高速铁路CTCS2、CTCS3列控系统及沿线分部的大量信号基站、通讯基站、光纤直放站依靠沿线10kV一级电力贯通线及10kV综合电力贯通线来供电，对供电的可靠性提岀了很高的要求。为了满足信号基站、通讯基站、光纤直放站用电，高速铁路沿线设置了大量电力箱变。为了满足供电可靠性，对供配电室、电力箱变采用SCADA系统进行监控，实现对配电室、电力箱变设备运行状态的遥控、遥测、遥信、遥调、遥视、保护及调度管理并辅助完成事故分析及处理。
　　
　　为了保证电力箱变的可靠运行，箱变内安装了UPS和阀控式密封铅酸蓄电池，作为电力箱变控制工作电源的备用电源。箱变内UPS主要作用是：①为远动设备RTU的使用提供电源，在10kV一级电力贯通线或10kV综合电力贯通线其中一路因故障或检修停电，两路电源在进行切换的过程中，不会导致远动设备短暂失电而停止运行或重新起动。②在一级10kV电力贯通线和10kV综合电力贯通线两路电源均停电的情况下，为远动设备和低压开关提供工作电源，实现远程监控功能。③为箱变内二次保护系统提供更加可靠的工作电源。电力箱变所配UPS容量为1～5kVA。
　　
　　1 目前高铁电力箱变UPS存在的问题
　　
　　据石家庄供电段统计，石太客运专线2009年4月1日开通到2012年底,电力箱变内UPS共发生故障84起，有些箱变UPS自开通后发生两、三次故障。电力箱变用UPS频发故障的问题，在其它高速铁路电力箱变运行中也频繁发生。据高铁电力箱变生产厂家反映，每年现场售后需更换故障UPS达两百多台。UPS故障的频繁发生严重威胁了高铁行车安全。经过对发生故障的UPS分解、分析，故障原因主要有以下几个方面。
　　
　　(1) UPS使用环境温度问题
　　
　　目前高铁电力箱变使用的UPS是针对数据中心或办公室内的IT设备而设计的，适用运行环境温度一般为0℃～40℃。由于我国南北温差较大，在华北、东北、西北地区冬季环境温度在－20℃上下，个别地区可达―30℃，夏季室外气温高达39℃。由于高铁电力箱变是金属外壳，传导能力强，在华北地区冬季,箱内温度在-20℃左右。在夏季箱变内温度可达50～60℃左右。恶劣的使用环境超出了传统UPS的设计使用条件，导致UPS不能起动、保护性关机或损坏。如京沪高铁某区段箱变使用的2kVAUPS71台，高铁开通一年内先后有18台出现故障，故障率达25.4%。生产厂商对故障机器进行分析后发现，其中15台由于箱变内温度过高，超出UPS的正常工作温度范围，导致开关管过热而损坏。再如朔黄线铁路配备了36台2kVA的UPS给沿线红外线测试设备供电。夏季时工作正常，但冬天气温降至－20℃以下时，即出现因低温导致的保护性自动关机，待环境温度回升到－10℃以上时才能恢复供电。
　　
　　(2) 粉尘与凝露造成的问题
　　
　　据国内某大型UPS厂商统计，其1~10kVAUPS的故障原因中，约30%的故障都与凝露、灰尘有关。由于成本、环保及工艺复杂等原因，对商用UPS不做三防处理,其故障率不是很高，而铁路电力箱变的使用环境普遍比较恶劣，这是故障多发的一个重要原因。
　　
　　当UPS采用风冷散热时，会将空气中的粉尘吸入UPS内部。粉尘粘附在风扇或电路板上，影响UPS散热，并有造成电路板短路的风险。图1为京沪高铁箱变UPS电路板因粉尘导致的短路故障的照片。
　　
　　　　
　　UPS对环境湿度有严格的要求，要求使用环境湿度10～90%RH不能结露。若湿度过高,在遇冷气时,会在设备内形成水雾或细水珠，尤其在南方潮湿的雨季，结露容易造成电路板短路。商用UPS一般按照IEC529-598规定的IP20等级设计，即可以防止直径大于12.5mm的外物侵入，防止手指接触内部零件，没有对湿度的防护要求。高速铁路电力使用的UPS装于箱变内,在户外使用，箱变内没有温湿度调节系统，使用环境恶劣。图2为箱变内某品牌UPS内部灰尘及锈蚀情况。
　　
　　
　　(3) 电网谐波问题
　　
