蓄电池酸雾导致开关电源模块故障案例分析

慕家骁；侯福平；范永聪

（中国电信股份有限公司广东研究院）

0 引 言

通信电源机房内阀控式密封铅酸蓄电池出现漏液是否会导致开关电源故障？这在一般人看来好像是不可思议的事情，然而当我们查清原因之后，发现这之间的确是存在着某种必然的因果关系。

1 故障现象及处理过程

2011年3月上旬，某地动力维护人员巡查机房时，在动力机房内闻到了一股强烈的刺鼻酸性气味，很快发现铅酸蓄电池组有2个单体大量漏液，并腐蚀了蓄电池架和地面。机房内一套开关电源系统所有5个整流模块的交流空开均处于跳闸状态，蓄电池正在放电，放电电流30 A，放电电压46.5 V。此时维护人员试合上了第一个槽位整流模块交流输入空开，模块内部立即发生巨响，空开再次跳闸，随后把5个模块全部取出机架、把电池脱离系统。现场用另一套开关电源系统的好的整流模块分别插入这5个整流模块插槽通电测试，均能正常工作，证明电源整流机架工作正常。该开关电源厂家立即派人赶到现场进行处理，从原配置的5个模块中选取第3个槽位的故障模块重新通电试用，模块内部再次发出响声，整流模块交流空开跳闸。厂家技术人员对其中3个整流模块检查测试，发现如下情况：

1#模块：维护人员第二次开机时内部发出响声，并输入空开跳闸；

2#模块：用万用表测试模块背后交流输入端子，相间、相与地间均短路；

3#模块：厂家技术人员第二次开机时内部发出响声，并输入空开跳闸。

系统配置情况：该机房内开关电源系统是某品牌的500 A系统，整流模块5个，总负载约30 A左右，系统启用日期2008年10月12日；蓄电池为某品牌1 000 Ah蓄电池一组，投产于1998年。

运行环境：该电源机房面积约20 m2，只有一个玻璃门作为出入口，无窗户，内部有空调及新风机，但当时新风机因故并未开启，维护人员到达现场后，立即开启了新风机，刺鼻的气味逐渐散去。当时机房环境温度在20～25℃左右。

2 故障原因分析

（1）整流模块的分析

从损坏的整流模块内部痕迹分析看，存在如下问题：

a.模块风口位置的组合螺钉：从图1可以看到，螺钉表面生成了黄白色的固体物质，而远离风口的螺钉表面光洁度都很好。

图1 PCB附着有黄白色物质的螺钉

b.风口处过孔腐蚀现象：金膜电容近风口管脚和焊盘腐蚀现象严重（见图2），远风口焊盘依旧光亮，没有腐蚀痕迹。

图2 PCB过孔腐蚀现象

检查发现在模块内部有比较清晰的腐蚀痕迹，风口处的PCB焊盘、过孔、外壳都可以看到上面有很多不明物质，并且在风口处，金膜电容、散热器、电解电容的迎风面均有晶状物或雾状物吸附在上面。风口位置的螺钉表面也有白色的固体生成。

由于只在模块风口位置检查到有比较明显的腐蚀痕迹，其它位置并没有看到很明显的腐蚀迹象，导致这种情形的可能原因为：该位置迎风的缘故；腐蚀现象在短时间内加剧，使处在风口的迎风面有比较明显的痕迹。

（2）模块残留物质成分分析

为进一步确认腐蚀情况，厂家提取了整流模块内部的4类物质，送到广州电子五所进行物质成分分析，以便确认模块内部腐蚀物质的含量，见表1。

表1 广州电子五所对整流模块残留物质成分检测结果汇总

从检测结果看，S在4份样本中的含量都非常高，重量比超过15%，而在以往的腐蚀判断中，1%～3%的S含量就认为是存在腐蚀现象，所以从本次物质成分检测结果判断，模块存在严重的腐蚀现象，并且主要是硫酸腐蚀，应该是机房内铅酸电池漏液导致的。

（3）模块主功率管失效统计

整流模块主功率管失效统计情况见表2。

从表2可看出，5个模块的DC／DC变换部分Q1、Q2、Q3均失效，有3个整流模块Q4失效。5个模块的PFC部分失效位置比较分散，1#模块的PFC部分主要功率器件完好。

初步判断为腐蚀导致Q1的DS极短路出现拉弧现象，使DC／DC出现失效，而在DC／DC失效瞬间，将PFC的母线短路，使PFC环路超出调节范围，导致PFC部分的主功率器件损坏。而PFC损坏时，相当于输入某相短路出现大电流，而使输入空开跳闸。

