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高速鐵路CTCS2、CTCS3列控系統(tǒng)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(shè)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系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，實現(xiàn)對配電室、電力箱變設(shè)備運行狀態(tài)的遙控、遙測、遙信、遙調(diào)、遙視、保護(hù)及調(diào)度管理并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(nèi)安裝了UPS和閥控式密封鉛酸蓄電池，作為電力箱變控制工作電源的備用電源。箱變內(nèi)UPS主要作用是：①為遠(yuǎn)動設(shè)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(jìn)行切換的過程中，不會導(dǎo)致遠(yuǎn)動設(shè)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(yuǎn)動設(shè)備和低壓開關(guān)提供工作電源，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。③為箱變內(nèi)二次保護(hù)系統(tǒng)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(jù)石家莊供電段統(tǒng)計，石太客運專線2009年4月1日開通到2012年底,電力箱變內(nèi)UPS共發(fā)生故障84起，有些箱變UPS自開通后發(fā)生兩、三次故障。電力箱變用UPS頻發(fā)故障的問題，在其它高速鐵路電力箱變運行中也頻繁發(fā)生。據(jù)高鐵電力箱變生產(chǎn)廠家反映，每年現(xiàn)場售后需更換故障UPS達(dá)兩百多臺。UPS故障的頻繁發(fā)生嚴(yán)重威脅了高鐵行車安全。經(jīng)過對發(fā)生故障的UPS分解、分析，故障原因主要有以下幾個方面。
(1) UPS使用環(huán)境溫度問題
目前高鐵電力箱變使用的UPS是針對數(shù)據(jù)中心或辦公室內(nèi)的IT設(shè)備而設(shè)計的，適用運行環(huán)境溫度一般為0℃～40℃。由于我國南北溫差較大，在華北、東北、西北地區(qū)冬季環(huán)境溫度在－20℃上下，個別地區(qū)可達(dá)―30℃，夏季室外氣溫高達(dá)39℃。由于高鐵電力箱變是金屬外殼，傳導(dǎo)能力強(qiáng)，在華北地區(qū)冬季,箱內(nèi)溫度在-20℃左右。在夏季箱變內(nèi)溫度可達(dá)50～60℃左右。惡劣的使用環(huán)境超出了傳統(tǒng)UPS的設(shè)計使用條件，導(dǎo)致UPS不能起動、保護(hù)性關(guān)機(jī)或損壞。如京滬高鐵某區(qū)段箱變使用的2kVAUPS71臺，高鐵開通一年內(nèi)先后有18臺出現(xiàn)故障，故障率達(dá)25.4%。生產(chǎn)廠商對故障機(jī)器進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，其中15臺由于箱變內(nèi)溫度過高，超出UPS的正常工作溫度范圍，導(dǎo)致開關(guān)管過熱而損壞。再如朔黃線鐵路配備了36臺2kVA的UPS給沿線紅外線測試設(shè)備供電。夏季時工作正常，但冬天氣溫降至－20℃以下時，即出現(xiàn)因低溫導(dǎo)致的保護(hù)性自動關(guān)機(jī)，待環(huán)境溫度回升到－10℃以上時才能恢復(fù)供電。
(2) 粉塵與凝露造成的問題
據(jù)國內(nèi)某大型UPS廠商統(tǒng)計，其1~10kVAUPS的故障原因中，約30%的故障都與凝露、灰塵有關(guān)。由于成本、環(huán)保及工藝復(fù)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(huán)境普遍比較惡劣，這是故障多發(fā)的一個重要原因。
當(dāng)UPS采用風(fēng)冷散熱時，會將空氣中的粉塵吸入UPS內(nèi)部。粉塵粘附在風(fēng)扇或電路板上，影響UPS散熱，并有造成電路板短路的風(fēng)險。圖1為京滬高鐵箱變UPS電路板因粉塵導(dǎo)致的短路故障的照片。
UPS對環(huán)境濕度有嚴(yán)格的要求，要求使用環(huán)境濕度10～90%RH不能結(jié)露。若濕度過高,在遇冷氣時,會在設(shè)備內(nèi)形成水霧或細(xì)水珠，尤其在南方潮濕的雨季，結(jié)露容易造成電路板短路。商用UPS一般按照IEC529-598規(guī)定的IP20等級設(shè)計，即可以防止直徑大于12.5mm的外物侵入，防止手指接觸內(nèi)部零件，沒有對濕度的防護(hù)要求。高速鐵路電力使用的UPS裝于箱變內(nèi),在戶外使用，箱變內(nèi)沒有溫濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使用環(huán)境惡劣。圖2為箱變內(nèi)某品牌UPS內(nèi)部灰塵及銹蝕情況。
(3) 電網(wǎng)諧波問題
