1 概述

太原機務段救援基地位於石太鐵路線嗚李火車站,因原嗚李火車站用的是市電380V電源,此電源無法滿足新建救援基地的用電負荷要求,根據太原鐵路局《關於對太原救援基地配套改造工程設計審查的意見》及太原鐵路局組織的有關太原救援基地用電問題的會議精神,由中鐵工程設計谘詢集團有限公司太原設計院設計采用牽引供電接觸網27.5kV電源,使用牽引供電專用單相變三相UPS作為太原救援基地的工作電源使用,降壓變壓器設計容量160kVA,UPS設計容量150kVA,設計饋出配出四個回路:既有低壓配電箱所帶停留車庫、消防、地麵電源負荷;綜合樓空調辦公負荷;食堂、浴室照明負荷和檢修庫負荷(見圖1)。

150kVA單相變三相UPS是由伊頓公司深圳山特工廠生產的高頻UPS,150kVA高頻UPS共有10個功率模塊,單個功率模塊容量15kVA,UPS由兩個櫃體組成,安裝在電力箱變內,因電力箱變內部在夏季溫度能達到50～60℃,為保證UPS正常運行,箱變設計了排風和製冷係統,UPS在2011年9月開通投入運行。

由於電氣化鐵道專用工頻單變三UPS在使用中故障頻發,影響正常使用,高頻模塊化單變三UPS以其先進的設計理念和高可靠性走進這個領域。高頻機通常由濾波器、IGBT高頻整流器、逆變器組成,IGBT可以通過加在其門極的驅動來控製IGBT的開通與關斷,IGBT整流器開關頻率通常在幾千到幾十千赫茲,甚至高達上百千赫茲。典型的高頻機UPS拓撲如圖2所示。

高頻UPS整流屬於升壓整流,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為768V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220V,逆變器之後就不再需要升壓變壓器。

由於采用了IGBT高頻整流技術使功率單元實現了模塊化生產,因此,實現了功率模塊的N+1運行模式。當高頻模塊化UPS某一個模塊發生故障時,故障模塊會自動退出運行,非故障模塊可以正常運行不影響供電。在設備巡檢人員巡檢時,將故障模塊帶電拔出換上新的模塊就可以了。大大提高了運行的可靠性。

由於在電氣化鐵路電力機車通過時,會產生過電壓及諧波,這樣UPS的輸入電源會時常出現很高的尖峰衝擊電壓,整流以後的BUS電壓也會跟著出現一個非正常的峰值電壓,這個電壓有時高達700V,高於正常正負BUS電壓400V的標準。監測保護係統一旦檢測到高於正負BUS電壓400V時,設備就會保護關機,這時需要人員去現場重新啟動。

因此需在UPS輸入側加裝濾波器濾掉諧波和峰值電壓,如圖3所示。

150kVA高頻單相變三相UPS自開通以後,設備一直運行正常。但2012年12月份以後,救援基地UPS頻繁發生故障,UPS不能正常開啟。維修人員接到通知到達現場後,發現UPS為停機狀態,待檢查電源的接線是否正確,整機外觀是否有燒損,輸入電源是否正常並確認無誤後,對功率模塊進行逐個清掃。現場采取單模塊單獨開機方式進行開機試驗,檢測單個功率模塊能否獨立開啟。經過測試,現場有七個模塊可以正常啟動並投入運行,其它三個模塊不能正常開啟,其中一個沒有電源輸入,其餘兩個有電源輸入,開機自檢後無法正常啟動,沒有電壓輸出。由於顯示屏不能顯示故障模塊的故障信息,無法判斷具體的故障原因。為搞請UPS功率模塊故障的原因,作出分析如下。

2 原因分析

(1)現場使用環境問題

太原機務段救援基地位於石太鐵路線嗚李車站,UPS設備安裝周圍全部是裸露的土地,起風時灰塵較大,功率模塊前後板有網狀通風口,現場的灰塵已經堵塞了功率模塊的通風口的三分之一,有的甚至堵塞了一半,造成依靠風扇強製冷卻的功率模塊無法散熱;檢查發現功率模塊電路板上存有大量灰塵,由於通風口積灰導致防塵網堵塞。電路板灰塵的存積,致使功率模塊內的熱量不能及時排除,造成功率模塊內的溫度偏高,散熱器散熱性能變差,功耗器件溫度上升引起UPS保護性關機。因長期通風不良運行溫度過高導致功率器件燒損使部分功率模塊損壞。太原地區的盆地汙染較為嚴重,由於灰塵自身化學成分比較複雜,有時會存有導致降解的酸根和金屬離子。有些灰塵本身就帶有酸性或堿性。所以,灰塵本身和它吸收的潮氣會腐蝕PCB板及元器件。空氣中存在著大量懸浮汙染物,一旦進入模塊內就會吸附在線路板上,形成肉眼能夠發現和不能夠發現的帶電灰塵。隨著時間的推移,線路板上吸附的灰塵越來越多,影響電氣間隙和爬電距離值,引起絕緣性降低和接觸不良,如果濕度偏高,嚴重時會造成電路板短路。

(2)UPS所帶負載問題

經現場檢查發現,2012年12月基地將原來使用市電的采暖鍋爐用電接入了UPS係統。中鐵工程設計谘詢集團太原設計院在救援基地UPS設計、技術圖紙交底及定貨時,都沒有設計采暖鍋爐用電容量,采暖鍋爐繼續使用原市電電源。因市電電源不穩定停電頻繁,2012年底機務段為了用電方便將原來用市電供電的采暖鍋爐電源改接到了UPS上。由於采暖鍋爐開機時起動衝擊電流較大(電機的起動電流是電機額定電流的6～7倍),UPS是電力電子設備,要滿足采暖鍋爐用電要求,UPS容量應是采暖鍋爐額定容量的3~4倍。救援基地UPS頻繁發生功率模塊燒損故障,其原因就是采暖鍋爐起動衝擊較大所引起。

(3)製冷問題

箱變設計時,雖然設計安裝了製冷空調,但安裝的空調為民用空調,空調在停電停機後,再來電不能自動起機。因太原機務段救援基地使用的電氣化鐵道專用UPS,其輸入電源從電氣化鐵道的接觸網上接引,接觸網每天要停電90min進行設備檢修作業,接觸網停電,製冷空調自動停機,再來電時,製冷空調不能自動開機,因檢修工區距離基地幾十公裏,所以造成製冷空調不能正常運轉,這也是造成UPS故障的一個重要原因。

3 解決方法

①為了減少單相變三相UPS的故障,應加強對UPS的巡視和清掃,每月應對UPS進風口除塵網和出風口進行清掃,每半年對每一個功率模塊打開外殼用吹風機對電路板進行清掃,確保通風良好,防止因電路板發熱引起保護動作及電路板因汙染造成短路故障。

②為防止因鍋爐房取暖電動機起動電流對UPS的衝擊,在鍋爐房取暖的每台電動機前加變頻器采用軟起動,緩衝電機啟動的衝擊,防止因起動衝擊電流過大燒毀UPS的功率模塊。變頻器可采用SVF-EV係列SVF-EV-G5.5/P7.5T4B型變頻器。

③為了解決箱變空調因接觸網停電後再來電時不能起動的問題,建議在製冷空調電路中增加自動起動功能,確保箱變內的UPS設備的正常使用。

　　作者簡介

趙建博,畢業於河北農業大學現代科技學院,現任石家莊開發區新導配電自動化有限公司助理工程師。

王蘭和,北京鐵路局石家莊供電段段長,本刊編委。

編輯：Harris

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