——伊頓電能質量業務部 全亞斌 博士

    1 引言

    為了確保高鐵的可靠運行，需要在鐵路沿線部署用于信號監測和控制的遠程基站，UPS為基站中的電子設備提供凈化的不間斷電源，因而UPS的可靠性對基站的正常工作以及高鐵的可靠運行至關重要。通常，UPS主要是針對數據中心或辦公室內的IT設備設計的，當應用環境發生顯著變化時，UPS的可靠運行將面臨一些新的挑戰。本文針對鐵路遠程基站的特殊應用環境，分析影響UPS可靠運行的主要因素，并給出一些建議和對策。

    2 影響UPS可靠運行的主要因素與對策

    2.1 雷擊

    雷擊是導致電子產品故障的主要原因之一，IEC61000-4-5對電子類產品防雷等級定義如表1所示，UPS一般按照防護等級4設計，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，進而避免電源內的半導體器件損壞。

    表1 IEC61000-4-5防雷等級

    在室內應用場合，雷擊脈沖經配電系統衰減后才能到達UPS的電源輸入端，由于遠程基站暴露在戶外，存在被雷電直接擊中的可能。如果系統防雷措施不夠完善，UPS作為安裝在基站設備前面的電源保護裝置，將直接承受雷擊帶來的電壓與電流沖擊，導致UPS損壞。因此，為了保證基站的可靠運行，在基站設計階段就應考慮足夠的雷擊防護，可采取的措施有：

    (1) 加強基站外部防雷系統，條件允許的情況下可以考慮為基站配置建筑物屏蔽。

    (2) 確保基站內良好接地。

    (3) 加強基站電源接入系統的防雷保護，盡量避免雷擊脈沖由電力線直接進入UPS。

    (4) 定制更高防雷等級的UPS。

    2.2 環境溫度

    UPS是由大量電子元器件組成的精密電氣設備，環境溫度影響著UPS的可靠運行。

    (1) 環境溫度過高

    依據MIL-HDBK-217F或Telcordia SR-332 手冊可知，環境溫度越高， UPS的平均無故障間隔時間(MTBF)越短。如果環境溫度超出UPS允許的最高工作溫度（一般為40 oC），會觸發過溫保護或損壞內部器件，造成UPS無法正常工作。

    (2) 環境溫度過低

    由元器件規格書可知，環境溫度越低，鉛酸蓄電池、電解電容等含有液體成分的器件性能變差。如果環境溫度低于UPS允許的最低工作溫度（一般為0 oC），會導致部分元器件失效，造成UPS無法正常工作。

    在室內應用場合，由于空調系統的存在，室溫在25oC左右， UPS工作在較為理想的環境溫度中，可靠性較高。然而，在遠程基站的應用場合，不完善的環境溫度調節系統會使UPS工作溫度超出設計規格，導致UPS保護或損壞。可采取以下對策來改善應用環境：

    (1) 配備相應的空調設施并為基站內部設備配置合理的散熱通道。

    (2) 在無法配備相應空調設施的情況下，應采取其它的散熱措施如加強通風。

    (3) 在氣溫較低時，加強基站保溫措施。

    (4) 定制工作溫度范圍更寬的UPS。

    2.3 粉塵與凝露

    (1) 環境粉塵

    UPS在工作時會產生一定的熱量(與負載大小和轉換效率有關)，當采用風冷散熱時，UPS便具有了“吸塵器”功能，會將空氣中的粉塵吸入UPS內部。粉塵粘附在風扇或電路板上，影響UPS散熱，并有造成電路短路的風險，影響UPS可靠運行。

    (2) 凝露

    UPS對環境濕度有著嚴格要求，濕度超過規格時(一般為85%)，遇機房冷氣時會在設備內形成水霧或細水珠，尤其在潮濕的雨季，容易造成電路板短路，進而損壞設備。

    UPS一般按照IEC 529-598規定的IP20等級設計，即可以防止直徑大于12.5mm的外物侵入，防止手指接觸內部零件，沒有對水或者濕氣的防護。UPS在遠程基站的應用環境下，應采取以下措施來保障UPS的可靠運行：

    (1) 采用通風冷卻時，可選用IP54或以上等級的UPS，但是此類UPS產品較少且價格昂貴。

    (2) 采用通風冷卻時，若使用IP20等級UPS，必須加強對灰塵的過濾，按時維護過濾裝置。

    (3) 采用空調制冷時，應選用精密空調，以保證環境濕度。

    (4) 采用空調制冷時，若使用普通商用空調，要防止空調冷風直接吹到UPS產生凝露，必要時還需配備除濕裝置。

    2.4 遠程監控與維護

    UPS一般具有標配的以太網接口，并有監控卡供選購，可方便提供網絡遠程監控，實現總線集中管理。

    在室內應用場合，現場監控人員較多，對于UPS遠程監控功能要求不高，多數情況下，UPS的通信接口并沒有得到充分利用。然而，當UPS應用于鐵路沿線的遠程基站時，很難安排大量的現場人員對基站進行快速、準確及全面的巡檢，遠程監控與維護功能就變得非常重要。

    通過UPS的遠程監控功能，鐵路監控中心可以實時了解UPS運行狀態，發現UPS運行異常時可以立即采取相應措施。因此，在遠程基站設計時，應選用通信接口豐富的UPS產品，并充分利用接口功能，提高基站運行可靠性。

    2.5 海拔

    海拔影響著UPS的可靠運行。隨著海拔的升高，UPS的絕緣性能變差，應加大安規距離；由于空氣變得稀薄，采用風冷散熱的效果變差。通常UPS設計是面向海拔低于3000米的應用場合，當海拔超出規格時，UPS的可靠性將大大降低。

    高鐵的遠程基站分布在鐵路沿線，海拔高度差異很大，在UPS的選取與使用時，應當充分考慮海拔因素。在應用到高海拔地區時，應做以下考慮：

    (1) 選取或定制安規間隙較大UPS產品，以避免電路內部打火故障。

    (2) 對UPS進行降額使用，以防止UPS過溫保護。表2為IEC 62040-3、GB/T7260.3、GB/T3859.2中通用的功率折算系數，也可參考廠家建議的折算系數。

    表2 不同海拔高度的功率折算系數

    2.6 UPS可用性

    UPS自身的設計方式對基站的供電質量有著重要的影響，在高鐵遠程基站中，應優先選用可用性較高的UPS產品，其具備如下特點：

    (1) 內置有多條電源通路。

    (2) 部署冗余并聯。

    (3) 使用電池的可能性最小。

    3 結束語

    隨著高鐵在我國的快速建設，遠程基站在鐵路沿線被大量部署。UPS作為基站的重要組成部分，對高鐵的可靠運行有著不可忽視的影響。文中分析了影響UPS正常運行的主要因素，并給出了一些提高UPS可靠性的建議和對策，為鐵路遠程基站建設提供參考。<