文：李振強(qiáng)｜廣東南海能元電氣有限公司

高海拔地區(qū)由于環(huán)境條件比較惡劣，對(duì)城軌交通UPS 電源設(shè)備運(yùn)行影響較大。降額降容使用UPS，采用高防護(hù)等級(jí)機(jī)箱設(shè)計(jì)、風(fēng)道式高效通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)措施，以及采用增大電氣間隙的電氣配件、耐高溫導(dǎo)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(qū)UPS 電源設(shè)備的使用完全達(dá)到與平原地區(qū)同等水平的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。

我國(guó)中西部屬于高海拔地區(qū)，地理?xiàng)l件和氣候條件十分復(fù)雜。隨著城軌交通在中西部地區(qū)蓬勃發(fā)展，城軌交通機(jī)電設(shè)備供電用UPS（即不間斷電源）的需求和應(yīng)用也將逐漸增加，同時(shí)高海拔地區(qū)城軌交通UPS 容易損壞導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，究其原因是用戶對(duì)高海拔環(huán)境對(duì)城軌交通機(jī)電設(shè)備（含UPS 電源）受高海拔環(huán)境的影響認(rèn)識(shí)不足。

筆者于1998 年組織技術(shù)團(tuán)隊(duì)將自行研制的國(guó)產(chǎn)工業(yè)級(jí)UPS 電源最早成功應(yīng)用于北京地鐵復(fù)八線信號(hào)系統(tǒng)不間斷電源供電項(xiàng)目；又于2018 年將專門設(shè)計(jì)的大功率UPS/逆變器電源設(shè)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(chǎng)使用，投入使用至今已超過(guò)五年，電源系統(tǒng)設(shè)備一直保持安全可靠運(yùn)行的良好狀態(tài)，同時(shí)也為我公司生產(chǎn)高海拔城軌交通系統(tǒng)UPS 電源設(shè)備積累了可靠的經(jīng)驗(yàn)。本文就高海拔地區(qū)城軌交通系統(tǒng)對(duì)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(duì)電子設(shè)備的影響

因?yàn)槭澜绱蠖鄶?shù)國(guó)家的重要城市海拔不超過(guò)1000 米，許多電子設(shè)備的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，特別是早期的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，基本按照1000 米海拔高度制定，包括IEC國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用規(guī)范》（GB/T 14715-2017）是按海拔小于1300 米地區(qū)制定的，因此，只要海拔超過(guò)1300 米的地區(qū)就必須開(kāi)始考慮海拔高度對(duì)UPS 設(shè)備的影響。一般的低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備工作海拔不能超過(guò)2000 米，在采購(gòu)電子設(shè)備時(shí)務(wù)必了解設(shè)備工作的海拔范圍。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)海拔2000 米以上的地區(qū)約占33%，海拔3000 米以上的地區(qū)約占16%。不少城市都處在海拔2000 米以上的地區(qū)。海拔越高的地區(qū)，空氣密度越小，大氣壓降低，使得空氣粘性系數(shù)增加，空氣分子數(shù)就會(huì)減少，從而導(dǎo)致傳遞的熱量減少。這樣熱傳遞效率就會(huì)降低，電子部件的散熱性能變得更差。高海拔地區(qū)的放熱系數(shù)也比平原地區(qū)低很多，對(duì)流散熱傳遞的熱量減少將導(dǎo)致產(chǎn)品溫升的增加。因此處于高海拔地區(qū)的設(shè)備散熱性能降低，如果散熱不及時(shí)就會(huì)造成部分器件燒壞。

由于半導(dǎo)體材料的特性，溫度越高、電子激發(fā)加快，反向漏電流就會(huì)急劇增加，造成半導(dǎo)體器件（UPS 中的晶閘管、場(chǎng)效應(yīng)管、IGBT、LED、集成電路均為半導(dǎo)體器件）將無(wú)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(zhì)的強(qiáng)度就會(huì)隨之降低，這就會(huì)使設(shè)備容易放電，致使通常的絕緣距離變得不足。海拔高的地區(qū)容易發(fā)生凝露，降低電子設(shè)備的爬電距離，電子設(shè)備的絕緣器件性能也會(huì)下降。

近些年設(shè)備制造商（包括本公司）都研制推出了工業(yè)級(jí)電子設(shè)備，這些設(shè)備之所以稱為工業(yè)級(jí)，是可以在惡劣的環(huán)境條件下正常工作，其中包括高海拔地區(qū)，可承受的海拔高度超過(guò)4000 米。此類產(chǎn)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(xiàn)元器件因環(huán)境因素失效導(dǎo)致設(shè)備的故障。

