UPS作为电力箱变两路10kV交流电源全部故障停电时备用控制工作电源,在铁路供电系统中具有重要意义。近年来,电力箱变UPS故障频发,对铁路可靠供电产生严重影响。据石家庄供电段统计,石太客运专线2009年4月1日开通至今,箱变内UPS共发生故障高达数百次,甚至同一UPS多次发生故障。电力箱变用UPS频繁故障的问题,在其它高速铁路电力箱变运行中也频繁发生。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台出现过故障,故障率25.4%,严重危胁了高铁行车安全。
　　
　　1 故障原因分析
　　
　　(1)高温差环境
　　
　　目前铁路10kV电力箱变采用的UPS主要是针对数据中心或办公室内的IT设备而设计的,它的运行环境温度在0～40℃[1]。虽然电力箱变内安装加热器和风扇来控制温度,但由于箱变是金属外壳,导温能力强,故箱变内温度主要受到环境温度的影响[2]。环境温度与箱变内温度关系曲线见图1。
　　
　　对于京沪高铁某区段箱变UPS一年内的故障率高达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,导致开关管因过热而炸机。太行山区的朔黄铁路配备了36套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,即因低温导致UPS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。
　　
　　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℃[3],蓄电池的建议使用温度为5℃～30℃,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,高温差严重影响了UPS所配阀控密封铅酸蓄电池的运行寿命。
　　
　　(2)粉尘与凝露
　　
　　据国内某大型UPS厂商统计,其1～10kVAUPS的故障原因中,接近30%的UPS故障都与凝露、灰尘有关。由于成本、环保及工艺复杂等原因,传统UPS厂商很少对其电路板做防潮、防腐、防尘的三防处理。而铁路电力箱变所处环境普遍比较恶劣,这是UPS故障的一个重要原因。
　　
　　UPS在工作时会产生一定的热量,采用风冷散热时,UPS便具有了“吸尘器”功能,会将空气中的粉尘吸入UPS内部。粉尘一旦粘附在风扇或电路板上,不仅影响UPS散热,并可能造成电路板短路。京沪高铁箱变UPS电路板因粉尘导致的短路故障,见图2。
　　
　　铁路电力箱变一般在户外使用,箱变内虽装设温湿度调节系统,但其主要受外部环境的影响。而传统UPS一般按照IEC529-598规定的IP20等级设计,对外物入侵进行了防护,但对水或湿气无特殊防护。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,结露极易造成电路板短路。
　　
　　(3)电网谐波
　　
　　由于电力电子技术的发展,大功率整流在电气化铁道得到广泛的应用,其产生的谐波对电力设备、电力用户和通信线路等产生了严重的影响。
　　
　　京广线、京山线自闭电力线路都发生过因谐波严重造成相序翻转。传统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箱变时,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。
　　
　　(4)设计裕量不足
　　
　　对于1～5kVA小功率段的UPS,生产厂家基于成本考量,各项设计裕量都会留得比较小,元器件选型时也是尽量选择可用又最便宜的。一是电路板多采用单层板设计,电流密度和安规距离都比较小。二是电感磁芯很大都选用铁粉类的磁芯,长时间运行，磁芯性能会逐渐下降，电感量会逐渐降低[4]。当电感量降低到一定程度,电感就会完全失效,导致机器炸机。正常铁粉类磁芯电感如图3,老化后铁粉类电感的如图4。
　　

　　2 新型UPS设计原则
　　
　　(1)高温差环境运行可靠性高
　　
　　新型UPS系统为适应高温差环境特点,其在选材上要选用具有耐高、低温的能力的元器件。同时在设计过程中要增设温控单元,利用温控系统来保持自身工作温度,以满足在铁路不同地区高温差外部运行环境下正常工作。
　　
　　(2)技术性能和产品结构先进
　　
　　新型UPS系统的主要技术性能指标除应满足相应的国家标准,符合UPS系统所列技术条件外,主要性能参数还应达到国内先进水平,以实现降低损耗,延长设备寿命的原则。
　　
　　(3)运行状态稳定可靠
　　
　　新型UPS系统是保证铁路电力可靠供电的装置，是铁路供电的重要设备，因此其必须具有寿命长，高可靠性的特点，以满足运行要求，实现可靠供电。
