高海拔對城軌交通UPS 電源性能的影響研究

文：李振強｜廣東南海能元電氣有限公司

高海拔地區由于環境條件比較惡劣，對城軌交通UPS 電源設備運行影響較大。降額降容使用UPS，采用高防護等級機箱設計、風道式高效通風散熱系統設計的技術措施，以及采用增大電氣間隙的電氣配件、耐高溫導熱灌封膠灌封部件、膠體鉛酸蓄電池、干式電解電容器等高海拔專用電氣配件及材料等解決方案，能令高海拔地區UPS 電源設備的使用完全達到與平原地區同等水平的運行穩定性、可靠性和使用壽命。

我國中西部屬于高海拔地區，地理條件和氣候條件十分復雜。隨著城軌交通在中西部地區蓬勃發展，城軌交通機電設備供電用UPS（即不間斷電源）的需求和應用也將逐漸增加，同時高海拔地區城軌交通UPS 容易損壞導致機電設備無法正常運行，究其原因是用戶對高海拔環境對城軌交通機電設備（含UPS 電源）受高海拔環境的影響認識不足。

筆者于1998 年組織技術團隊將自行研制的國產工業級UPS 電源最早成功應用于北京地鐵復八線信號系統不間斷電源供電項目；又于2018 年將專門設計的大功率UPS/逆變器電源設備投入高海拔著稱的青藏鐵路全線各車站和西藏高原牧場使用，投入使用至今已超過五年，電源系統設備一直保持安全可靠運行的良好狀態，同時也為我公司生產高海拔城軌交通系統UPS 電源設備積累了可靠的經驗。本文就高海拔地區城軌交通系統對UPS 電源性能的影響及解決方案作出分析和建議。

一、海拔高度對電子設備的影響

因為世界大多數國家的重要城市海拔不超過1000 米，許多電子設備的技術標準，特別是早期的國家標準和行業標準，基本按照1000 米海拔高度制定，包括IEC國際電工標準。我國國家標準《信息技術設備用不間斷電源通用規范》（GB/T 14715-2017）是按海拔小于1300 米地區制定的，因此，只要海拔超過1300 米的地區就必須開始考慮海拔高度對UPS 設備的影響。一般的低壓開關設備和控制設備工作海拔不能超過2000 米，在采購電子設備時務必了解設備工作的海拔范圍。

據統計，我國海拔2000 米以上的地區約占33%，海拔3000 米以上的地區約占16%。不少城市都處在海拔2000 米以上的地區。海拔越高的地區，空氣密度越小，大氣壓降低，使得空氣粘性系數增加，空氣分子數就會減少，從而導致傳遞的熱量減少。這樣熱傳遞效率就會降低，電子部件的散熱性能變得更差。高海拔地區的放熱系數也比平原地區低很多，對流散熱傳遞的熱量減少將導致產品溫升的增加。因此處于高海拔地區的設備散熱性能降低，如果散熱不及時就會造成部分器件燒壞。

由于半導體材料的特性，溫度越高、電子激發加快，反向漏電流就會急劇增加，造成半導體器件（UPS 中的晶閘管、場效應管、IGBT、LED、集成電路均為半導體器件）將無法正常工作甚至損壞，其影響之大不容小視。

海拔越高，空氣越稀薄，絕緣介質的強度就會隨之降低，這就會使設備容易放電，致使通常的絕緣距離變得不足。海拔高的地區容易發生凝露，降低電子設備的爬電距離，電子設備的絕緣器件性能也會下降。

近些年設備制造商（包括本公司）都研制推出了工業級電子設備，這些設備之所以稱為工業級，是可以在惡劣的環境條件下正常工作，其中包括高海拔地區，可承受的海拔高度超過4000 米。此類產品普遍采用絕緣性好、電氣間隙大、散熱性好的器件，避免出現元器件因環境因素失效導致設備的故障。

二、高海拔UPS 設備的解決方案

（一）降容使用

1.UPS 在高海拔地區使用時電流容量的修正

根據國家標準《半導體變流器應用導則》（GB/T3859.2）附錄B 提出的變流器（UPS 電源屬于變流器類）在高海拔地區使用時電流容量的修正曲線，計算出：海拔超過1000 米時，隨海拔升高，變流器額定工作電流下降，其下降幅度約為海拔每升高100 米，輸出電流下降0.4%。

2.海拔高度與大氣壓

高海拔大中城市城軌交通的UPS 電源通常無法按照常規標準進行設計和采購。隨著海拔高度升高，大氣壓力曲線下降。當海拔高度達到1300 米其大氣壓kpa 值已低于國家標準GB/T 14715-2017《信息技術設備用不間斷電源通用規范》規定的大氣壓力環境條件范圍。