由于電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)和交通部門以及用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，包括大功率整流在電氣化鐵道的應(yīng)用，使得諧波對電力設(shè)備、電力用戶和通信線路等的有害影響已經(jīng)十分嚴(yán)重,必須認(rèn)真對待。筆者曾經(jīng)對京廣線望都車站自閉信號變壓器低壓380V側(cè)的三相諧波含量進(jìn)行過測試，通過對測試數(shù)據(jù)頻譜分析可以看出，各相電壓5次諧波很嚴(yán)重。A相電壓5次諧波的含量為11.4％，超過標(biāo)準(zhǔn)7.4％，電壓總的諧波畸變率為11.8％，超過標(biāo)準(zhǔn)6.8％；B相電壓5次諧波的含量為10.9％，超過標(biāo)準(zhǔn)6.9％，電壓總的諧波畸變率為11.7％，超過標(biāo)準(zhǔn)6.7％；C相電壓5次諧波的含量為7.4％，超過標(biāo)準(zhǔn)3.4％，電壓總的諧波畸變率為7.9％，超過標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生于較架空線低的諧波次數(shù),而諧波源產(chǎn)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(zhì)量更加惡劣。商用UPS都是針對普通工業(yè)電網(wǎng)和民用電網(wǎng)設(shè)計的，當(dāng)將其直接用于供電質(zhì)量較差的鐵路電網(wǎng)時，必然會出現(xiàn)很多以前在普通工業(yè)電網(wǎng)和民用電網(wǎng)的應(yīng)用中不曾出現(xiàn)過的故障表現(xiàn)。當(dāng)輸入電源峰值電壓大于360V，峰值電壓會通過整流二極管直灌UPS的直流母線，導(dǎo)致UPS直流母線高壓故障報警并導(dǎo)致關(guān)機(jī)。
有些區(qū)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(jìn)行了隨機(jī)測試，結(jié)果如下：①A相電壓頻譜分析結(jié)果的各次諧波數(shù)據(jù)：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(guī)定；②B相電壓頻譜分析結(jié)果的各次諧波數(shù)據(jù)：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(guī)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(guī)定；③C相電壓頻譜分析結(jié)果的各次諧波數(shù)據(jù)：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(guī)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(guī)定。經(jīng)實際測試峰值沖擊尖峰電壓達(dá)到500V左右,結(jié)果造成信號樓裝的UPS因直流BUS過高導(dǎo)致UPS報直流母線高壓故障并保護(hù)性關(guān)機(jī)。在接用這種電源的UPS給紅外線監(jiān)測系統(tǒng)供電時都遇到過類似的問題。
(4) 設(shè)計裕量問題
對于1~5kVAUPS，生產(chǎn)廠家基于成本考慮，各項設(shè)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(guī)格的產(chǎn)品，會產(chǎn)生以下問題。
①電路板多采用單層板設(shè)計，電流密度和安規(guī)距離都比較小。
②一般生產(chǎn)廠商由于成本原因，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(dāng)電感量降低到一定程度時，電感就會完全失效，導(dǎo)致機(jī)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(dāng)機(jī)器長時間帶重載或工作環(huán)境溫度比較高，電感老化問題會更嚴(yán)重。UPS鐵粉類電感老化后的照片見圖3。正常鐵粉類磁芯電感見圖4。
③有的廠商為了降低生產(chǎn)成本,IGBT選型規(guī)格過于臨界，當(dāng)UPS在帶沖擊性負(fù)載或過載時容易造成IGBT擊穿。
④部分元器件超規(guī)使用，如京滬高鐵使用某品牌UPS嚴(yán)重不良，主要表現(xiàn)是無充電電壓，經(jīng)廠家內(nèi)部分析故障原因是：為了節(jié)省成本，提高了風(fēng)扇的供電電壓，使得風(fēng)扇超規(guī)工作，從而縮短了使用壽命，最終導(dǎo)致開關(guān)管過熱而損壞。類似小裕量低成本的設(shè)計，對于一般常規(guī)的應(yīng)用可能沒有問題，但鐵路的使用環(huán)境和電網(wǎng)質(zhì)量要惡劣和復(fù)雜得多，不加改進(jìn)直接使用會有極大的風(fēng)險。
(5) 雷擊與零地電壓問題
雷擊是導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障的主要原因之一。IEC61000-4-5對電子類產(chǎn)品防雷等級定義如表1所示。UPS防護(hù)等級有按2級設(shè)計的,也有按4級設(shè)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沖能量，進(jìn)而避免電源內(nèi)的半導(dǎo)體器件損壞。
