高速鐵路CTCS2、CTCS3列控係統及沿線分部的大量信號基站、通訊基站、光纖直放站依靠沿線10kV一級電力貫通線及10kV綜合電力貫通線來供電，對供電的可靠性提岀了很高的要求。為了滿足信號基站、通訊基站、光纖直放站用電，高速鐵路沿線設置了大量電力箱變。為了滿足供電可靠性，對供配電室、電力箱變采用SCADA係統進行監控，實現對配電室、電力箱變設備運行狀態的遙控、遙測、遙信、遙調、遙視、保護及調度管理並輔助完成事故分析及處理。

為了保證電力箱變的可靠運行，箱變內安裝了UPS和閥控式密封鉛酸蓄電池，作為電力箱變控製工作電源的備用電源。箱變內UPS主要作用是：①為遠動設備RTU的使用提供電源，在10kV一級電力貫通線或10kV綜合電力貫通線其中一路因故障或檢修停電，兩路電源在進行切換的過程中，不會導致遠動設備短暫失電而停止運行或重新起動。②在一級10kV電力貫通線和10kV綜合電力貫通線兩路電源均停電的情況下，為遠動設備和低壓開關提供工作電源，實現遠程監控功能。③為箱變內二次保護係統提供更加可靠的工作電源。電力箱變所配UPS容量為1～5kVA。

　　1 目前高鐵電力箱變UPS存在的問題

據石家莊供電段統計，石太客運專線2009年4月1日開通到2012年底,電力箱變內UPS共發生故障84起，有些箱變UPS自開通後發生兩、三次故障。電力箱變用UPS頻發故障的問題，在其它高速鐵路電力箱變運行中也頻繁發生。據高鐵電力箱變生產廠家反映，每年現場售後需更換故障UPS達兩百多台。UPS故障的頻繁發生嚴重威脅了高鐵行車安全。經過對發生故障的UPS分解、分析，故障原因主要有以下幾個方麵。

(1) UPS使用環境溫度問題

目前高鐵電力箱變使用的UPS是針對數據中心或辦公室內的IT設備而設計的，適用運行環境溫度一般為0℃～40℃。由於我國南北溫差較大，在華北、東北、西北地區冬季環境溫度在－20℃上下，個別地區可達―30℃，夏季室外氣溫高達39℃。由於高鐵電力箱變是金屬外殼，傳導能力強，在華北地區冬季,箱內溫度在-20℃左右。在夏季箱變內溫度可達50～60℃左右。惡劣的使用環境超出了傳統UPS的設計使用條件，導致UPS不能起動、保護性關機或損壞。如京滬高鐵某區段箱變使用的2kVAUPS71台，高鐵開通一年內先後有18台出現故障，故障率達25.4%。生產廠商對故障機器進行分析後發現，其中15台由於箱變內溫度過高，超出UPS的正常工作溫度範圍，導致開關管過熱而損壞。再如朔黃線鐵路配備了36台2kVA的UPS給沿線紅外線測試設備供電。夏季時工作正常，但冬天氣溫降至－20℃以下時，即出現因低溫導致的保護性自動關機，待環境溫度回升到－10℃以上時才能恢複供電。

(2) 粉塵與凝露造成的問題

據國內某大型UPS廠商統計，其1~10kVAUPS的故障原因中，約30%的故障都與凝露、灰塵有關。由於成本、環保及工藝複雜等原因，對商用UPS不做三防處理,其故障率不是很高，而鐵路電力箱變的使用環境普遍比較惡劣，這是故障多發的一個重要原因。

當UPS采用風冷散熱時，會將空氣中的粉塵吸入UPS內部。粉塵粘附在風扇或電路板上，影響UPS散熱，並有造成電路板短路的風險。圖1為京滬高鐵箱變UPS電路板因粉塵導致的短路故障的照片。

UPS對環境濕度有嚴格的要求，要求使用環境濕度10～90%RH不能結露。若濕度過高,在遇冷氣時,會在設備內形成水霧或細水珠，尤其在南方潮濕的雨季，結露容易造成電路板短路。商用UPS一般按照IEC529-598規定的IP20等級設計，即可以防止直徑大於12.5mm的外物侵入，防止手指接觸內部零件，沒有對濕度的防護要求。高速鐵路電力使用的UPS裝於箱變內,在戶外使用，箱變內沒有溫濕度調節係統，使用環境惡劣。圖2為箱變內某品牌UPS內部灰塵及鏽蝕情況。

