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UPS在铁路远程基站中的应用问题与对策
作者:全亚斌 博士            来源:             发布时间: 2015-03-16
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UPS在铁路远程基站中的应用问题与对策 

伊顿电能质量业务部  全亚斌 博士 

1 引言

为了确保高铁的可靠运行,需要在铁路沿线部署用于信号监测和控制的远程基站,UPS为基站中的电子设备提供净化的不间断电源,因而UPS的可靠性对基站的正常工作以及高铁的可靠运行至关重要。通常,UPS主要是针对数据中心或办公室内的IT设备设计的,当应用环境发生显著变化时,UPS的可靠运行将面临一些新的挑战。本文针对铁路远程基站的特殊应用环境,分析影响UPS可靠运行的主要因素,并给出一些建议和对策。 

影响UPS可靠运行的主要因素与对策

2.1  雷击

雷击是导致电子产品故障的主要原因之一,IEC61000-4-5对电子类产品防雷等级定义如表1所示,UPS一般按照防护等级4设计,即在电源输入端口放置压敏电阻或气体放电管来吸收雷击脉冲能量,进而避免电源内的半导体器件损坏。 

表1  IEC61000-4-5防雷等级 

防护等级 

测试电压 (kV) 

0.5 

1.0 

2.0 

4.0 

定制 

在室内应用场合,雷击脉冲经配电系统衰减后才能到达UPS的电源输入端,由于远程基站暴露在户外,存在被雷电直接击中的可能。如果系统防雷措施不够完善,UPS作为安装在基站设备前面的电源保护装置,将直接承受雷击带来的电压与电流冲击,导致UPS损坏。因此,为了保证基站的可靠运行,在基站设计阶段就应考虑足够的雷击防护,可采取的措施有: 

(1) 加强基站外部防雷系统,条件允许的情况下可以考虑为基站配置建筑物屏蔽。 

(2) 确保基站内良好接地。 

(3) 加强基站电源接入系统的防雷保护,尽量避免雷击脉冲由电力线直接进入UPS。 

(4) 定制更高防雷等级的UPS。 

2.2   环境温度

UPS是由大量电子元器件组成的精密电气设备,环境温度影响着UPS的可靠运行。 

(1)  环境温度过高 

依据MIL-HDBK-217F或Telcordia  SR-332 手册可知,环境温度越高, UPS的平均无故障间隔时间(MTBF)越短。如果环境温度超出UPS允许的最高工作温度(一般为40 oC),会触发过温保护或损坏内部器件,造成UPS无法正常工作。 

(2)  环境温度过低 

由元器件规格书可知,环境温度越低,铅酸蓄电池、电解电容等含有液体成分的器件性能变差。如果环境温度低于UPS允许的最低工作温度(一般为0 oC),会导致部分元器件失效,造成UPS无法正常工作。 

在室内应用场合,由于空调系统的存在,室温在25oC左右, UPS工作在较为理想的环境温度中,可靠性较高。然而,在远程基站的应用场合,不完善的环境温度调节系统会使UPS工作温度超出设计规格,导致UPS保护或损坏。可采取以下对策来改善应用环境: 

(1) 配备相应的空调设施并为基站内部设备配置合理的散热通道。 

(2) 在无法配备相应空调设施的情况下,应采取其它的散热措施如加强通风。 

(3) 在气温较低时,加强基站保温措施。 

(4) 定制工作温度范围更宽的UPS。 

2.3  粉尘与凝露

(1) 环境粉尘 

UPS在工作时会产生一定的热量(与负载大小和转换效率有关),当采用风冷散热时,UPS便具有了“吸尘器”功能,会将空气中的粉尘吸入UPS内部。粉尘粘附在风扇或电路板上,影响UPS散热,并有造成电路短路的风险,影响UPS可靠运行。 

(2) 凝露 

UPS对环境湿度有着严格要求,湿度超过规格时(一般为85%),遇机房冷气时会在设备内形成水雾或细水珠,尤其在潮湿的雨季,容易造成电路板短路,进而损坏设备。 

UPS一般按照IEC 529-598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,没有对水或者湿气的防护。UPS在远程基站的应用环境下,应采取以下措施来保障UPS的可靠运行: 

(1) 采用通风冷却时,可选用IP54或以上等级的UPS,但是此类UPS产品较少且价格昂贵。 

(2) 采用通风冷却时,若使用IP20等级UPS,必须加强对灰尘的过滤,按时维护过滤装置。 

(3) 采用空调制冷时,应选用精密空调,以保证环境湿度。 

(4) 采用空调制冷时,若使用普通商用空调,要防止空调冷风直接吹到UPS产生凝露,必要时还需配备除湿装置。 

2.4  远程监控与维护

UPS一般具有标配的以太网接口,并有监控卡供选购,可方便提供网络远程监控,实现总线集中管理。 

在室内应用场合,现场监控人员较多,对于UPS远程监控功能要求不高,多数情况下,UPS的通信接口并没有得到充分利用。然而,当UPS应用于铁路沿线的远程基站时,很难安排大量的现场人员对基站进行快速、准确及全面的巡检,远程监控与维护功能就变得非常重要。 

通过UPS的远程监控功能,铁路监控中心可以实时了解UPS运行状态,发现UPS运行异常时可以立即采取相应措施。因此,在远程基站设计时,应选用通信接口丰富的UPS产品,并充分利用接口功能,提高基站运行可靠性。 

2.5  海拔

海拔影响着UPS的可靠运行。随着海拔的升高,UPS的绝缘性能变差,应加大安规距离;由于空气变得稀薄,采用风冷散热的效果变差。通常UPS设计是面向海拔低于3000米的应用场合,当海拔超出规格时,UPS的可靠性将大大降低。 

高铁的远程基站分布在铁路沿线,海拔高度差异很大,在UPS的选取与使用时,应当充分考虑海拔因素。在应用到高海拔地区时,应做以下考虑: 

(1) 选取或定制安规间隙较大UPS产品,以避免电路内部打火故障。 

(2) 对UPS进行降额使用,以防止UPS过温保护。表2为IEC 62040-3、GB/T7260.3、GB/T3859.2中通用的功率折算系数,也可参考厂家建议的折算系数。 

       表2  不同海拔高度的功率折算系数 

海拔高度(m) 

折算系数 

1500 

0.95 

2000 

0.91 

2500 

0.86 

3000 

0.82 

4000 

0.74 

5000 

0.67 

2.6  UPS可用性

UPS自身的设计方式对基站的供电质量有着重要的影响,在高铁远程基站中,应优先选用可用性较高的UPS产品,其具备如下特点: 

(1)  内置有多条电源通路。 

(2)  部署冗余并联。 

(3)  使用电池的可能性最小。 

结束语

随着高铁在我国的快速建设,远程基站在铁路沿线被大量部署。UPS作为基站的重要组成部分,对高铁的可靠运行有着不可忽视的影响。文中分析了影响UPS正常运行的主要因素,并给出了一些提高UPS可靠性的建议和对策,为铁路远程基站建设提供参考。 

 
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