在室內(nèi)應(yīng)用場合，雷擊脈沖經(jīng)配電系統(tǒng)衰減后才能到達(dá)UPS的輸入端，由于電力箱變暴露在戶外，存在被雷電直接擊中的可能。如果系統(tǒng)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沖擊，導(dǎo)致UPS損壞。
在三相四線制供電中,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(chǎn)生是由于三相不平衡負(fù)荷產(chǎn)生的基波電流以及3次諧波和3N次諧波產(chǎn)生的高次諧波電流。當(dāng)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(wǎng)絡(luò)機(jī)房運行中零地電壓要求小于2V。超過此值,UPS內(nèi)設(shè)置的零地電壓監(jiān)測電路就會起動,使UPS退出運行。
(6) 蓄電池使用環(huán)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(huán)境溫度范圍為-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(nèi)部水分的分解，在恒壓充電時，高的室溫環(huán)境，充電電流將增大，導(dǎo)致過充電。電池長期在超過標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生氫氣，使內(nèi)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(huán)境溫度在-20～55℃的環(huán)境內(nèi)，夏季箱變內(nèi)溫度可達(dá)50℃～60℃。冬季箱變內(nèi)溫度在－20℃以下。在這種溫度下,傳統(tǒng)蓄電池會因為在低溫下內(nèi)阻增大，使電池不能進(jìn)行正常的充放電。而在高溫下造成蓄電池嚴(yán)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(huán)境溫度為20℃～25℃，環(huán)境溫度每升高10℃，電池的壽命就縮短一半。當(dāng)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(huán)境溫度的提高，會導(dǎo)致電池內(nèi)部化學(xué)性增強(qiáng)，從而產(chǎn)生熱能，又會反過來促使周圍環(huán)境溫度升高，這種惡性循環(huán)，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
由于UPS技術(shù)是一項實用技術(shù)，國內(nèi)外各大電源公司、生產(chǎn)廠家以及科研院所都在對其進(jìn)行研究。國外已經(jīng)將許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到實際系統(tǒng)中，生產(chǎn)出了許多知名品牌的UPS。國內(nèi)對UPS關(guān)鍵技術(shù)的研究，主要集中在少數(shù)知名院校，且大多數(shù)處在實驗階段，沒能將它們應(yīng)用到實際系統(tǒng)中去。從目前國內(nèi)市場上看，國內(nèi)生產(chǎn)廠商基本不能生產(chǎn)大型UPS，大型UPS市場幾乎全部被國外公司占領(lǐng)。對于中小型UPS來說，雖然國內(nèi)許多生產(chǎn)廠家都在對其進(jìn)行研究，但其產(chǎn)品的可靠性和性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如國外的同類產(chǎn)品。整個中小型UPS市場90％以上被國外公司占領(lǐng)，且沒有針對野外運行環(huán)境開發(fā)的高鐵電力箱變專用UPS。
根據(jù)以上對UPS各種故障原因分析，北京鐵路局石家莊供電段于2013年在北京鐵路局立項研制高鐵電力箱變專用UPS。經(jīng)過與合作方武漢申煒科技有限公司、廈門天力進(jìn)岀口有限公司反復(fù)研究論證以及在現(xiàn)場運行試驗過程中的反饋意見，在新UPS設(shè)計時，確定以下的技術(shù)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(shè)計，平時正常功率為40W，新設(shè)計功率為80W，這樣可以保證低溫下工作的可靠性。采用風(fēng)扇調(diào)速技術(shù),在溫度低的時候風(fēng)扇轉(zhuǎn)速降低，機(jī)器工作溫度上升,自動提高轉(zhuǎn)速加大風(fēng)量。在高加速壽命試驗（HALT）中存在低溫不能啟機(jī)的問題，通過排查解決了低溫下輔助電源自動關(guān)機(jī)的原因，滿足了-40℃啟機(jī)。新設(shè)備內(nèi)設(shè)置專門的溫度控制單元，提高風(fēng)扇帶載能力，滿足鐵路的-40～60℃的運行環(huán)境。
(2) 電路板的三防處理
所有的電路板都進(jìn)行防塵、防潮、防腐的環(huán)保三防處理。進(jìn)風(fēng)口加裝防塵網(wǎng)，減少粉塵的進(jìn)入，防止因凝露、粉塵造成電路板的短路故障。
(3)新UPS在設(shè)計時,電源輸入測增設(shè)濾波電路，抑制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(guān)機(jī)故障，提高蓄電池的使用壽命。
