邢挺

摘 要：铁路电力远动箱变主要为铁路系统调度集中、大站电气集中联锁、自动闭塞、驼峰信号等I级负荷提供电源。铁路电力远动箱变一旦发生故障，将造成信号灯灭、列车堵塞等事故，打乱运输计划，甚至出现难以挽回的经济损失。从铁路电力远动箱变在全国范围内的运行情况来看，不间断电源（UPS）或多或少都出现了一些问题，是铁路电力远动箱变的薄弱环节。该文对铁路电力远动箱变内UPS出现的问题进行了详细分析，探讨其形成原因，针对这些问题提出了解决方案，为今后运行维护提供技术支持。

关键词：UPS；蓄电池；负载功率；三防处理

中图分类号：U238 文献标志码：A

1 问题分析

1.1 UPS使用环境温度问题

目前铁路电力箱变普遍使用的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-40 ℃。夏季室外气温高达45℃，而在箱变内温度更可达60 ℃以上。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2 kVA UPS 71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。再如哈满铁路配备了45台2 kVA的UPS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并频繁报警，待环境温度回升到-10 ℃以上时才能恢复供电。

1.2 粉尘与凝露造成的问题

据国内某大型UPS厂商统计，约30 %的UPS故障都与凝露、灰尘有关。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。图1是拉日铁路现场UPS粉尘情况的照片。

当UPS采用风冷散热时，会将空气中的粉尘吸入UPS内部。粉尘黏附在风扇或电路板上，影响UPS散热，并造成电路板短路的风险。图2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。如果湿度过高，在遇到冷气时，会在设备内形成水雾或细水珠，尤其是在南方潮湿的雨季，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12.5 mm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3为箱变内某品牌UPS内部灰尘及锈蚀情况。

1.3 蓄电池组维护问题

经过我们对铁路电力箱变内UPS配备的VRLA蓄电池研究，发现影响VRLA蓄电池组使用寿命的原因主要有2个方面：一是蓄电池自身特性决定的内在因素，二是外部环境及使用方法带来的外部因素。

1.3.1 影响VRLA蓄电池使用寿命的内在因素

1.3.1.1 失水

VRLA蓄电池为“贫液式”设计，其中的电解液量受到严格控制，且为出厂前一次性加注，一旦减少很难恢复。因此，当电解液中的水分减少到一定程度，就会引起VRLA蓄电池失效。

1.3.1.2 负极板硫化

VRLA蓄电池在充电过程中，负极消耗硫酸铅（PbSO4），生成海绵状铅（Pb）；在放电过程中，负极消耗海绵状铅（Pb）生成硫酸铅（PbSO4）。整个充放电过程应该完全可逆，在理想情况下，负极的活性物不会减少。但是，在实际运行过程中，如果放电后未及时充电，或者放电时间持续较长（例如小电流深度放电），或者长时间充电不足（例如长期搁置不用），由于硫酸铅本来在电解液中的溶解度较低，容易造成硫酸铅结晶，形成较大的结晶颗粒附着在极板上。当再次进行充电时，结晶后的硫酸铅很难参与反应，一方面直接减少了负极活性物使容量降低；另一方面，结晶后的硫酸铅附着在极板上，堵塞极板微孔，降低活性物有效面积，同时使电池内阻增大，降低电池容量。

1.3.1.3 正极板腐蚀

VRLA蓄电池充电后期，当正极荷电状态超过70 %以后，发生电解水反应。电解水在正极析氧，负极析氢。正极析出的氧气大部分扩散到负极被还原生成水，另一部分氧气将正极板氧化腐蚀，还有一部分通过安全阀排出电池正极析出的氧气大部分扩散到负极被还原生成水，另一部分氧气将正极板氧化腐蚀，还有一部分通过安全阀排出电池。

正极板腐蚀，由金属铅生成PbO2，需要耗氧氣，因此造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。PbO2的摩尔体积比铅的摩尔体积大21%，由于PbO2是铅经过固相反应氧化生成的，因此会在致密的腐蚀层中产生机械应力。因此，正极腐蚀严重时会出现正极增长变形，造成活性物与栅板脱落，甚至正极板失效。