　　由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上的广泛应用，包括大功率整流在电气化铁道的应用，使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路等的有害影响已经十分严重,必须认真对待。笔者曾经对京广线望都车站自闭信号变压器低压380V侧的三相谐波含量进行过测试，通过对测试数据频谱分析可以看出，各相电压5次谐波很严重。A相电压5次谐波的含量为11.4％，超过标准7.4％，电压总的谐波畸变率为11.8％，超过标准6.8％；B相电压5次谐波的含量为10.9％，超过标准6.9％，电压总的谐波畸变率为11.7％，超过标准6.7％；C相电压5次谐波的含量为7.4％，超过标准3.4％，电压总的谐波畸变率为7.9％，超过标准2.9％。高速铁路两路10kV贯通线路都是电力电缆，电力电缆的对地电容比架空线路大得多，故电缆的谐波谐振和放大产生于较架空线低的谐波次数,而谐波源产生的低次谐波含量又较大，更易激励较大的谐振和放大。使电源质量更加恶劣。商用UPS都是针对普通工业电网和民用电网设计的，当将其直接用于供电质量较差的铁路电网时，必然会出现很多以前在普通工业电网和民用电网的应用中不曾出现过的故障表现。当输入电源峰值电压大于360V，峰值电压会通过整流二极管直灌UPS的直流母线，导致UPS直流母线高压故障报警并导致关机。
　　
　　有些区段电力配电室因找不到第二路电源，将牵引变电所27.5kV电源降到10kV做为贯通电源使用。笔者在塑黄线滴流磴车站信号电源室对接牵引27.5kV/10kV贯通电源谐波含量进行了随机测试，结果如下：①A相电压频谱分析结果的各次谐波数据：5次谐波为4.4%、7次谐波为4.2%，超过了奇次谐波不超过4%的规定；②B相电压频谱分析结果的各次谐波数据：7次谐波为7.1%、25次谐波为4.4%、27次谐波为5.7%，超过了奇次谐波不超过4%的规定。电压谐波总畸变率5.0%，电压谐波总畸变率超过了5%的规定；③C相电压频谱分析结果的各次谐波数据：5次谐波为6.6%、7次谐波为8.3%1、23次谐波为4.4%、27次谐波为4.7%，超过了奇次谐波不超过4%的规定；④电压谐波总畸变率为5.6%，超过了电压谐波总畸变率5%的s规定。经实际测试峰值冲击尖峰电压达到500V左右,结果造成信号楼装的UPS因直流BUS过高导致UPS报直流母线高压故障并保护性关机。在接用这种电源的UPS给红外线监测系统供电时都遇到过类似的问题。
　　
　　(4) 设计裕量问题
　　
　　对于1~5kVAUPS，生产厂家基于成本考虑，各项设计裕量都会留得比较小，为了降低成本，元器件选型时多选用临界规格的产品，会产生以下问题。
　　
　　①电路板多采用单层板设计，电流密度和安规距离都比较小。
　　
　　②一般生产厂商由于成本原因，电感磁芯往往选用铁粉类的磁芯。铁粉类的磁芯有一个致命缺陷，即老化问题。这类磁芯随着使用时间的推移，磁芯性能会逐渐下降，电感量会逐渐降低。当电感量降低到一定程度时，电感就会完全失效，导致机器故障。一般三年左右，铁粉类磁芯的电感的寿命就差不多了。当机器长时间带重载或工作环境温度比较高，电感老化问题会更严重。UPS铁粉类电感老化后的照片见图3。正常铁粉类磁芯电感见图4。
　　
　　

　　
　　③有的厂商为了降低生产成本,IGBT选型规格过于临界，当UPS在带冲击性负载或过载时容易造成IGBT击穿。
　　
　　④部分元器件超规使用，如京沪高铁使用某品牌UPS严重不良，主要表现是无充电电压，经厂家内部分析故障原因是：为了节省成本，提高了风扇的供电电压，使得风扇超规工作，从而缩短了使用寿命，最终导致开关管过热而损坏。类似小裕量低成本的设计，对于一般常规的应用可能没有问题，但铁路的使用环境和电网质量要恶劣和复杂得多，不加改进直接使用会有极大的风险。
　　
　　(5) 雷击与零地电压问题
　　
　　雷击是导致电子产品故障的主要原因之一。IEC61000-4-5对电子类产品防雷等级定义如表1所示。UPS防护等级有按2级设计的,也有按4级设计的，即在电源输入端口放置压敏电阻或气体放电管来吸收雷击脉冲能量，进而避免电源内的半导体器件损坏。