　　
　　3 新型UPS设计研发
　　
　　(1)UPS的主体及功能设计
　　
　　①适应高温差能力设计
　　
　　为提高新型UPS对高温差的适应能力,所有器件均选用耐高、低温的能力的工业级元器件。辅助电源采用比较大的裕量设计，将功率由之前的40W提高到80W，这样可以保证低温下的工作可靠性。
　　
　　同时新型UPS设置温度控制单元,以单片机作为控制系统的CPU,通过温度传感器监测环境温度,利用加热器和可调速风扇实现对自身工作的环境的控制,以实现自身工作温度处于正常范围内,确保在高温差环境下可靠工作。
　　
　　②电路板的三防处理
　　
　　针对铁路电力箱变运行环境恶劣及电路板短路问题,新型UPS在制作时所有的电路板都进行了防尘、防潮、防腐的环保三防漆处理。进风口加装了防尘网,以减少粉尘的进入,防止因凝露、粉尘造成电路板的短路故障。
　　
　　③增加电源滤波模块
　　
　　新型UPS在设计制造时,电源输入侧增设滤波电路,主要是滤掉3、5、7、9次谐波及峰值电压,减少因BUS电压超过规定值而引起的UPS自动关机问题[5]。系统电路如图5所示。
　　
　　④增加设计裕量
　　
　　新UPS在设计时,增大电路板及器件的设计裕量。选用铁硅磁芯的电感,解决铁粉芯电感因使用时间长引起的老化问题,如图6所示。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,IGBT全部选用40A/1200V规格,电流裕量大(额定电流10A),抗冲击性负载能力强。加大电路板铜铂截面和间距,提高抗短路能力。
　　
　　⑤远程监控与维护
　　
　　传统UPS在运行中未纳入集中监控系统,日常对其巡检的工作量十分庞大,因此远程监控与维护功能就变得尤为重要。新型UPS设计有以太网接口,并附有监控卡,可方便提供网络远程监控,实现总线集中管理。通过对UPS的远程监控,监控中心可以实时了解UPS运行状态。
　　
　　(2)卷绕式铅酸蓄电池的选用
　　
　　新型UPS采用卷绕式铅酸蓄电池,由于卷绕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[6],如图7所示。因此在高温下,其基本不存在冒气冒泡的现象,在低温下,其更没有液态酸可冰冻,因此也不存在电流输出减少的问题,根据美国SAE测试标准,卷绕蓄电池可在-40～65℃范围内安全快速起动和牵引工作,而普通蓄电池的适用温度范围一般在-5～40℃。由此可见,相对于我国的北方寒冷的气候和南方炎热的气候而言,则使用卷绕蓄电池将会更安全可靠。
　　
　　4 新型UPS的检测与实际应用
　　
　　新型电力箱变专用UPS在完成厂内试验后,委托深圳市亿博检测中心参照GB/T2423.1-2008和GB2423.2-2008的要求对其进行了高温和低温运行试验,在-40℃～60℃环境温度下UPS带载运行正常,检测试验通过。
　　
　　为了测试其在实际工况下的运行状态,新型UPS分别安装于石太客专线电力箱变和石家庄货迁电力箱变内。7月份在环境温度39℃的情况下,货迁箱变内温度为54℃,检测发现新型不间断电源工作正常,高温性能试验通过。石太客专线12月份在环境温度-23℃的情况下,模拟箱变内两路10kV电源同时停电,利用新型UPS对箱变内高、低压设备进行操作及启动,新型UPS工作正常,低温性能试验通过。
　　
　　5 结束语
　　
　　新型电力箱变UPS在具备传统UPS的功能上,在耐高温差、电路板三防、滤波、增加裕量及选用新型电池等方面进行了优化设计。新型UPS通过了第三方测试机构的检测,并在实际现场中进行了应用,性能优良,满足铁路电力箱变的运行环境要求,具有良好推广前景。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]高明,夏幸福.UPS电源故障及维护技术实践探究[J].电子世界,2020(15):26.
　　
　　[2]费广标.35kV箱式变电站模式设[M].中国电力出版社,2003.
　　
　　[3]郝春兵,张淑蓉.贫液式阀控铅酸蓄电池在变电站中的运行维护[J].今日科苑,2008(22):67-68.
　　
　　[4]刘亚丕,石康.软磁磁粉芯和烧结软磁材料:结构、性能、特点和应用[J].磁性材料及器件,2020(03):66-68.
　　
　　[5]李忠坤.高压直流供电系统中不间断电源的研究与设计[D].东南大学,2017.
　　
　　[6]戴长松,伊廷锋.卷绕式铅酸电池的研究发展状况[J].电源技术,2004(9):583-586.
　　
　　作者简介
　　
　　张乐乐,中国铁路北京局集团有限公司石家庄供电段,助理工程师。研究方向:铁路供电。
　　
　　编辑：Harris