一、问题的提出
　　
　　高速铁路的列车行驶是靠CTCS2、CTCS3列控系统控制来实现的。为了确保列控系统的正常运行,铁路沿线建有大量信号基站、通讯基站、光纤直放站。这些基站、光纤直放站的工作电源依靠沿线10kV一级电力贯通线及10kV综合电力贯通线来供电。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50～60km建有一座10kV电力配电室,配电室的一次系统见图1。
　　
　　铁路沿线2～3km设置一处电力箱变。电力箱变由10kV一级负荷贯通线和10kV综合负荷贯通线同时供电,低压侧分别给负载供电并互为备用,见图2。
　　
　　为了满足供电可靠性，对沿线供信号基站、通讯基站、光纤直放站供电的配电室、电力箱变采用SCADA系统进行监控，实现对配电室及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。
　　
　　为了保证电力箱变控制系统的可靠运行,在箱变内配置了容量1～5kVA的UPS电源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。电力箱变内所配UPS电源的主要作用:
　　
　　1）为远动设备RTU提供备用电源，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启动。
　　
　　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,为远动设备和低压断路器提供操作电源,实现远程操控功能。
　　
　　3）为箱变内二次保护系统提供工作电源。
　　
　　二、目前高铁电力箱变UPS电源存在的问题
　　
　　据某供电段统计,某客运专线全长189km,有104座箱变,自开通后两年半的时间里电力箱变所配置的UPS电源共发生故障84件。有些箱变配备的UPS电源在开通两年半的时间内发生两、三次故障。电力箱变用UPS电源频繁故障的问题,在其它高速铁路电力箱变运行中也时有发生。UPS电源故障的频繁发生严重威胁了高铁铁路的列车运行安全。经过对发生故障的UPS电源拆解、分析,其故障原因主要有以下几个方面。
　　
　　1.UPS电源使用环境温度问题
　　
　　目前高铁电力箱变使用的商用UPS电源,采用的大都是办公室使用的商用UPS电源。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负-20℃～-30℃左右。夏季室外气温高达38℃,由于高铁电力箱变是金属外壳,虽然箱体做了隔热处理,在夏季箱变内温度随着环境温度升高有时会达50℃~60℃左右。箱变温度变化曲线见图3,恶劣的使用环境超出了传统UPS电源的设计使用条件,导致UPS电源不能启动、保护性关机或损坏。
　　
　　2.粉尘与凝露造成的问题
　　
　　据国内某大型UPS厂商统计,1～10kVAUPS电源的故障原因中,接近30%的UPS电源故障都与凝露、灰尘有关。由于成本、环保及工艺复杂等原因,传统UPS电源厂商很少对其电路板做防潮、防腐、防尘的三防处理。一般的UPS电源都应用在办公室、机房、民用住宅等使用环境比较好的场合,不做三防处理UPS电源故障可能还不是很突出;而铁路电力箱变的UPS电源使用环境普遍比较恶劣,这是故障多的一个重要原因。在海边使用的UPS电源电路板未做三防处理电路板烧损情况见图4。
　　
　　UPS电源在工作时会产生一定的热量,当采用风冷散热时,UPS电源便具有了“吸尘器”现象,将空气中的粉尘吸入UPS电源内部。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。如京沪高铁某区段箱变UPS电路板因粉尘导致的短路故障,见图5。
　　
　　UPS电源对环境湿度有着严格要求,使用环境湿度10%～90%不能结露。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。传统UPS电源一般按照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电源装于箱变内户外使用,箱变内没有温、湿度调节系统,使用环境恶劣。
　　
　　3.设计裕量问题
　　
　　对于1-5kVA的UPS电源生产厂家基于制造成本的考虑,各项设计裕量都会留得比较小,在元器件选型时也是尽量选择可用又便宜的器件。有的厂商为了降低生产成本,IGBT选型规格过于临界,当UPS电源在带有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问题
　　
　　京沪高铁某区段使用某品牌UPS电源频繁故障,分析其原因主要是无充电电压,经厂家分析故障原因是,为了节省成本,提高了风扇的供电电压,使得风扇超规工作烧损,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,不加改进直接使用会有极大的风险。
　　