　　
　　　　
　　在室内应用场合，雷击脉冲经配电系统衰减后才能到达UPS的输入端，由于电力箱变暴露在户外，存在被雷电直接击中的可能。如果系统防雷措施不够完善，耐雷击电压较低,UPS将直接承受雷击带来的电压与电流冲击，导致UPS损坏。
　　
　　在三相四线制供电中,中线输岀点直接接地,称为零线。理论上零地电压为零伏。零地电压的产生是由于三相不平衡负荷产生的基波电流以及3次谐波和3N次谐波产生的高次谐波电流。当此电流在零线上流动时,它与零线电阻的乘积就是电流流过零线时的压降。零线上的压降就是所谓的零地电压。在网络机房运行中零地电压要求小于2V。超过此值,UPS内设置的零地电压监测电路就会起动,使UPS退出运行。
　　
　　(6) 蓄电池使用环境温度问题
　　
　　在高速铁路电力箱变使用的UPS所配蓄电池，为贫液式阀控密封铅酸蓄电池。阀控密封铅酸蓄电池允许使用环境温度范围为-15～45℃，蓄电池的建议使用温度为5～30℃。温度对蓄电池使用寿命的影响很大，温度升高将加速蓄电池内部水分的分解，在恒压充电时，高的室温环境，充电电流将增大，导致过充电。电池长期在超过标准温度下运行，则温度升高10℃,蓄电池的寿命约降低一半。在低温充电时，将产生氢气，使内压增高，电解液减少，蓄电池的使用寿命缩短。高速铁路使用的箱变运行环境温度在-20～55℃的环境内，夏季箱变内温度可达50℃～60℃。冬季箱变内温度在－20℃以下。在这种温度下,传统蓄电池会因为在低温下内阻增大，使电池不能进行正常的充放电。而在高温下造成蓄电池严重失水和膨胀变形，这些都影响了UPS所配阀控密封铅酸蓄电池的运行寿命。阀控密封铅酸蓄电池使用说明书指出，蓄电池的最佳使用环境温度为20℃～25℃，环境温度每升高10℃，电池的寿命就缩短一半。当温度增加时，会加速极板的腐蚀和失水，电池的容量下降，寿命随之缩短。另外环境温度的提高，会导致电池内部化学性增强，从而产生热能，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。另外UPS输入电源谐波的存在也是电池老化的另一原因。
　　
　　2 解决方案
　　
　　由于UPS技术是一项实用技术，国内外各大电源公司、生产厂家以及科研院所都在对其进行研究。国外已经将许多先进技术应用到实际系统中，生产出了许多知名品牌的UPS。国内对UPS关键技术的研究，主要集中在少数知名院校，且大多数处在实验阶段，没能将它们应用到实际系统中去。从目前国内市场上看，国内生产厂商基本不能生产大型UPS，大型UPS市场几乎全部被国外公司占领。对于中小型UPS来说，虽然国内许多生产厂家都在对其进行研究，但其产品的可靠性和性能远远不如国外的同类产品。整个中小型UPS市场90％以上被国外公司占领，且没有针对野外运行环境开发的高铁电力箱变专用UPS。
　　
　　根据以上对UPS各种故障原因分析，北京铁路局石家庄供电段于2013年在北京铁路局立项研制高铁电力箱变专用UPS。经过与合作方武汉申炜科技有限公司、厦门天力进岀口有限公司反复研究论证以及在现场运行试验过程中的反馈意见，在新UPS设计时，确定以下的技术方案。
　　
　　(1) 通过器件的选材提高硬件的耐高、低温的能力，如辅助电源芯片选用军工级的，可以工作到-40℃。电阻采用陶瓷电阻，辅助电源采用比较大的裕量设计，平时正常功率为40W，新设计功率为80W，这样可以保证低温下工作的可靠性。采用风扇调速技术,在温度低的时候风扇转速降低，机器工作温度上升,自动提高转速加大风量。在高加速寿命试验（HALT）中存在低温不能启机的问题，通过排查解决了低温下辅助电源自动关机的原因，满足了-40℃启机。新设备内设置专门的温度控制单元，提高风扇带载能力，满足铁路的-40～60℃的运行环境。
　　
　　(2) 电路板的三防处理
　　
　　所有的电路板都进行防尘、防潮、防腐的环保三防处理。进风口加装防尘网，减少粉尘的进入，防止因凝露、粉尘造成电路板的短路故障。
　　