（二）增大UPS電氣間隙

氣體介質擊穿電壓與間隙距離和氣壓的關系一般用巴申定律描述。借助巴申定律，同時經過大量試驗，在對數據的匯總處理后，得出了不同氣壓下擊穿電壓的修正值，高海拔地區的企業應根據這些修正值選擇合適的、可用于電子設備的產品。高海拔還會使在大氣中滅弧的高低壓電器的分斷能力降低。當分斷能力不合格時，應選用額定容量高一級的產品。

巴申定律是描述電氣間隙放電的重要定律，其基本關系為當氣體成分和電極材料一定時，氣體間隙擊穿電壓是氣壓和極間距離乘積函數；當氣體溫度一定時，氣體間隙擊穿電壓是氣體密度和極間距離的函數。

為避免電子元器件產生電氣間隙的放電，根據所在地區的海拔高度，相對應的電氣間隙的倍增系數對元器件放置位置進行適當調整是很有必要的。但據青海高原科技發展有限公司對低壓電器現場測試結果顯示，在海拔高度3000米以下地區可以忽略電氣間隙的倍增系數的修正，這主要原因是低壓電器制造商（包括本公司UPS）在產品設計時對高海拔地區客戶的設備已留有足夠的電氣間隙余量。所以，增大電氣間隙是提高高海拔地區城軌交通UPS 電源設備運行可靠性的重要措施。

（三）高海拔絕緣材料的選擇方案

出于安全考慮，一般總希望絕緣材料的絕緣電阻盡可能大，絕緣材料主要包括氣體絕緣材料、液體絕緣材料、固體絕緣材料三種，電子信息產品廣泛采用氣體介質和固體介質達到絕緣的目的，因此絕緣介質的好壞直接影響產品的安全性能。如果設備的絕緣材料在電場中由于超過其絕緣強度被破壞而失去應有的絕緣性能，就會出現絕緣擊穿現象，設備將無法繼續正常工作。

由于氣體絕緣材料、液體絕緣材料受環境條件影響較大，其防護措施也比較復雜、成本高，近年來具有防潮、防腐、防塵、耐低溫、耐高溫老化、高導熱的多功能固體絕緣材料技術產品得到迅速發展，例如：

一是耐高溫導熱灌封膠對主要部件灌封。灌封膠性能要求長期耐溫范圍在-50℃-220℃；耐高溫老化，良好的抵抗環境和化學介質能力；低粘度，能流暢流進縫隙，電子產品的導熱密封性能好；高導熱，對各種基材均有良好的粘接性能；適用于各種耐高溫電子元器件的粘接。

二是采用以硅橡膠為載體鉛酸電解膠取代液態鉛酸電解液。高海拔地區環境，壓差大，灰塵、風沙大，氣候無常，以及晝夜溫差大等極端環境。普通蓄電池是以液態硫酸為電解液的鉛酸蓄電池，外殼是耐酸塑料制品，其抗高溫、耐低溫能力遠不能適應高原環境條件下長期可靠運行，其突出缺點是極低溫度下，硫酸溶液電解能力下降，蓄電池的蓄電量也明顯下降，無法滿足UPS的正常放電需求，劇烈的溫度變化，加上壓差大，造成蓄電池塑料外殼產生變形、爆裂、提前老化而報廢。因此，抗高溫、耐低溫能力更強、又能減輕壓差影響的膠體鉛酸蓄電池則應運而生。

以硅橡膠為載體鉛酸電解膠取代液態鉛酸電解液制成的蓄電池稱為膠體鉛酸蓄電池，膠體鉛酸蓄電池具有明顯的抗高、低溫性能優勢，例如用于極高海拔地區的“珠峰太陽能發電站”就是采用膠體鉛酸蓄電池；膠體鉛酸蓄電池另一特點是體積小些、重量輕些、廢氣排放也少很多。