(3) 電網諧波問題

由於電力電子技術的發展及其在工業和交通部門以及用電設備上的廣泛應用，包括大功率整流在電氣化鐵道的應用，使得諧波對電力設備、電力用戶和通信線路等的有害影響已經十分嚴重,必須認真對待。筆者曾經對京廣線望都車站自閉信號變壓器低壓380V側的三相諧波含量進行過測試，通過對測試數據頻譜分析可以看出，各相電壓5次諧波很嚴重。A相電壓5次諧波的含量為11.4％，超過標準7.4％，電壓總的諧波畸變率為11.8％，超過標準6.8％；B相電壓5次諧波的含量為10.9％，超過標準6.9％，電壓總的諧波畸變率為11.7％，超過標準6.7％；C相電壓5次諧波的含量為7.4％，超過標準3.4％，電壓總的諧波畸變率為7.9％，超過標準2.9％。高速鐵路兩路10kV貫通線路都是電力電纜，電力電纜的對地電容比架空線路大得多，故電纜的諧波諧振和放大產生於較架空線低的諧波次數,而諧波源產生的低次諧波含量又較大，更易激勵較大的諧振和放大。使電源質量更加惡劣。商用UPS都是針對普通工業電網和民用電網設計的，當將其直接用於供電質量較差的鐵路電網時，必然會出現很多以前在普通工業電網和民用電網的應用中不曾出現過的故障表現。當輸入電源峰值電壓大於360V，峰值電壓會通過整流二極管直灌UPS的直流母線，導致UPS直流母線高壓故障報警並導致關機。

有些區段電力配電室因找不到第二路電源，將牽引變電所27.5kV電源降到10kV做為貫通電源使用。筆者在塑黃線滴流磴車站信號電源室對接牽引27.5kV/10kV貫通電源諧波含量進行了隨機測試，結果如下：①A相電壓頻譜分析結果的各次諧波數據：5次諧波為4.4%、7次諧波為4.2%，超過了奇次諧波不超過4%的規定；②B相電壓頻譜分析結果的各次諧波數據：7次諧波為7.1%、25次諧波為4.4%、27次諧波為5.7%，超過了奇次諧波不超過4%的規定。電壓諧波總畸變率5.0%，電壓諧波總畸變率超過了5%的規定；③C相電壓頻譜分析結果的各次諧波數據：5次諧波為6.6%、7次諧波為8.3%1、23次諧波為4.4%、27次諧波為4.7%，超過了奇次諧波不超過4%的規定；④電壓諧波總畸變率為5.6%，超過了電壓諧波總畸變率5%的s規定。經實際測試峰值衝擊尖峰電壓達到500V左右,結果造成信號樓裝的UPS因直流BUS過高導致UPS報直流母線高壓故障並保護性關機。在接用這種電源的UPS給紅外線監測係統供電時都遇到過類似的問題。

(4) 設計裕量問題

對於1~5kVAUPS，生產廠家基於成本考慮，各項設計裕量都會留得比較小，為了降低成本，元器件選型時多選用臨界規格的產品，會產生以下問題。

①電路板多采用單層板設計，電流密度和安規距離都比較小。

②一般生產廠商由於成本原因，電感磁芯往往選用鐵粉類的磁芯。鐵粉類的磁芯有一個致命缺陷，即老化問題。這類磁芯隨著使用時間的推移，磁芯性能會逐漸下降，電感量會逐漸降低。當電感量降低到一定程度時，電感就會完全失效，導致機器故障。一般三年左右，鐵粉類磁芯的電感的壽命就差不多了。當機器長時間帶重載或工作環境溫度比較高，電感老化問題會更嚴重。UPS鐵粉類電感老化後的照片見圖3。正常鐵粉類磁芯電感見圖4。

③有的廠商為了降低生產成本,IGBT選型規格過於臨界，當UPS在帶衝擊性負載或過載時容易造成IGBT擊穿。

④部分元器件超規使用，如京滬高鐵使用某品牌UPS嚴重不良，主要表現是無充電電壓，經廠家內部分析故障原因是：為了節省成本，提高了風扇的供電電壓，使得風扇超規工作，從而縮短了使用壽命，最終導致開關管過熱而損壞。類似小裕量低成本的設計，對於一般常規的應用可能沒有問題，但鐵路的使用環境和電網質量要惡劣和複雜得多，不加改進直接使用會有極大的風險。

(5) 雷擊與零地電壓問題

雷擊是導致電子產品故障的主要原因之一。IEC61000-4-5對電子類產品防雷等級定義如表1所示。UPS防護等級有按2級設計的,也有按4級設計的，即在電源輸入端口放置壓敏電阻或氣體放電管來吸收雷擊脈衝能量，進而避免電源內的半導體器件損壞。

