摘要：针对地铁行业UPS（不间断电源）的故障量不断上升的问题，为了减少UPS的故障量，保证地铁的正常运营，提出了一种适合地铁行业的20 kVA以下UPS的离线式维修策略。首先简单介绍UPS的基本模块和工作模式；然后列举UPS的4个常发故障点，包括：电解电容、聚丙烯电容、IGBT、风扇，分析常发故障点的故障原理，预测其使用寿命；再结合地铁的实际生产环境制定UPS的维修方式；最后制定了地铁20 kVA以下UPS的离线式维修策略。将该UPS维修策略应用在广州地铁站台门专业的UPS,减少UPS的返修率和故障数量，提高UPS的维修质量，保障广州地铁的正常运营，实现预期目标。

　　关键词：不间断电源；故障分析；离线式；维修策略

　　0引言

　　UPS主要功能是提高交流电质量和保证市电断电时的供应,已成为地铁不可或缺的一部分。UPS在地铁所处环境较差：地铁环境封闭，对于南方湿气较重的地方，对UPS更是灾难性的打击；UPS环境积尘多，容易导致电路板卡的绝缘性下降，影响UPS的正常工作；UPS全天不间断工作，容易累积热量，再加上环境封闭，热量无法传输。高温是导致电子元器件老化的主要元凶，大大缩减电子元器件的使用寿命，提升电子元器件的故障概率。上述原因导致地铁行业UPS的故障数量也在不断上升。目前，很多学者开展了UPS的维修研究,地铁行业也开展UPS的自修业务，但是目前地铁行业UPS维修主要面临3个难题：一是UPS种类繁多，每个品牌的设计思路不一样，建立地铁行业UPS的维修能力的难度相当大；二是UPS数量巨大，且分散在各个专业和设备中，其维修工作难以开展；三是如何提前解决隐患故障点，保证UPS的维修质量。UPS故障影响地铁系统的供电，会导致地铁无法正常运营。针对以上的问题，本文提出一种地铁行业20 kVA以下UPS的离线式维修策略。针对不同的使用寿命采用不同的维修方式，在提高维修质量的前提下，提高维修人员的利用率。该UPS维修策略适用于地铁行业UPS的维修，能有效的保证地铁的正常运营。

　　1 UPS的基本原理

　　1.1 UPS的基本模块

　　UPS是由整流模块、逆变模块、辅助电源模块、控制模块、信号模块组成。整流模块将交流电整流为直流电，给后级电路提供工作电源；逆变模块通过IGBT改变直流电的电流方向将直流电逆变成交流电；辅助电源模块提供低压电源+5 V、+12 V、+24 V等；控制模块接收信号模块的信息，控制各个模块的启动和停止；信号模块收集各个模块的反馈电压电流信息，判断模块的工作状态，从而通过控制模块进行调节。

　　1.2 UPS的工作模式

　　UPS工作模式主要分为4种：市电供电模式，蓄电池供电模式，工作旁路模式，静态旁路模式。

　　1.2.1 UPS市电工作模式

　　市电供电模式是指UPS的整流模块将交流电转换成直流电，一方面给蓄电池充电，另一方面经过逆变器将直流电转成220 V交流电，再由滤波电路滤波后给负载供电，如图1所示。

　　1.2.2蓄电池供电模式

　　蓄电池供电模式是指当市电无法正常工作时，主板检测到市电无输入，UPS自动切换至蓄电池供电模式，蓄电池将直流电送至逆变器，逆变器将直流电转成220 V交流电，再通过滤波电路滤波，滤波后的交流电供给给负载工作，如图2所示。

　　1.2.3工作旁路模式

　　市电和蓄电池都异常时，切换至工作旁路模式，市电直接供电给后级负载。

　　1.2.4静态旁路模式

　　当UPS需要停机维修时，人工切换至静态旁路模式，市电绕开UPS给后级负载供电。

　　2 UPS常发故障点

　　2.1聚丙烯电容故障

　　2.1.1功能作用和隐患风险

　　聚丙烯电容的在UPS的主要作用是在输入、输出端对交流电滤波，保持电路稳定。聚丙烯电容故障，轻者会导致后级电路损坏，重者会冒烟引发火警联动装置故障，因此聚丙烯电容在UPS中是重大风险隐患点。

　　2.1.2故障分析

　　聚丙烯电容的故障原因主要是以下3种。

　　(1)容值下降。聚丙烯薄膜电容器的容量大小取决于薄膜金属层面积的大小。在电容器制作过程中，膜层之间存在微量的空气，且较难完全消除。电容器工作时，空气在电场作用下，有可能被电离。空气电离后产生臭氧，臭氧是一种不稳定的气体，常温下自行分解为氧，是一种强氧化剂，低浓度下可瞬间完成氧化作用。金属化薄膜的金属镀层（成份为Zn/Al)遇到臭氧分解的氧后立即氧化，生成透明不导电的金属氧化物ZnO和Al2 O3,实际表现为极板面积减小，电容器容量下降。

