下几方面措施来改变当前UPS故障较多、蓄电池寿命缩短的现状:

(1)使用适用于石太客运专线恶劣运行环境的工业级UPS,提高对高低温、重污染、电源质量差等恶劣环境的耐受能力。

(2)建议采用耐高温、耐低温缠绕式结构的蓄电池,确保在石太客运专线地区温差较大的环境下,蓄电池有较长的使用寿命。

(3)制定对UPS设备的日常维护措施和规章制度,对UPS设备进行必要的维护,将UPS的检修纳入到年度设备检修计划中,优化设备检修作业程序,充分提高天窗点的利用率,UPS的检修作业可以在其它作业的间隙中同时进行。

(4)充分利用UPS设备本身自带的通信功能,可考虑与相关厂家进行协调,将UPS设备纳入到既有的电力远动系统,从电力远动主站对UPS进行远程监控。在电力远动主站由调度值班人员对蓄电池进行定期的远程充放电操作,这样既可以节省人力又可以在短时间内完成整条线路的UPS及蓄电池的充放电维护工作。

随着近年来高速铁路的建设,UPS设备也大量在铁路电力系统中应用。如何更加合理地使用和维护UPS设备、延长UPS设备的寿命,对铁路电力专业来说仍然是一个新的课题,需在今后的运行中不断提高和完善。（御风）