三是采用干式電解電容器。在高海拔地區，電解電容器暴露的缺點與普通鉛酸蓄電池的缺點基本相同，在電解電容器其正、負電極之間絕緣是屬于液體絕緣材料，普通電解容器中有鋁箔浸在硼砂水溶液內，因為硼砂溶液是一種電解液，它作成容器中的傳導面。由電解作用在鋁箔表面形成一層氧化鋁，氧化鋁就成了鋁箔和電解液之間的介電質。因此，劇烈的溫度變化，加上壓差大，將造成電解電容器鋁外殼產生變形、如果電容內部氣壓高于外部空氣氣壓就會爆裂，容量下降會造成UPS 無法正常工作甚至報廢。即使是國際上最好的電解電容，海拔高于6000 米以上也需要使用干式電容。干式電容其實也含電解液，之所以稱之為干式，只是因為它里面的液體是容納吸附在濕棉紗或紙或濃厚的筒子里，干式電解容器中沒有像濕式有自由流動液體。因此，近年來抗高溫、耐低溫能力更強、又能減輕壓差影響的干式電解電容器得到快速發展，并成為高海拔地區用電子、電氣產品的首選。

普通型UPS 內采用大容量電解電容作為濾波電容，但因其在高海拔地區使用過程中所暴露的缺點，只能在降容的狀態下運行，造成UPS 設備容量的極大浪費，根據我們多年的實踐證明，優質的日本及德國大容量電解電容在海拔5000m 以上海拔高度的使用性能仍然保持穩定可靠。

（四）進一步提高高海拔UPS 可靠性的方案

1.采用高防護等級機箱設計

高海拔地區的環境條件對設備的防水性能要求更加嚴格。在高原和沙漠地區，由于雨水稀少，大多數電氣設備也需要按照防水防塵設計，以避免被風沙和降水侵蝕，保持設備運行穩定性。為此，高海拔地區城軌交通UPS 電源需提高機箱外殼的防護等級，建議5000 米高度環境最少能達到IP54 的防護等級，可以有效提高UPS 電源的長期運行穩定性。高防護等級UPS電源防塵、高效散熱結構見圖1。

圖1 高防護等級UPS 電源防塵、高效散熱結構圖

2.采用風道式高效通風散熱系統設計

一是設計完善的散熱風道結構。更強的散熱能力一直是UPS 設計者追求的主要目標之一，只有有了優秀的散熱環境，UPS 才有機會在更高的輸出功率下穩定工作。使用高端散熱器可以提高硬件的散熱能力，降低硬件溫度，但由于所有硬件都被封閉在機箱內，因此如果機箱本身沒有良好的通風環境，那么再高端的散熱器也發揮不出應有的作用。另外，高海拔地區由于空氣稀薄，放熱系數低，對流散熱傳遞的熱量減少將導致UPS 電源隨著溫升的增加而引起性能的下降。

為了提高機箱整體的散熱能力，不能將兩個發熱量大的部件（例如整流模塊、逆變模塊）靠在一起，應做好合理的擺放，否則兩個發熱量大的大功率部件的風扇可能形成對吹或互相阻擋干涉散熱風流的現象，明顯降低散熱效果。因此將發熱量大的部件電源移到距離散熱風道比較近的位置，讓散熱風流直接把大功率部件產生的熱量集中快速吹走，這樣的設計不僅提高了散熱系統的散熱效率和發熱大功率部件的使用壽命，也提高了UPS 電源設備的帶載能力和運行穩定性可靠性。

二是成功應用案例介紹。本公司工程師所發明的《一種用于電源設備的防塵、高效散熱結構》專利技術，是專門針對高海拔地區UPS電源設備的散熱問題而設計的，已成功應用于青藏鐵路沿線各車站及西藏高原牧場的多套UPS 電源和光伏逆變器設備，與用戶之前所使用的傳統散熱方式的其它同類UPS電源相比較，發明專利技術所帶來的散熱效果、帶載能力及整機穩定性能的改善十分明顯大功率UPS電源防塵、高效散熱結構見圖2。而且，這些應用場所的海拔高度都達到4000 米以上，唐古拉山口火車站的海拔高度甚至達到了5231米。本公司的UPS 電源逆變器投入使用至今已超過五年，所有電源設備均保持了良好的安全穩定運行狀態，并獲得了用戶的充分肯定。

圖2 大功率UPS 電源防塵、高效散熱結構圖

綜上所述，高海拔地區由于環境條件比較惡劣，給城軌交通UPS 電源設備的安全運行帶來很大的影響，我們通過降額降容使用UPS 方式，以及采用高防護等級機箱設計、風道式高效通風散熱系統設計等方面技術措施，和采用增大電氣間隙的電氣配件、耐高溫導熱灌封膠灌封部件、膠體鉛酸電池、干式電解電容器等高海拔專用配件材料等等各種辦法和舉措，完全可以消除高海拔環境條件所帶來的影響，使城軌交通UPS 電源設備的應用也能達到與平原地區同等水平的運行穩定性、可靠性和使用壽命。