　　(2)长期过电压或过电流。电容长期高负荷工作或瞬间电流过大或电压过高，会导致电容内部受损，容易导致电容容值和损耗值的下降。

　　(3)环境温度过高。电容长期在温度过高的环境下工作，会减少电容寿命。

　　2.1.3寿命分析

　　统计市面上常用的聚丙烯电容的厂家测试寿命为参考标准。通用的聚丙烯电容额定最高工作温度为85℃,最高温温度下寿命时间为2000 h,实际工作环境温度40℃,厂家测试聚丙烯电容连续工作时间为70 000~80 000 h,预测寿命为7.9~9.1年。

　　2.2电解电容故障

　　2.2.1功能作用和隐患风险

　　电解电容在UPS的主要作用是直流电压的滤波，稳压。电解电容故障会腐蚀电路板引发UPS故障。电解电容故障一般只是导致UPS无法正常运行，但是严重时电解电容漏液，由于电解液具有导电性，可能引发电解电容附件的元器件短路。

　　2.2.2故障分析

　　电解电容的故障原因主要是以下4点。

　　(1)容值下降。通常电解电容器寿命的终了评判依据是电容量下降到额定（初始值）的80%以下。由于早期铝电解电容器的电解液充盈，电解电容器的电容量在工作早期缓慢下降。随着负荷过程中工作电解液不断修补被杂质损伤的阳极氧化膜所致电解液逐渐减少。到使用后期，由于电解液挥发而减少，粘稠度增大的电解液就难于充分接触经腐蚀处理的粗糙的铝箔表面上的氧化膜层，这样就使铝电解电容器的极板有效面积减小，即阳极、阴极铝箔容量减少，引起电容量急剧下降。

　　(2)长期过电压或过电流。电容长期高负荷工作或瞬间电流过大或电压过高，会导致电容内部受损，容易导致电容容值和D值的下降。

　　(3)环境温度过高。电容长期在温度过高的环境下工作，会减少电容寿命。

　　(4)电解液漏液。电解液漏液会导致容值下降，并且泄漏的电解液会腐蚀电路板影响其他模块。

　　2.2.3寿命分析

　　在环境温度、纹波电流发热影响下的电解电容寿命公式为：

　　L=LO×2

　　式中：LO为最高温度和额定纹波电流下的寿命，取值为2 000 h;TO为额定工作温度，取值为105℃;T为实际工作温度，取值为40℃;K为纹波电流加速因子（纹波电流在允许的范围内时K=2,纹波电流超过允许范围时K=4),本文取值为2;ΔTO为额定温度时电容器中心允许温升，取值为5℃;ΔT为实际工作温度下电容器的中心温升，取值为10℃。

　　经计算，电解电容寿命约为14.6年。根据历史的维修数据，可以发现UPS上电解电容的故障也主要集中在10年之后。

　　2.3 IGBT故障

　　2.3.1功能作用和隐患风险

　　IGBT在UPS主要作用于逆变模块和整流模块，通过不断的开通关断实现逆变和整流的作用。IGBT故障会轻则导致UPS无法工作，跳旁路供电，重则导致UPS上级空开跳闸，使得该空开后级的所有设备无法工作。

　　2.3.2故障分析

　　IGBT的故障原因主要是以下4点。

　　(1)铝键合引线脱落。IGBT故障的一个主要原因是键合引线的脱离，这是由器件在工作中经受的热循环引起。随着器件的温度循环，在高温到低温的反复冲击下引线受热时膨胀，冷却时收缩，这样经过多次反复的膨胀和收缩使金属疲劳而失效，两种材料的热膨胀系数的差异将会导致在导线和硅片之间的结合界面上的应力积累，引发引线断开，最终导致器件失效。

　　(2)材料层之间的焊接失效。IGBT是由多层材料组合而成。在IGBT工作期间，在温度循环下IGBT模块的不同材料因为具有不同的热膨胀系数，因此IGBT可能由于反复的热胀冷缩，最终导致焊接层失效。

　　(3)栅介质击穿短路。栅介质击穿时，通常可以分为瞬时击穿和与时间有关的栅介质击穿。

　　(4)二次击穿失效。二极管或晶体管的P-N结处的反向电压受到雪崩击穿的电压值，P-N结的绝缘将被破坏，并且反向电流将迅速增加。

　　2.3.3寿命分析

　　目前，预测IGBT模块的使用寿命方法通常采用老化实验,即功率循环试验数据来建立IGBT寿命模型。预测IGBT寿命模型有很多，其中包括Coffin-Manson模型、Lesit模型、Bayerer模型、Norris-Landzberg模型等。