（4）蓄电池漏液情况

与该开关电源系统配套的阀控式铅酸蓄电池为某品牌型号的1组1 000 Ah，投产于1998年，已经运行了约13年时间。由于维护到位，该组蓄电池容量和电压测试一直满足要求，因此尽管到了报废期限，也仍继续留用。但由于多次搬运过程出现塑料外壳破裂和塑料老化，因此蓄电池底部出现了漏液情况，详见图3。

表2 整流模块主功率管失效统计情况（该统计表来自于厂家测试报告）

图3 蓄电池漏液情况

图3 中显示，第18节和第19节两节单体电池底部破裂漏液相当严重，在下层的5、6号电池表面已经堆积了很多类似灰烬类物质，可以确定漏液现象已经出现了很长时间。当时动力机房内刺鼻的气体很可能就是蓄电池漏液所产生的酸雾而导致。

现场可以看到第19#与20#节电池接触的支架表面已经腐蚀，但没有烧穿，由于支架是由n型的长条金属做成，可以看到n型的内顶部没有电池泄露的液体，但是上面的油漆已经发黑碳化。

从现场痕迹看，在19#和20#电池的底部还有烟熏的痕迹；两电池之间的缝隙有正常电池泄露而产生的黄白色物质（硫酸铅、碳酸铅等），电池与电池架接触的位置除了黄白色物质，还有黑色的灼烧过的物质，泄漏位置的电池架左右两侧有淡黑紫色物质，泄露位置的电池架外围黄色油漆被灼烧成黑色，在下层的电池表面堆积很大的一堆黄黑色的物质，在地面上也有溅落的黄色酸液和黑色残余物。

（5）原因分析

根据上述现象，与正常蓄电池泄露相比，该机房蓄电池发生泄露时，蓄电池与电池架发生过打火现象，并且有高温及烟雾产生，这样的高温可以使泄露的硫酸被蒸发成硫酸酸雾散发到空气中。所以当时机房空气中混合有酸雾和烟雾，并且由于机房内的新风机没工作，空气中酸雾和烟雾的浓度会持续升高，导致5个整流模块中的电子元器件被严重腐蚀，从而产生瞬间短路跳闸现象，最终导致开关电源系统故障出现。

3 结 论

该动力机房设备系统已经运行比较长时间，在模块内部会有一些灰尘，由于模块是平放的，模块的DC／DC部分在模块的下部，沉积的灰尘要比上部的PFC板多些，而处于风扇风道边缘位置的Q1管子旁的槽积灰率相对风道中间位置的部位也要高一些，但在密封机房环境下，这些污染物总量并不大，并不足以影响模块的运行。

该机房中漏液的19#及20#单体电池与支架发生打火现象时，打火产生的热量和烟雾，使支架表面的油漆焦黑，同时热量使电池泄露的液体被蒸发，形成酸雾。从蓄电池漏液的痕迹看，蓄电池漏液过程已经持续一段时间，而且同时会有一定量的酸雾排放到空气中，由于新风机未开启，通风不畅，酸雾没有被排出机房外，结果导致酸雾浓度越来越大。从维护人员进入机房现场感觉来看，酸雾的浓度已经不小了。由于酸雾主要是硫酸液体，有很强的导电性和腐蚀性，如此的强酸导电体长时间作用于被腐蚀的PCB板和电子元器件上，一定会使模块内部绝缘性能显著下降和恶化。该机房酸雾气体被风扇吸入模块后，会粘附在PCB及器件表面，与模块内部沉积的灰尘混合，腐蚀PCB，逐渐降低了模块的绝缘性能。整流模块的Q1位置处于模块下部的风扇风道边缘，电容两脚之间之前已经被腐蚀导致绝缘性能下降，再结合新粘附的浓度很大的酸雾，使Q1的DS极出现拉弧，破坏了DS极间的绝缘性能，并进一步在DS极之间产生大电流，最终使模块的DC／DC部分出现失效。而DC／DC部分失效又使母线短路，使PFC瞬间负载超出承受范围，导致PFC损坏。而PFC失效时，相当于输入某相短路出现大电流，而使输入空开跳闸。

4 建 议

（1）到期的蓄电池宜及时更换，同时应加强巡检次数，及时处理突发状况。

（2）对于动力机房，尤其是蓄电池和动力设备在一起的机房，应加强机房新风通风条件，在可能的情况下，加装腐蚀性气体监测设备及动力系统监测设备，以避免因蓄电池泄漏而影响动力系统的正常运行。

（3）加强电池巡检，对爬酸、漏液、变形、鼓包的电池应及时进行更换，保证动力系统供电的安全可靠。

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