　　(3)新UPS在设计时,电源输入测增设滤波电路，抑制输入电源的谐波电压峰值，减少因直流电压过高而引起的UPS自动关机故障，提高蓄电池的使用寿命。
　　
　　(4)增大电路板及器件的设计裕量。选用如图5所示的铁硅磁芯的电感，解决铁粉芯电感老化问题。提高IGBT的带载容量选择,解决带冲击性负载或过载时IGBT损坏问题。加大电路板铜箔截面和间距，提高抗短路能力。
　　
　　　
　　(5) 防雷及零地电压的解决
　　
　　在箱变中变压器二次侧一般为TN-C接线，为了解决UPS的防雷问题,在箱变配电系统中采用A、B、C三级防雷的方法，经过三级防雷将电压限制在1500V以下，一般在700V以下,满足一般电子设备的要求。新UPS防护等级按4级4000V设计。这样就保证了UPS的防雷运行安全。
　　
　　不同的应用环境，对零地电压的要求不同。一般来说，网络机房、服务器等应用环境，对零地电压的限制比较严格，零地电压要求小于2V。超过此值UPS内设置的零地电压监测电路就会起动退出运行。据有关单位及专家对多地机房零地电压长时间监测，零地电压迖到20多伏时,设备长时间运行都很正常,并未发生过问题。有些专家提出10V作为零地电压允许标准。对于电力箱变内UPS来讲，其负荷主要是电动开关、RTU等设备,零地电压高低并不影响设备的运行。新UPS在设计时，不再考虑设置零地电压监测电路。这样UPS具备了更广扩的适用范围。
　　
　　(6)采用卷绕式铅酸蓄电池。由于卷绕式铅酸蓄电池采用了螺旋卷绕技术，其极板与极板之间的间隙极小，且其酸是固体酸，并能被玻璃纤维网所吸附，整个结构是很紧密的。因此在高温下，基本不存在冒气冒泡的现象，在低温下，没有液态酸可冰冻，因此不存在电流输出减少的问题。根据美国SAE测试标准，卷绕式铅酸蓄电池可在-55～75℃范围内安全工作。可见相对于我国的北方寒冷的天气和南方炎热的天气而言，使用卷绕式铅酸蓄电池将会更安全可靠，实现“免维护”。
　　
　　(7) 増设远程监控功能
　　
　　高铁沿线电力箱变内配置的UPS未纳入远程监控系统，在运行中无法掌握UPS的运行状态，往往是发生问题不能及时发现和处理。因此，UPS增加远程监控功能就变得非常重要。UPS一般具有标配的以太网接口，可方便提供网络远程监控，实现总线集中管理。通过UPS远程监控功能，监控中心可以实时了解UPS输入电压电流、输出电压电流、电池电压、保护是否运行正常。一旦发现UPS运行异常,可以采取相应措施。因此建议设计单位在设计时将UPS纳入远程监控系统,UPS采用双机并列运行方式,提高UPS运行可靠性,笔者在塑黄线红外线监测系统UPS设计中,采用了这种供电方式，运行效果较为理想。
　　
　　3 运行效果
　　
　　新研制的UPS在2013年5月份委托深圳市亿博检测中心参照GB/T2423.1-2008和GB2423.2-2008的要求,对研制的UPS进行了高温和低温试验，在-40～60℃环境下,UPS带载运行正常。2013年10月份委托河北省产品质量监督检验院对卷绕式蓄电池进行了检验，主要针对常温1C放电容量、低温-40℃放电容量、低温-40℃0.2C放电容量、高温60℃IC放电容量、高温60℃0.2C放电容量进行了检测。在低温－40℃时放电时间达到202min，在高温60℃时放电时间达到313min，满足铁路电力要求的放电时间不小于2h的规定。
　　
　　2012年11月石家庄供电段阳泉北车间将新型UPS安装在石太客运专线K100+300箱变内进行试运行。2013年4月石家庄供电段石南供电车间将新型UPS安装在石家庄货迁线26#箱变内进行试运行。上述试运行地点经过春夏秋冬四季，设备运行正常，没有发生任何故障。2013年12月5日在石太高铁环境温度-19℃的情况下模拟箱变两路10kV电源同时停电，利用新型UPS对箱内高、低压设备进行操作，UPS运行正常满足了使用要求。新型高速铁路10kV电力箱变专用UPS不仅满足高速铁路的运行要求，而且还能满足低速铁路电力箱变及车辆段红外线监测系统的运行环境要求，具有良好推广前景。