(4)增大電路板及器件的設(shè)計裕量。選用如圖5所示的鐵硅磁芯的電感，解決鐵粉芯電感老化問題。提高IGBT的帶載容量選擇,解決帶沖擊性負(fù)載或過載時IGBT損壞問題。加大電路板銅箔截面和間距，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(cè)一般為TN-C接線，為了解決UPS的防雷問題,在箱變配電系統(tǒng)中采用A、B、C三級防雷的方法，經(jīng)過三級防雷將電壓限制在1500V以下，一般在700V以下,滿足一般電子設(shè)備的要求。新UPS防護(hù)等級按4級4000V設(shè)計。這樣就保證了UPS的防雷運行安全。
不同的應(yīng)用環(huán)境，對零地電壓的要求不同。一般來說，網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、服務(wù)器等應(yīng)用環(huán)境，對零地電壓的限制比較嚴(yán)格，零地電壓要求小于2V。超過此值UPS內(nèi)設(shè)置的零地電壓監(jiān)測電路就會起動退出運行。據(jù)有關(guān)單位及專家對多地機(jī)房零地電壓長時間監(jiān)測，零地電壓迖到20多伏時,設(shè)備長時間運行都很正常,并未發(fā)生過問題。有些專家提出10V作為零地電壓允許標(biāo)準(zhǔn)。對于電力箱變內(nèi)UPS來講，其負(fù)荷主要是電動開關(guān)、RTU等設(shè)備,零地電壓高低并不影響設(shè)備的運行。新UPS在設(shè)計時，不再考慮設(shè)置零地電壓監(jiān)測電路。這樣UPS具備了更廣擴(kuò)的適用范圍。
(6)采用卷繞式鉛酸蓄電池。由于卷繞式鉛酸蓄電池采用了螺旋卷繞技術(shù)，其極板與極板之間的間隙極小，且其酸是固體酸，并能被玻璃纖維網(wǎng)所吸附，整個結(jié)構(gòu)是很緊密的。因此在高溫下，基本不存在冒氣冒泡的現(xiàn)象，在低溫下，沒有液態(tài)酸可冰凍，因此不存在電流輸出減少的問題。根據(jù)美國SAE測試標(biāo)準(zhǔn)，卷繞式鉛酸蓄電池可在-55～75℃范圍內(nèi)安全工作。可見相對于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(xiàn)“免維護(hù)”。
(7) 増設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能
高鐵沿線電力箱變內(nèi)配置的UPS未納入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在運行中無法掌握UPS的運行狀態(tài)，往往是發(fā)生問題不能及時發(fā)現(xiàn)和處理。因此，UPS增加遠(yuǎn)程監(jiān)控功能就變得非常重要。UPS一般具有標(biāo)配的以太網(wǎng)接口，可方便提供網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)總線集中管理。通過UPS遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，監(jiān)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(hù)是否運行正常。一旦發(fā)現(xiàn)UPS運行異常,可以采取相應(yīng)措施。因此建議設(shè)計單位在設(shè)計時將UPS納入遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),UPS采用雙機(jī)并列運行方式,提高UPS運行可靠性,筆者在塑黃線紅外線監(jiān)測系統(tǒng)UPS設(shè)計中,采用了這種供電方式，運行效果較為理想。
3 運行效果
新研制的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,對研制的UPS進(jìn)行了高溫和低溫試驗，在-40～60℃環(huán)境下,UPS帶載運行正常。2013年10月份委托河北省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院對卷繞式蓄電池進(jìn)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(jìn)行了檢測。在低溫－40℃時放電時間達(dá)到202min，在高溫60℃時放電時間達(dá)到313min，滿足鐵路電力要求的放電時間不小于2h的規(guī)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(nèi)進(jìn)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(nèi)進(jìn)行試運行。上述試運行地點經(jīng)過春夏秋冬四季，設(shè)備運行正常，沒有發(fā)生任何故障。2013年12月5日在石太高鐵環(huán)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(nèi)高、低壓設(shè)備進(jìn)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(jiān)測系統(tǒng)的運行環(huán)境要求，具有良好推廣前景。
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