在室內應用場合，雷擊脈衝經配電係統衰減後才能到達UPS的輸入端，由於電力箱變暴露在戶外，存在被雷電直接擊中的可能。如果係統防雷措施不夠完善，耐雷擊電壓較低,UPS將直接承受雷擊帶來的電壓與電流衝擊，導致UPS損壞。

在三相四線製供電中,中線輸岀點直接接地,稱為零線。理論上零地電壓為零伏。零地電壓的產生是由於三相不平衡負荷產生的基波電流以及3次諧波和3N次諧波產生的高次諧波電流。當此電流在零線上流動時,它與零線電阻的乘積就是電流流過零線時的壓降。零線上的壓降就是所謂的零地電壓。在網絡機房運行中零地電壓要求小於2V。超過此值,UPS內設置的零地電壓監測電路就會起動,使UPS退出運行。

(6) 蓄電池使用環境溫度問題

在高速鐵路電力箱變使用的UPS所配蓄電池，為貧液式閥控密封鉛酸蓄電池。閥控密封鉛酸蓄電池允許使用環境溫度範圍為-15～45℃，蓄電池的建議使用溫度為5～30℃。溫度對蓄電池使用壽命的影響很大，溫度升高將加速蓄電池內部水分的分解，在恒壓充電時，高的室溫環境，充電電流將增大，導致過充電。電池長期在超過標準溫度下運行，則溫度升高10℃,蓄電池的壽命約降低一半。在低溫充電時，將產生氫氣，使內壓增高，電解液減少，蓄電池的使用壽命縮短。高速鐵路使用的箱變運行環境溫度在-20～55℃的環境內，夏季箱變內溫度可達50℃～60℃。冬季箱變內溫度在－20℃以下。在這種溫度下,傳統蓄電池會因為在低溫下內阻增大，使電池不能進行正常的充放電。而在高溫下造成蓄電池嚴重失水和膨脹變形，這些都影響了UPS所配閥控密封鉛酸蓄電池的運行壽命。閥控密封鉛酸蓄電池使用說明書指出，蓄電池的最佳使用環境溫度為20℃～25℃，環境溫度每升高10℃，電池的壽命就縮短一半。當溫度增加時，會加速極板的腐蝕和失水，電池的容量下降，壽命隨之縮短。另外環境溫度的提高，會導致電池內部化學性增強，從而產生熱能，又會反過來促使周圍環境溫度升高，這種惡性循環，會加速縮短電池的壽命。另外UPS輸入電源諧波的存在也是電池老化的另一原因。

2 解決方案

由於UPS技術是一項實用技術，國內外各大電源公司、生產廠家以及科研院所都在對其進行研究。國外已經將許多先進技術應用到實際係統中，生產出了許多知名品牌的UPS。國內對UPS關鍵技術的研究，主要集中在少數知名院校，且大多數處在實驗階段，沒能將它們應用到實際係統中去。從目前國內市場上看，國內生產廠商基本不能生產大型UPS，大型UPS市場幾乎全部被國外公司占領。對於中小型UPS來說，雖然國內許多生產廠家都在對其進行研究，但其產品的可靠性和性能遠遠不如國外的同類產品。整個中小型UPS市場90％以上被國外公司占領，且沒有針對野外運行環境開發的高鐵電力箱變專用UPS。

根據以上對UPS各種故障原因分析，北京鐵路局石家莊供電段於2013年在北京鐵路局立項研製高鐵電力箱變專用UPS。經過與合作方武漢申煒科技有限公司、廈門天力進岀口有限公司反複研究論證以及在現場運行試驗過程中的反饋意見，在新UPS設計時，確定以下的技術方案。

(1) 通過器件的選材提高硬件的耐高、低溫的能力，如輔助電源芯片選用軍工級的，可以工作到-40℃。電阻采用陶瓷電阻，輔助電源采用比較大的裕量設計，平時正常功率為40W，新設計功率為80W，這樣可以保證低溫下工作的可靠性。采用風扇調速技術,在溫度低的時候風扇轉速降低，機器工作溫度上升,自動提高轉速加大風量。在高加速壽命試驗（HALT）中存在低溫不能啟機的問題，通過排查解決了低溫下輔助電源自動關機的原因，滿足了-40℃啟機。新設備內設置專門的溫度控製單元，提高風扇帶載能力，滿足鐵路的-40～60℃的運行環境。

