高海拔对城轨交通UPS 电源性能的影响研究

文：李振强｜广东南海能元电气有限公司

高海拔地区由于环境条件比较恶劣，对城轨交通UPS 电源设备运行影响较大。降额降容使用UPS，采用高防护等级机箱设计、风道式高效通风散热系统设计的技术措施，以及采用增大电气间隙的电气配件、耐高温导热灌封胶灌封部件、胶体铅酸蓄电池、干式电解电容器等高海拔专用电气配件及材料等解决方案，能令高海拔地区UPS 电源设备的使用完全达到与平原地区同等水平的运行稳定性、可靠性和使用寿命。

我国中西部属于高海拔地区，地理条件和气候条件十分复杂。随着城轨交通在中西部地区蓬勃发展，城轨交通机电设备供电用UPS（即不间断电源）的需求和应用也将逐渐增加，同时高海拔地区城轨交通UPS 容易损坏导致机电设备无法正常运行，究其原因是用户对高海拔环境对城轨交通机电设备（含UPS 电源）受高海拔环境的影响认识不足。

笔者于1998 年组织技术团队将自行研制的国产工业级UPS 电源最早成功应用于北京地铁复八线信号系统不间断电源供电项目；又于2018 年将专门设计的大功率UPS/逆变器电源设备投入高海拔著称的青藏铁路全线各车站和西藏高原牧场使用，投入使用至今已超过五年，电源系统设备一直保持安全可靠运行的良好状态，同时也为我公司生产高海拔城轨交通系统UPS 电源设备积累了可靠的经验。本文就高海拔地区城轨交通系统对UPS 电源性能的影响及解决方案作出分析和建议。

一、海拔高度对电子设备的影响

因为世界大多数国家的重要城市海拔不超过1000 米，许多电子设备的技术标准，特别是早期的国家标准和行业标准，基本按照1000 米海拔高度制定，包括IEC国际电工标准。我国国家标准《信息技术设备用不间断电源通用规范》（GB/T 14715-2017）是按海拔小于1300 米地区制定的，因此，只要海拔超过1300 米的地区就必须开始考虑海拔高度对UPS 设备的影响。一般的低压开关设备和控制设备工作海拔不能超过2000 米，在采购电子设备时务必了解设备工作的海拔范围。

据统计，我国海拔2000 米以上的地区约占33%，海拔3000 米以上的地区约占16%。不少城市都处在海拔2000 米以上的地区。海拔越高的地区，空气密度越小，大气压降低，使得空气粘性系数增加，空气分子数就会减少，从而导致传递的热量减少。这样热传递效率就会降低，电子部件的散热性能变得更差。高海拔地区的放热系数也比平原地区低很多，对流散热传递的热量减少将导致产品温升的增加。因此处于高海拔地区的设备散热性能降低，如果散热不及时就会造成部分器件烧坏。

由于半导体材料的特性，温度越高、电子激发加快，反向漏电流就会急剧增加，造成半导体器件（UPS 中的晶闸管、场效应管、IGBT、LED、集成电路均为半导体器件）将无法正常工作甚至损坏，其影响之大不容小视。

海拔越高，空气越稀薄，绝缘介质的强度就会随之降低，这就会使设备容易放电，致使通常的绝缘距离变得不足。海拔高的地区容易发生凝露，降低电子设备的爬电距离，电子设备的绝缘器件性能也会下降。

近些年设备制造商（包括本公司）都研制推出了工业级电子设备，这些设备之所以称为工业级，是可以在恶劣的环境条件下正常工作，其中包括高海拔地区，可承受的海拔高度超过4000 米。此类产品普遍采用绝缘性好、电气间隙大、散热性好的器件，避免出现元器件因环境因素失效导致设备的故障。

二、高海拔UPS 设备的解决方案

（一）降容使用

1.UPS 在高海拔地区使用时电流容量的修正

根据国家标准《半导体变流器应用导则》（GB/T3859.2）附录B 提出的变流器（UPS 电源属于变流器类）在高海拔地区使用时电流容量的修正曲线，计算出：海拔超过1000 米时，随海拔升高，变流器额定工作电流下降，其下降幅度约为海拔每升高100 米，输出电流下降0.4%。