　　2.4风扇故障或积尘过多

　　风扇的作用是为UPS内部散热。风扇故障会导致UPS工作温度过高，UPS报过温预警，严重时由于UPS内部温度过高导致其他元器件老化严重引发更严重的故障。积尘过多会引起风扇性能下降。风扇无通用计算公式，常用风扇的寿命为7~11年。

　　3 UPS维修策略

　　根据元器件功能、故障后果、故障分析、寿命预测、故障占比5个方面对故障点分析，制定相应的维修策略。
      3.1 UPS维修方式
      根据维修目的、维修方式、维修内容、维修周期的不同，UPS的维修主要有4种形式：故障修、可靠性维修、预防性维修、委外维修。故障修：只对UPS的故障点进行维修。可靠性维修：评估UPS的潜在故障点，有计划地开展批量流水线式的维修，提前解决UPS的潜在故障点，主要针对电解电容、聚丙烯电容、风扇这种故障周期比较集中、故障后果严重的元器件。预防性维修：在累计到一定的维修数量后，分析同一类型号UPS的通病，制定痛点元器件，在后续维修中提前更换，解决痛点。委外维修：针对无维修能力的UPS,可借助市场力量，通过外单位的维修能力维修。

　　3.2 UPS维修策略

　　根据4种维修方式，可制定地铁20 kVA以下的UPS离线式维修策略，如图3所示。

　　(1)UPS使用年限在0~7年时，采用故障修方式。

　　(2)UPS使用年限在7年左右时，采用可靠性维修方式，通用的聚丙烯电容的使用寿命在7.9~9.1年，鉴于聚丙烯电容造成事故的影响性比较大，故在7年左右时执行可靠性维修。

　　(3)UPS使用年限在8~11年时，采用故障修＋预防性维修的方式。

　　(4)UPS使用年限在12~15年时，采用可靠性维修方式，UPS使用过程中其他元器件性能也会有所下降，会加剧电解电容的老化，为了安全起见，故在第11年执行第二次可靠性维修。

　　(5)UPS使用年限在15年以上时，建议报废。

　　4 UPS维修策略的应用案例

　　根据上述的UPS维修策略，应用于广州地铁的站台门专业的普兰特UPS。普兰特UPS使用年限已超过10年，根据第3节的维修策略，将对所有的UPS开展可靠性维修。下文将开展普兰特UPS的故障分析，确定可靠性维修更换内容，开展可靠性维修，验证UPS维修策略的效果。

　　4.1故障分析

　　通过第2节的分析，UPS常发故障点为聚丙烯电容、电解电容、IGBT、风扇或积尘。

　　普兰特UPS的使用年限已超过10年，根据前文的寿命分析，聚丙烯电容、电解电容、风扇的寿命不超过10年。通过对历史的故障数据进行分析，发现普兰特UPS的常发故障点为三相输入

　　输出的聚丙烯滤波电容、输出的滤波电容、风扇，最为严重的是聚丙烯电容发生鼓包冒烟，如图4所示。抽样10台未发生故障的UPS,检测发现80%三相输入输出的聚丙烯滤波电容的容值下降40%,50%输出的滤波电容下降30%,50%风扇的转速下降30%,已经不合格。

　　通过历史故障数据分析和抽样检测，明确普兰特UPS的隐患故障点为三相输入输出的聚丙烯滤波电容、输出的滤波电容。

　　4.2验证U PS维修策略的效果

　　在2019年9月开展实施可靠性维修，在2021年1月完成实施。在2019—2020年普兰特UPS的返修率明显下降，返修率从2018年的25.33%迅速下降到2019年5.33%再到2020年的0%。普兰特UPS的故障数量在2021年后急剧下降，2020年之前年故障件为115件，2021年之后的年故障件为9件。

　　通过普兰特UPS的维修案例中，得出UPS维修策略的实际应用具有不错的成效。

　　5结束语

　　地铁行业UPS运行环境恶劣、UPS种类繁多，造成UPS故障数量越来越多，地铁的正常运营得不到保障。基于此，本文提出了一种适合地铁行业20 kVA以下UPS的离线式维修策略。首先介绍UPS的基本模块和工作原理，统计地铁行业UPS的常发故障点，并针对常发故障点开展故障机理分析和寿命分析，相应地提出了4种维修方式，最终根据地铁行业的实际生产情况提出适合地铁行业的20 kVA以下UPS的离线式维修策略，根据不同的使用年限采用不同的维修方式。最终将该UPS维修策略试点应用在广州地铁站台门专业的普兰特UPS上，提升了普兰特UPS的维修质量。

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