(2) 電路板的三防處理

所有的電路板都進行防塵、防潮、防腐的環保三防處理。進風口加裝防塵網，減少粉塵的進入，防止因凝露、粉塵造成電路板的短路故障。

(3)新UPS在設計時,電源輸入測增設濾波電路，抑製輸入電源的諧波電壓峰值，減少因直流電壓過高而引起的UPS自動關機故障，提高蓄電池的使用壽命。

(4)增大電路板及器件的設計裕量。選用如圖5所示的鐵矽磁芯的電感，解決鐵粉芯電感老化問題。提高IGBT的帶載容量選擇,解決帶衝擊性負載或過載時IGBT損壞問題。加大電路板銅箔截麵和間距，提高抗短路能力。

(5) 防雷及零地電壓的解決

在箱變中變壓器二次側一般為TN-C接線，為了解決UPS的防雷問題,在箱變配電係統中采用A、B、C三級防雷的方法，經過三級防雷將電壓限製在1500V以下，一般在700V以下,滿足一般電子設備的要求。新UPS防護等級按4級4000V設計。這樣就保證了UPS的防雷運行安全。

不同的應用環境，對零地電壓的要求不同。一般來說，網絡機房、服務器等應用環境，對零地電壓的限製比較嚴格，零地電壓要求小於2V。超過此值UPS內設置的零地電壓監測電路就會起動退出運行。據有關單位及專家對多地機房零地電壓長時間監測，零地電壓迖到20多伏時,設備長時間運行都很正常,並未發生過問題。有些專家提出10V作為零地電壓允許標準。對於電力箱變內UPS來講，其負荷主要是電動開關、RTU等設備,零地電壓高低並不影響設備的運行。新UPS在設計時，不再考慮設置零地電壓監測電路。這樣UPS具備了更廣擴的適用範圍。

(6)采用卷繞式鉛酸蓄電池。由於卷繞式鉛酸蓄電池采用了螺旋卷繞技術，其極板與極板之間的間隙極小，且其酸是固體酸，並能被玻璃纖維網所吸附，整個結構是很緊密的。因此在高溫下，基本不存在冒氣冒泡的現象，在低溫下，沒有液態酸可冰凍，因此不存在電流輸出減少的問題。根據美國SAE測試標準，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55～75℃範圍內安全工作。可見相對於我國的北方寒冷的天氣和南方炎熱的天氣而言，使用卷繞式鉛酸蓄電池將會更安全可靠，實現“免維護”。

(7) 増設遠程監控功能

高鐵沿線電力箱變內配置的UPS未納入遠程監控係統，在運行中無法掌握UPS的運行狀態，往往是發生問題不能及時發現和處理。因此，UPS增加遠程監控功能就變得非常重要。UPS一般具有標配的以太網接口，可方便提供網絡遠程監控，實現總線集中管理。通過UPS遠程監控功能，監控中心可以實時了解UPS輸入電壓電流、輸出電壓電流、電池電壓、保護是否運行正常。一旦發現UPS運行異常,可以采取相應措施。因此建議設計單位在設計時將UPS納入遠程監控係統,UPS采用雙機並列運行方式,提高UPS運行可靠性,筆者在塑黃線紅外線監測係統UPS設計中,采用了這種供電方式，運行效果較為理想。

　　3 運行效果

新研製的UPS在2013年5月份委托深圳市億博檢測中心參照GB/T2423.1-2008和GB2423.2-2008的要求,對研製的UPS進行了高溫和低溫試驗，在-40～60℃環境下,UPS帶載運行正常。2013年10月份委托河北省產品質量監督檢驗院對卷繞式蓄電池進行了檢驗，主要針對常溫1C放電容量、低溫-40℃放電容量、低溫-40℃0.2C放電容量、高溫60℃IC放電容量、高溫60℃0.2C放電容量進行了檢測。在低溫－40℃時放電時間達到202min，在高溫60℃時放電時間達到313min，滿足鐵路電力要求的放電時間不小於2h的規定。

2012年11月石家莊供電段陽泉北車間將新型UPS安裝在石太客運專線K100+300箱變內進行試運行。2013年4月石家莊供電段石南供電車間將新型UPS安裝在石家莊貨遷線26#箱變內進行試運行。上述試運行地點經過春夏秋冬四季，設備運行正常，沒有發生任何故障。2013年12月5日在石太高鐵環境溫度-19℃的情況下模擬箱變兩路10kV電源同時停電，利用新型UPS對箱內高、低壓設備進行操作，UPS運行正常滿足了使用要求。新型高速鐵路10kV電力箱變專用UPS不僅滿足高速鐵路的運行要求，而且還能滿足低速鐵路電力箱變及車輛段紅外線監測係統的運行環境要求，具有良好推廣前景。

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