　　很多UPS电源厂商选用低价的铁粉类磁芯加工电感,但铁粉类的磁芯有一个致命缺陷:老化问题。这类磁芯随着使用时间的推移,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,电感就会完全失效,导致机器故障。图6是某品牌UPS电源使用的铁粉芯电感老化后的情况。
　　
　　类似的例子还有很多,这些传统UPS虽然有很多器件超规使用,但由于它们的使用环境相当较好,同时绝大多数客户的负载量都不是很大,所以机器的故障率还不是很大;但直接将这些UPS电源应用于铁路市场,由于电网及负载的特性差异,故障率就非常明显了。
　　
　　5.蓄电池使用环境温度问题
　　
　　在高速铁路电力箱变使用的UPS电源所配蓄电池,为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℃,蓄电池厂家建议使用温度为5℃～30℃。温度对蓄电池使用寿命的影响是很大的,环境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,使电池内压增高,电解液减少,蓄电池的使用寿命也会缩短。高速铁路使用的箱变运行环境温度在-30℃～60℃的环境内,夏季箱变内温度可达
50℃～60℃。在冬季有些地区箱变内温度在负的20℃至负的30℃左右。在这种温度下传统的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电、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。
　　
　　三、解决办法
　　
　　1.加强器件选择,提高器件的耐高、低温的能力
　　
　　如辅助电源芯片选用高等级的产品,电阻选用陶瓷电阻。辅助电源采用比较大的裕量设计,保证低温下工作的可靠性。设置温度控制单元,采用风扇调速技术,在温度低的时候风扇转速降低,机器工作温度上升后自动提高转速加大通风量。满足铁路的负30℃～60℃的运行环境。在UPS电源招标时要杜绝低价中标的问题。
　　
　　2.电路板的三防处理
　　
　　UPS电源在制作时所有的电路板都要进行防尘、防潮、防腐的环保三防漆处理。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.UPS电源在设计时,增大电路板及器件的设计裕量
　　
　　选用铁硅磁芯的电感,解决铁粉芯电感老化快问题。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。
　　
　　4.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。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。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。在研究中曾了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IC放电容量,低温负40℃放电容量。低温负40℃1/5IC放电容量,高温60℃IC放电容量,高温60℃1/5IC放电容量进行了测试,经河北省产品质量监督检验院检定在低温负40℃时放电时间202分钟,在高温60℃时放电时间达到313分钟,满足铁路电力设计要求的放电时间不小于2小时的规定。
　　
　　5.增加蓄电池的日常管理功能
　　
　　传统的UPS不间断电源对所配的蓄电池没有管理功能,蓄电池质量不行了就进行更换的办法,造成了蓄电池的频繁更换。为了提高蓄电池的使用寿命,增加蓄电池的定期在线活化功能,UPS电源按照设定的周期自动对蓄电池进行活化,延长了后备电池的使用寿命。活化放电量为电池容量的20%,即保证了电池的充分活化,又留有足够的蓄电池能量,确保后备供电的时间要求。
　　
　　参考资料
　　
　　[1]王长林主编 列车运行控制技术（M）西南交通大学自编教材.
　　
　　[2]电机工程手册编辑委员会编电气工程师手册（M）机械工业出版社1986年6月.
　　
　　[3]青岛特锐德电气有限公司编铁路电力远动智能箱变[CD]2011年.
　　
　　[4]中国铁路总公司编（高速铁路电力管理规则）
　　
　　[S]2015年中国铁道出版社.
　　
　　[5]铁道部TB10008-2006铁路电力设计规范[S]2006年中国铁道出版社.
　　
　　[6]王其英 何春华编著新型UPS工作原理与实用技术及选购指南[M]人民邮电出版社2006年.
　　
　　作者简介
　　
　　韩冬竹,河北省送变电有限公司,高级工程师。硕士研究生毕业于华北电力大学。主要从事职工的技术培训及UPS在变电站的应用研究。
　　
　　付晶晶,UPS在高速铁路通信和信号供电中应注意的问题。
　　
　　王兰和,毕业于石家庄铁道学院铁道供电专业。毕业于石家庄铁道学院铁道供电专业、研究方向:铁道供电。
　　
　　编辑：Harris