2.海拔高度与大气压

高海拔大中城市城轨交通的UPS 电源通常无法按照常规标准进行设计和采购。随着海拔高度升高，大气压力曲线下降。当海拔高度达到1300 米其大气压kpa 值已低于国家标准GB/T 14715-2017《信息技术设备用不间断电源通用规范》规定的大气压力环境条件范围。

（二）增大UPS电气间隙

气体介质击穿电压与间隙距离和气压的关系一般用巴申定律描述。借助巴申定律，同时经过大量试验，在对数据的汇总处理后，得出了不同气压下击穿电压的修正值，高海拔地区的企业应根据这些修正值选择合适的、可用于电子设备的产品。高海拔还会使在大气中灭弧的高低压电器的分断能力降低。当分断能力不合格时，应选用额定容量高一级的产品。

巴申定律是描述电气间隙放电的重要定律，其基本关系为当气体成分和电极材料一定时，气体间隙击穿电压是气压和极间距离乘积函数；当气体温度一定时，气体间隙击穿电压是气体密度和极间距离的函数。

为避免电子元器件产生电气间隙的放电，根据所在地区的海拔高度，相对应的电气间隙的倍增系数对元器件放置位置进行适当调整是很有必要的。但据青海高原科技发展有限公司对低压电器现场测试结果显示，在海拔高度3000米以下地区可以忽略电气间隙的倍增系数的修正，这主要原因是低压电器制造商（包括本公司UPS）在产品设计时对高海拔地区客户的设备已留有足够的电气间隙余量。所以，增大电气间隙是提高高海拔地区城轨交通UPS 电源设备运行可靠性的重要措施。

（三）高海拔绝缘材料的选择方案

出于安全考虑，一般总希望绝缘材料的绝缘电阻尽可能大，绝缘材料主要包括气体绝缘材料、液体绝缘材料、固体绝缘材料三种，电子信息产品广泛采用气体介质和固体介质达到绝缘的目的，因此绝缘介质的好坏直接影响产品的安全性能。如果设备的绝缘材料在电场中由于超过其绝缘强度被破坏而失去应有的绝缘性能，就会出现绝缘击穿现象，设备将无法继续正常工作。

由于气体绝缘材料、液体绝缘材料受环境条件影响较大，其防护措施也比较复杂、成本高，近年来具有防潮、防腐、防尘、耐低温、耐高温老化、高导热的多功能固体绝缘材料技术产品得到迅速发展，例如：

一是耐高温导热灌封胶对主要部件灌封。灌封胶性能要求长期耐温范围在-50℃-220℃；耐高温老化，良好的抵抗环境和化学介质能力；低粘度，能流畅流进缝隙，电子产品的导热密封性能好；高导热，对各种基材均有良好的粘接性能；适用于各种耐高温电子元器件的粘接。

二是采用以硅橡胶为载体铅酸电解胶取代液态铅酸电解液。高海拔地区环境，压差大，灰尘、风沙大，气候无常，以及昼夜温差大等极端环境。普通蓄电池是以液态硫酸为电解液的铅酸蓄电池，外壳是耐酸塑料制品，其抗高温、耐低温能力远不能适应高原环境条件下长期可靠运行，其突出缺点是极低温度下，硫酸溶液电解能力下降，蓄电池的蓄电量也明显下降，无法满足UPS的正常放电需求，剧烈的温度变化，加上压差大，造成蓄电池塑料外壳产生变形、爆裂、提前老化而报废。因此，抗高温、耐低温能力更强、又能减轻压差影响的胶体铅酸蓄电池则应运而生。

以硅橡胶为载体铅酸电解胶取代液态铅酸电解液制成的蓄电池称为胶体铅酸蓄电池，胶体铅酸蓄电池具有明显的抗高、低温性能优势，例如用于极高海拔地区的“珠峰太阳能发电站”就是采用胶体铅酸蓄电池；胶体铅酸蓄电池另一特点是体积小些、重量轻些、废气排放也少很多。