二、高海拔UPS 設(shè)備的解決方案

（一）降容使用

1.UPS 在高海拔地區(qū)使用時(shí)電流容量的修正

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《半導(dǎo)體變流器應(yīng)用導(dǎo)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(qū)使用時(shí)電流容量的修正曲線，計(jì)算出：海拔超過(guò)1000 米時(shí)，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(wú)法按照常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和采購(gòu)。隨著海拔高度升高，大氣壓力曲線下降。當(dāng)海拔高度達(dá)到1300 米其大氣壓kpa 值已低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14715-2017《信息技術(shù)設(shè)備用不間斷電源通用規(guī)范》規(guī)定的大氣壓力環(huán)境條件范圍。

（二）增大UPS電氣間隙

氣體介質(zhì)擊穿電壓與間隙距離和氣壓的關(guān)系一般用巴申定律描述。借助巴申定律，同時(shí)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，在對(duì)數(shù)據(jù)的匯總處理后，得出了不同氣壓下?lián)舸╇妷旱男拚?，高海拔地區(qū)的企業(yè)應(yīng)根據(jù)這些修正值選擇合適的、可用于電子設(shè)備的產(chǎn)品。高海拔還會(huì)使在大氣中滅弧的高低壓電器的分?jǐn)嗄芰档?。?dāng)分?jǐn)嗄芰Σ缓细駮r(shí)，應(yīng)選用額定容量高一級(jí)的產(chǎn)品。

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

為避免電子元器件產(chǎn)生電氣間隙的放電，根據(jù)所在地區(qū)的海拔高度，相對(duì)應(yīng)的電氣間隙的倍增系數(shù)對(duì)元器件放置位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整是很有必要的。但據(jù)青海高原科技發(fā)展有限公司對(duì)低壓電器現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，在海拔高度3000米以下地區(qū)可以忽略電氣間隙的倍增系數(shù)的修正，這主要原因是低壓電器制造商（包括本公司UPS）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高海拔地區(qū)客戶的設(shè)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(qū)城軌交通UPS 電源設(shè)備運(yùn)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(chǎn)品廣泛采用氣體介質(zhì)和固體介質(zhì)達(dá)到絕緣的目的，因此絕緣介質(zhì)的好壞直接影響產(chǎn)品的安全性能。如果設(shè)備的絕緣材料在電場(chǎng)中由于超過(guò)其絕緣強(qiáng)度被破壞而失去應(yīng)有的絕緣性能，就會(huì)出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象，設(shè)備將無(wú)法繼續(xù)正常工作。

由于氣體絕緣材料、液體絕緣材料受環(huán)境條件影響較大，其防護(hù)措施也比較復(fù)雜、成本高，近年來(lái)具有防潮、防腐、防塵、耐低溫、耐高溫老化、高導(dǎo)熱的多功能固體絕緣材料技術(shù)產(chǎn)品得到迅速發(fā)展，例如：

一是耐高溫導(dǎo)熱灌封膠對(duì)主要部件灌封。灌封膠性能要求長(zhǎng)期耐溫范圍在-50℃-220℃；耐高溫老化，良好的抵抗環(huán)境和化學(xué)介質(zhì)能力；低粘度，能流暢流進(jìn)縫隙，電子產(chǎn)品的導(dǎo)熱密封性能好；高導(dǎo)熱，對(duì)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(tài)鉛酸電解液。高海拔地區(qū)環(huán)境，壓差大，灰塵、風(fēng)沙大，氣候無(wú)常，以及晝夜溫差大等極端環(huán)境。普通蓄電池是以液態(tài)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(yuǎn)不能適應(yīng)高原環(huán)境條件下長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，其突出缺點(diǎn)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(wú)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(chǎn)生變形、爆裂、提前老化而報(bào)廢。因此，抗高溫、耐低溫能力更強(qiáng)、又能減輕壓差影響的膠體鉛酸蓄電池則應(yīng)運(yùn)而生。

以硅橡膠為載體鉛酸電解膠取代液態(tài)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(yōu)勢(shì)，例如用于極高海拔地區(qū)的“珠峰太陽(yáng)能發(fā)電站”就是采用膠體鉛酸蓄電池；膠體鉛酸蓄電池另一特點(diǎn)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(qū)，電解電容器暴露的缺點(diǎn)與普通鉛酸蓄電池的缺點(diǎn)基本相同，在電解電容器其正、負(fù)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(nèi)，因?yàn)榕鹕叭芤菏且环N電解液，它作成容器中的傳導(dǎo)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(zhì)。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(chǎn)生變形、如果電容內(nèi)部氣壓高于外部空氣氣壓就會(huì)爆裂，容量下降會(huì)造成UPS 無(wú)法正常工作甚至報(bào)廢。即使是國(guó)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(shí)也含電解液，之所以稱之為干式，只是因?yàn)樗锩娴囊后w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(méi)有像濕式有自由流動(dòng)液體。因此，近年來(lái)抗高溫、耐低溫能力更強(qiáng)、又能減輕壓差影響的干式電解電容器得到快速發(fā)展，并成為高海拔地區(qū)用電子、電氣產(chǎn)品的首選。