1.3.1.4 热失控

当VRLA蓄电池电压超过正极板的析氧的电压（2.3 V），长时间大电流充电时，由于电解水产生大量气体。由于正极板产生的氧气可以扩散到负极被吸收，吸收氧气是明显的放热反应，电池的温度会因此提升。如果电池已经出现失水，玻璃纤维隔板的无酸孔隙增加，会加快氧循环速度，产生的热量会更多，电池温升也更高。而电池的温升也会加速正极板析氧，形成恶性循环——热失控。在热失控状态下，析氧量增加，电池内的气压增加，当达到塑料电池外壳的玻璃点温度的时候，电池开始鼓胀变型，这种变型除了影响电池内部的机械结构以外，还会形成电池漏气，而导致更加严重的失水漏酸。 尽管电池热失控现象发生的不多，但是一旦发生热失控，电池的寿命会迅速提前结束。

1.3.2 影响蓄电池使用寿命的外在因素

1.3.2.1 过充电

VRLA蓄电池过充使正极析氧，加速极板腐蚀，造成蓄电池失水，降低蓄电池容量。大量研究表明，蓄电池过充电超过5 %，连续工作120天，其寿命减少50 %，这点也可以从YTD/799—2010标准“过充电寿命试验”一节得到印证。按标准中的过充电试验条件：在25±5 ℃环境中，充电电流为0.02C10，对于通信基站常用的500AH蓄电池而言，相当于浮充电流为1 A时，连续工作30天，蓄电池的寿命将缩短1年。这实际上是利用过充电对蓄电池寿命的影响来完成蓄电池寿命的加速测试。

1.3.2.2 过放电

VRLA蓄电池过放电，会造成负极硫酸铅结晶，形成很难参加充电反应的大颗粒硫酸铅（俗称负极硫酸盐化），造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，实际应用中应该尽量避免蓄电池过放电。

1.3.2.3 充电不足

VRLA蓄电池长期充电不足，也会加速负极硫酸盐化，造成负极活性物减少，内阻增加，降低蓄电池容量。因此，一旦电池组出现放電，应尽快给电池组充电。对于浮充应用的VRLA蓄电池组，要尽量保持电池组浮充电压的一致性，避免个别单体电池电压偏低长期处于充电不足的状态，造成容量下降。

1.3.2.4 环境温度

环境温度对蓄电池寿命和容量的影响是显而易见的。通常认为，环境温度以25 ℃为参考点，每上升10 ℃，长时间工作蓄电池寿命降低50 %。当以环境温度0 ℃为参考点时，每降低10 ℃，长时间工作蓄电池容量降低20 %，当低于-20 ℃时VRLA蓄电池容量基本为0。通信行业标准YTD/799—2010中，对高温加速浮充寿命试验给出了具体方法，对于设计寿命为8年的蓄电池，60 ℃±2 ℃连续工作240天其寿命终止。

因此，铁路箱变中UPS电源所配备的VRAL蓄电池运行环境温度对其造成很大的影响；对VRLA蓄电池的实时检测、定期维护管理工作变得至关重要。但铁路沿线电力箱变数量庞大且分布区域广，工区维护人员较少，天窗点等时间限制使其不能够形成一套完整的维护体系，很难实现全面的维护管理工作，这也是铁路电力箱变UPS蓄电池寿命降低的主要因素之一。

1.4 负载功率匹配问题

用户应根据所用设备的负荷量统计值来选择所需的UPS输出功率（kVA值），为了确保UPS系统的效率，尽可能地延长UPS的使用寿命，一般建议在线式UPS电源选取额定功率的70 %～80 %的负载量。因此，最好不要按照UPS不间断电源额定功率使用它。长期处于满载状态，会造成UPS不间断电源逆变器及整流滤波器的过热，影响UPS的使用寿命。比如负载总功率达到600 VA时，选用UPS 650 VA就不合适了，而1 kVA左右的UPS更适合。这样可以延长UPS不间断电源的使用寿命。一般铁路电力箱变中UPS电源的容量选型会在1 kVA～5 kVA，可根据实际现场测量，箱变内正常运行的情况下负载会在60 W～110 W，如石太客专沿线电力箱变UPS为60 W；津秦高铁电力箱变UPS为80 W；在正常运行不进行分合闸操作的情况下的负载只有RTU、指示灯、仪表和二次回路中间继电器等。而负载太小对设备会有影响，如此长期小负载运行，会造成空载现象，空载会导致逆变电路和电池损坏，或者对电路产生较多的谐波，谐波的存在易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动以及在通信系统内产生声频干扰，严重时将威胁通信设备及人身安全。

