1 概述

太原机务段救援基地位于石太铁路线呜李火车站,因原呜李火车站用的是市电380V电源,此电源无法满足新建救援基地的用电负荷要求,根据太原铁路局《关于对太原救援基地配套改造工程设计审查的意见》及太原铁路局组织的有关太原救援基地用电问题的会议精神,由中铁工程设计咨询集团有限公司太原设计院设计采用牵引供电接触网27.5kV电源,使用牵引供电专用单相变三相UPS作为太原救援基地的工作电源使用,降压变压器设计容量160kVA,UPS设计容量150kVA,设计馈出配出四个回路:既有低压配电箱所带停留车库、消防、地面电源负荷;综合楼空调办公负荷;食堂、浴室照明负荷和检修库负荷(见图1)。

150kVA单相变三相UPS是由伊顿公司深圳山特工厂生产的高频UPS,150kVA高频UPS共有10个功率模块,单个功率模块容量15kVA,UPS由两个柜体组成,安装在电力箱变内,因电力箱变内部在夏季温度能达到50～60℃,为保证UPS正常运行,箱变设计了排风和制冷系统,UPS在2011年9月开通投入运行。

由于电气化铁道专用工频单变三UPS在使用中故障频发,影响正常使用,高频模块化单变三UPS以其先进的设计理念和高可靠性走进这个领域。高频机通常由滤波器、IGBT高频整流器、逆变器组成,IGBT可以通过加在其门极的驱动来控制IGBT的开通与关断,IGBT整流器开关频率通常在几千到几十千赫兹,甚至高达上百千赫兹。典型的高频机UPS拓扑如图2所示。

高频UPS整流属于升压整流,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为768V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220V,逆变器之后就不再需要升压变压器。

由于采用了IGBT高频整流技术使功率单元实现了模块化生产,因此,实现了功率模块的N+1运行模式。当高频模块化UPS某一个模块发生故障时,故障模块会自动退出运行,非故障模块可以正常运行不影响供电。在设备巡检人员巡检时,将故障模块带电拔出换上新的模块就可以了。大大提高了运行的可靠性。

由于在电气化铁路电力机车通过时,会产生过电压及谐波,这样UPS的输入电源会时常出现很高的尖峰冲击电压,整流以后的BUS电压也会跟着出现一个非正常的峰值电压,这个电压有时高达700V,高于正常正负BUS电压400V的标准。监测保护系统一旦检测到高于正负BUS电压400V时,设备就会保护关机,这时需要人员去现场重新启动。

因此需在UPS输入侧加装滤波器滤掉谐波和峰值电压,如图3所示。

150kVA高频单相变三相UPS自开通以后,设备一直运行正常。但2012年12月份以后,救援基地UPS频繁发生故障,UPS不能正常开启。维修人员接到通知到达现场后,发现UPS为停机状态,待检查电源的接线是否正确,整机外观是否有烧损,输入电源是否正常并确认无误后,对功率模块进行逐个清扫。现场采取单模块单独开机方式进行开机试验,检测单个功率模块能否独立开启。经过测试,现场有七个模块可以正常启动并投入运行,其它三个模块不能正常开启,其中一个没有电源输入,其余两个有电源输入,开机自检后无法正常启动,没有电压输出。由于显示屏不能显示故障模块的故障信息,无法判断具体的故障原因。为搞请UPS功率模块故障的原因,作出分析如下。

2 原因分析

(1)现场使用环境问题

太原机务段救援基地位于石太铁路线呜李车站,UPS设备安装周围全部是裸露的土地,起风时灰尘较大,功率模块前后板有网状通风口,现场的灰尘已经堵塞了功率模块的通风口的三分之一,有的甚至堵塞了一半,造成依靠风扇强制冷却的功率模块无法散热;检查发现功率模块电路板上存有大量灰尘,由于通风口积灰导致防尘网堵塞。电路板灰尘的存积,致使功率模块内的热量不能及时排除,造成功率模块内的温度偏高,散热器散热性能变差,功耗器件温度上升引起UPS保护性关机。因长期通风不良运行温度过高导致功率器件烧损使部分功率模块损坏。太原地区的盆地污染较为严重,由于灰尘自身化学成分比较复杂,有时会存有导致降解的酸根和金属离子。有些灰尘本身就带有酸性或碱性。所以,灰尘本身和它吸收的潮气会腐蚀PCB板及元器件。空气中存在着大量悬浮污染物,一旦进入模块内就会吸附在线路板上,形成肉眼能够发现和不能够发现的带电灰尘。随着时间的推移,线路板上吸附的灰尘越来越多,影响电气间隙和爬电距离值,引起绝缘性降低和接触不良,如果湿度偏高,严重时会造成电路板短路。

(2)UPS所带负载问题

经现场检查发现,2012年12月基地将原来使用市电的采暖锅炉用电接入了UPS系统。中铁工程设计咨询集团太原设计院在救援基地UPS设计、技术图纸交底及定货时,都没有设计采暖锅炉用电容量,采暖锅炉继续使用原市电电源。因市电电源不稳定停电频繁,2012年底机务段为了用电方便将原来用市电供电的采暖锅炉电源改接到了UPS上。由于采暖锅炉开机时起动冲击电流较大(电机的起动电流是电机额定电流的6～7倍),UPS是电力电子设备,要满足采暖锅炉用电要求,UPS容量应是采暖锅炉额定容量的3~4倍。救援基地UPS频繁发生功率模块烧损故障,其原因就是采暖锅炉起动冲击较大所引起。

(3)制冷问题

箱变设计时,虽然设计安装了制冷空调,但安装的空调为民用空调,空调在停电停机后,再来电不能自动起机。因太原机务段救援基地使用的电气化铁道专用UPS,其输入电源从电气化铁道的接触网上接引,接触网每天要停电90min进行设备检修作业,接触网停电,制冷空调自动停机,再来电时,制冷空调不能自动开机,因检修工区距离基地几十公里,所以造成制冷空调不能正常运转,这也是造成UPS故障的一个重要原因。

3 解决方法

①为了减少单相变三相UPS的故障,应加强对UPS的巡视和清扫,每月应对UPS进风口除尘网和出风口进行清扫,每半年对每一个功率模块打开外壳用吹风机对电路板进行清扫,确保通风良好,防止因电路板发热引起保护动作及电路板因污染造成短路故障。

②为防止因锅炉房取暖电动机起动电流对UPS的冲击,在锅炉房取暖的每台电动机前加变频器采用软起动,缓冲电机启动的冲击,防止因起动冲击电流过大烧毁UPS的功率模块。变频器可采用SVF-EV系列SVF-EV-G5.5/P7.5T4B型变频器。

③为了解决箱变空调因接触网停电后再来电时不能起动的问题,建议在制冷空调电路中增加自动起动功能,确保箱变内的UPS设备的正常使用。

　　作者简介

赵建博,毕业于河北农业大学现代科技学院,现任石家庄开发区新导配电自动化有限公司助理工程师。

王兰和,北京铁路局石家庄供电段段长,本刊编委。

编辑：Harris

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