三是采用干式电解电容器。在高海拔地区，电解电容器暴露的缺点与普通铅酸蓄电池的缺点基本相同，在电解电容器其正、负电极之间绝缘是属于液体绝缘材料，普通电解容器中有铝箔浸在硼砂水溶液内，因为硼砂溶液是一种电解液，它作成容器中的传导面。由电解作用在铝箔表面形成一层氧化铝，氧化铝就成了铝箔和电解液之间的介电质。因此，剧烈的温度变化，加上压差大，将造成电解电容器铝外壳产生变形、如果电容内部气压高于外部空气气压就会爆裂，容量下降会造成UPS 无法正常工作甚至报废。即使是国际上最好的电解电容，海拔高于6000 米以上也需要使用干式电容。干式电容其实也含电解液，之所以称之为干式，只是因为它里面的液体是容纳吸附在湿棉纱或纸或浓厚的筒子里，干式电解容器中没有像湿式有自由流动液体。因此，近年来抗高温、耐低温能力更强、又能减轻压差影响的干式电解电容器得到快速发展，并成为高海拔地区用电子、电气产品的首选。

普通型UPS 内采用大容量电解电容作为滤波电容，但因其在高海拔地区使用过程中所暴露的缺点，只能在降容的状态下运行，造成UPS 设备容量的极大浪费，根据我们多年的实践证明，优质的日本及德国大容量电解电容在海拔5000m 以上海拔高度的使用性能仍然保持稳定可靠。

（四）进一步提高高海拔UPS 可靠性的方案

1.采用高防护等级机箱设计

高海拔地区的环境条件对设备的防水性能要求更加严格。在高原和沙漠地区，由于雨水稀少，大多数电气设备也需要按照防水防尘设计，以避免被风沙和降水侵蚀，保持设备运行稳定性。为此，高海拔地区城轨交通UPS 电源需提高机箱外壳的防护等级，建议5000 米高度环境最少能达到IP54 的防护等级，可以有效提高UPS 电源的长期运行稳定性。高防护等级UPS电源防尘、高效散热结构见图1。

图1 高防护等级UPS 电源防尘、高效散热结构图

2.采用风道式高效通风散热系统设计

一是设计完善的散热风道结构。更强的散热能力一直是UPS 设计者追求的主要目标之一，只有有了优秀的散热环境，UPS 才有机会在更高的输出功率下稳定工作。使用高端散热器可以提高硬件的散热能力，降低硬件温度，但由于所有硬件都被封闭在机箱内，因此如果机箱本身没有良好的通风环境，那么再高端的散热器也发挥不出应有的作用。另外，高海拔地区由于空气稀薄，放热系数低，对流散热传递的热量减少将导致UPS 电源随着温升的增加而引起性能的下降。

为了提高机箱整体的散热能力，不能将两个发热量大的部件（例如整流模块、逆变模块）靠在一起，应做好合理的摆放，否则两个发热量大的大功率部件的风扇可能形成对吹或互相阻挡干涉散热风流的现象，明显降低散热效果。因此将发热量大的部件电源移到距离散热风道比较近的位置，让散热风流直接把大功率部件产生的热量集中快速吹走，这样的设计不仅提高了散热系统的散热效率和发热大功率部件的使用寿命，也提高了UPS 电源设备的带载能力和运行稳定性可靠性。

二是成功应用案例介绍。本公司工程师所发明的《一种用于电源设备的防尘、高效散热结构》专利技术，是专门针对高海拔地区UPS电源设备的散热问题而设计的，已成功应用于青藏铁路沿线各车站及西藏高原牧场的多套UPS 电源和光伏逆变器设备，与用户之前所使用的传统散热方式的其它同类UPS电源相比较，发明专利技术所带来的散热效果、带载能力及整机稳定性能的改善十分明显大功率UPS电源防尘、高效散热结构见图2。而且，这些应用场所的海拔高度都达到4000 米以上，唐古拉山口火车站的海拔高度甚至达到了5231米。本公司的UPS 电源逆变器投入使用至今已超过五年，所有电源设备均保持了良好的安全稳定运行状态，并获得了用户的充分肯定。

图2 大功率UPS 电源防尘、高效散热结构图

综上所述，高海拔地区由于环境条件比较恶劣，给城轨交通UPS 电源设备的安全运行带来很大的影响，我们通过降额降容使用UPS 方式，以及采用高防护等级机箱设计、风道式高效通风散热系统设计等方面技术措施，和采用增大电气间隙的电气配件、耐高温导热灌封胶灌封部件、胶体铅酸电池、干式电解电容器等高海拔专用配件材料等等各种办法和举措，完全可以消除高海拔环境条件所带来的影响，使城轨交通UPS 电源设备的应用也能达到与平原地区同等水平的运行稳定性、可靠性和使用寿命。