UPS应根据负载性质选用负载容量和余量。UPS负载一般分为线性负载和非线性负载。不同性质的负载有不同的功率因数和峰值因数，所以选择UPS时，必须考虑负载的性质。

铁路电力箱变中UPS的负载既有非线性负载也有感性负载，正常运行时负载较小，而需要进行分合闸操作时瞬时峰值因数比较高，所以在选择负载容量还应考虑不同负载的冲击电流，通常UPS的峰值因数为3︰1，适合电脑等非线性负载在正常工作中的峰值因数要求。但当冲击较大时，UPS等供电设备的电流容量乘以3后还不足以满足负载的瞬间电流要求。在这种情况下需要考虑增加供电设备的容量，从而提高电流提供能力。因此在选择UPS容量时需要考虑负载波动及冲击余量，适当增大UPS余量以抵御负载的波动。

由此可见，铁路电力箱变UPS因负载特性的不同应减少负载容量增，大冲击余量，使其能够在不同负载特性条件下稳定运行。

1.5 设计余量问题

对于1 kVA～5 kVA UPS，生产厂家出于对成本考虑，各项设计余量都会留得比较小，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）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。3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。

（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）电容器质量参差不齐， UPS电容器质量直接影响应对感性负载的能力，有的厂商由于成本原因，选用过于临界的电容器，在恶劣环境中电容老化严重，降低其负载能力不能应对铁路电力箱变中UPS的负载特性，无法满足冲击余量要求，以至于无法对箱变内操作机构，塑壳断路器等进行分合闸操作。

2 解决方案

2.1 采用新材质、新技术提高设备的抗高、低温能力

通过器件的选材提高硬件的耐高、低温的能力，如果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40 W，新设计功率为80 W，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。

2.2 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，采用油浸的工艺，确保线路板和电子元器件引脚都能得到充分防护。

进风口加装可以拆卸防尘网，减少粉尘的进入，防止因凝露、粉尘造成电路板的短路故障。同时免去运维单位拆卸UPS清理灰尘工序，只需将防尘网拆卸清理即可。

2.3 采用智能型蓄电池管理系统

可根據蓄电池特性进行自动调节式的均充、恒压、恒流充电方式的转换，也可监测蓄电池放电过程到临界值自动停止。避免出现过放电、过充电和充电不足等外部条件对蓄电池使用寿命的影响。 .

智能自动活化管理：无需人工干预的蓄电池活化管理系统。能够定期自动对UPS的蓄电池组进行浅放电活化，激活蓄电池电离子活跃性。避免快充电、快放电的方式对蓄电池造成容量衰减使用寿命降低等问题，通过芯片对蓄电池容量（AH）和放电电流做精准计算，使其浅放电控制在电池容量的25%左右（预留剩余电量应对现场紧急供电需求），免去了蓄电池维护对各运营单位人力物力资源的消耗和工作负担。

采用线核容系统：即可定期核算蓄电池健康状况和实际剩余容量，能够通过485通信，现场巡检等方式对UPS蓄电池实际的健康状况直观地做出评估，对存在问题的蓄电池可以做到提前发现，提前更换，大大提高了设备运行的稳定性、可靠性。大幅减少运维难度，有效提高了蓄电池问题的排查能力，如图4所示。

2.4 增大电路板及器件的设计裕量

选用铁硅磁芯的电感，解决铁粉芯电感老化问题。

提高IGBT的带载容量选择，解决了带冲击性负载或过载时IGBT损坏问题。加大了电路板铜箔截面和间距，提高抗短路能力。

选用日本红宝石等国际顶尖品牌铝制电容器。增强承受瞬时冲击电流余量，降低环境温度对电容器容量的衰减，增强UPS带感性负载的能力。

UPS在设计时，电源输入侧增设滤波电路，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。

2.5 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”。

3 结论

通过上述理论分析，提出了解决铁路电力箱变UPS常见问题的有效措施，为UPS的良好运行提供了保证。

参考文献

[1]潘军.蓄电池充电系统的研究与设计[D].南京航空航天大学，2009.

[2]王其英，何春华.UPS工作原理与实用技术[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[3]张延聪.UPS电源蓄电池的正确使用与维护[J].煤炭科技，2006（3）：31-32.