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。

    2 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

    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

    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。

    3 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。<