普通型UPS 內(nèi)采用大容量電解電容作為濾波電容，但因其在高海拔地區(qū)使用過(guò)程中所暴露的缺點(diǎn)，只能在降容的狀態(tài)下運(yùn)行，造成UPS 設(shè)備容量的極大浪費(fèi)，根據(jù)我們多年的實(shí)踐證明，優(yōu)質(zhì)的日本及德國(guó)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(wěn)定可靠。

（四）進(jìn)一步提高高海拔UPS 可靠性的方案

1.采用高防護(hù)等級(jí)機(jī)箱設(shè)計(jì)

高海拔地區(qū)的環(huán)境條件對(duì)設(shè)備的防水性能要求更加嚴(yán)格。在高原和沙漠地區(qū)，由于雨水稀少，大多數(shù)電氣設(shè)備也需要按照防水防塵設(shè)計(jì)，以避免被風(fēng)沙和降水侵蝕，保持設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。為此，高海拔地區(qū)城軌交通UPS 電源需提高機(jī)箱外殼的防護(hù)等級(jí)，建議5000 米高度環(huán)境最少能達(dá)到IP54 的防護(hù)等級(jí)，可以有效提高UPS 電源的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。高防護(hù)等級(jí)UPS電源防塵、高效散熱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 高防護(hù)等級(jí)UPS 電源防塵、高效散熱結(jié)構(gòu)圖

2.采用風(fēng)道式高效通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一是設(shè)計(jì)完善的散熱風(fēng)道結(jié)構(gòu)。更強(qiáng)的散熱能力一直是UPS 設(shè)計(jì)者追求的主要目標(biāo)之一，只有有了優(yōu)秀的散熱環(huán)境，UPS 才有機(jī)會(huì)在更高的輸出功率下穩(wěn)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(jī)箱內(nèi)，因此如果機(jī)箱本身沒(méi)有良好的通風(fēng)環(huán)境，那么再高端的散熱器也發(fā)揮不出應(yīng)有的作用。另外，高海拔地區(qū)由于空氣稀薄，放熱系數(shù)低，對(duì)流散熱傳遞的熱量減少將導(dǎo)致UPS 電源隨著溫升的增加而引起性能的下降。

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

二是成功應(yīng)用案例介紹。本公司工程師所發(fā)明的《一種用于電源設(shè)備的防塵、高效散熱結(jié)構(gòu)》專利技術(shù)，是專門針對(duì)高海拔地區(qū)UPS電源設(shè)備的散熱問(wèn)題而設(shè)計(jì)的，已成功應(yīng)用于青藏鐵路沿線各車站及西藏高原牧場(chǎng)的多套UPS 電源和光伏逆變器設(shè)備，與用戶之前所使用的傳統(tǒng)散熱方式的其它同類UPS電源相比較，發(fā)明專利技術(shù)所帶來(lái)的散熱效果、帶載能力及整機(jī)穩(wěn)定性能的改善十分明顯大功率UPS電源防塵、高效散熱結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。而且，這些應(yīng)用場(chǎng)所的海拔高度都達(dá)到4000 米以上，唐古拉山口火車站的海拔高度甚至達(dá)到了5231米。本公司的UPS 電源逆變器投入使用至今已超過(guò)五年，所有電源設(shè)備均保持了良好的安全穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，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(jié)構(gòu)圖

綜上所述，高海拔地區(qū)由于環(huán)境條件比較惡劣，給城軌交通UPS 電源設(shè)備的安全運(yùn)行帶來(lái)很大的影響，我們通過(guò)降額降容使用UPS 方式，以及采用高防護(hù)等級(jí)機(jī)箱設(shè)計(jì)、風(fēng)道式高效通風(fēng)散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面技術(shù)措施，和采用增大電氣間隙的電氣配件、耐高溫導(dǎo)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(huán)境條件所帶來(lái)的影響，使城軌交通UPS 電源設(shè)備的應(yīng)用也能達(dá)到與平原地區(qū)同等水平的運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命。