蓄電池酸霧導致開關電源模塊故障案例分析

慕家驍；侯福平；范永聰

（中國電信股份有限公司廣東研究院）

0 引 言

通信電源機房內(nèi)閥控式密封鉛酸蓄電池出現(xiàn)漏液是否會導致開關電源故障？這在一般人看來好像是不可思議的事情，然而當我們查清原因之后，發(fā)現(xiàn)這之間的確是存在著某種必然的因果關系。

1 故障現(xiàn)象及處理過程

2011年3月上旬，某地動力維護人員巡查機房時，在動力機房內(nèi)聞到了一股強烈的刺鼻酸性氣味，很快發(fā)現(xiàn)鉛酸蓄電池組有2個單體大量漏液，并腐蝕了蓄電池架和地面。機房內(nèi)一套開關電源系統(tǒng)所有5個整流模塊的交流空開均處于跳閘狀態(tài)，蓄電池正在放電，放電電流30 A，放電電壓46.5 V。此時維護人員試合上了第一個槽位整流模塊交流輸入空開，模塊內(nèi)部立即發(fā)生巨響，空開再次跳閘，隨后把5個模塊全部取出機架、把電池脫離系統(tǒng)?，F(xiàn)場用另一套開關電源系統(tǒng)的好的整流模塊分別插入這5個整流模塊插槽通電測試，均能正常工作，證明電源整流機架工作正常。該開關電源廠家立即派人趕到現(xiàn)場進行處理，從原配置的5個模塊中選取第3個槽位的故障模塊重新通電試用，模塊內(nèi)部再次發(fā)出響聲，整流模塊交流空開跳閘。廠家技術人員對其中3個整流模塊檢查測試，發(fā)現(xiàn)如下情況：

1#模塊：維護人員第二次開機時內(nèi)部發(fā)出響聲，并輸入空開跳閘；

2#模塊：用萬用表測試模塊背后交流輸入端子，相間、相與地間均短路；

3#模塊：廠家技術人員第二次開機時內(nèi)部發(fā)出響聲，并輸入空開跳閘。

系統(tǒng)配置情況：該機房內(nèi)開關電源系統(tǒng)是某品牌的500 A系統(tǒng)，整流模塊5個，總負載約30 A左右，系統(tǒng)啟用日期2008年10月12日；蓄電池為某品牌1 000 Ah蓄電池一組，投產(chǎn)于1998年。

運行環(huán)境：該電源機房面積約20 m2，只有一個玻璃門作為出入口，無窗戶，內(nèi)部有空調(diào)及新風機，但當時新風機因故并未開啟，維護人員到達現(xiàn)場后，立即開啟了新風機，刺鼻的氣味逐漸散去。當時機房環(huán)境溫度在20～25℃左右。

2 故障原因分析

（1）整流模塊的分析

從損壞的整流模塊內(nèi)部痕跡分析看，存在如下問題：

a.模塊風口位置的組合螺釘：從圖1可以看到，螺釘表面生成了黃白色的固體物質(zhì)，而遠離風口的螺釘表面光潔度都很好。

圖1 PCB附著有黃白色物質(zhì)的螺釘

b.風口處過孔腐蝕現(xiàn)象：金膜電容近風口管腳和焊盤腐蝕現(xiàn)象嚴重（見圖2），遠風口焊盤依舊光亮，沒有腐蝕痕跡。

圖2 PCB過孔腐蝕現(xiàn)象

檢查發(fā)現(xiàn)在模塊內(nèi)部有比較清晰的腐蝕痕跡，風口處的PCB焊盤、過孔、外殼都可以看到上面有很多不明物質(zhì)，并且在風口處，金膜電容、散熱器、電解電容的迎風面均有晶狀物或霧狀物吸附在上面。風口位置的螺釘表面也有白色的固體生成。

由于只在模塊風口位置檢查到有比較明顯的腐蝕痕跡，其它位置并沒有看到很明顯的腐蝕跡象，導致這種情形的可能原因為：該位置迎風的緣故；腐蝕現(xiàn)象在短時間內(nèi)加劇，使處在風口的迎風面有比較明顯的痕跡。

（2）模塊殘留物質(zhì)成分分析

為進一步確認腐蝕情況，廠家提取了整流模塊內(nèi)部的4類物質(zhì)，送到廣州電子五所進行物質(zhì)成分分析，以便確認模塊內(nèi)部腐蝕物質(zhì)的含量，見表1。

表1 廣州電子五所對整流模塊殘留物質(zhì)成分檢測結(jié)果匯總

從檢測結(jié)果看，S在4份樣本中的含量都非常高，重量比超過15%，而在以往的腐蝕判斷中，1%～3%的S含量就認為是存在腐蝕現(xiàn)象，所以從本次物質(zhì)成分檢測結(jié)果判斷，模塊存在嚴重的腐蝕現(xiàn)象，并且主要是硫酸腐蝕，應該是機房內(nèi)鉛酸電池漏液導致的。

（3）模塊主功率管失效統(tǒng)計

整流模塊主功率管失效統(tǒng)計情況見表2。

從表2可看出，5個模塊的DC／DC變換部分Q1、Q2、Q3均失效，有3個整流模塊Q4失效。5個模塊的PFC部分失效位置比較分散，1#模塊的PFC部分主要功率器件完好。

初步判斷為腐蝕導致Q1的DS極短路出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，使DC／DC出現(xiàn)失效，而在DC／DC失效瞬間，將PFC的母線短路，使PFC環(huán)路超出調(diào)節(jié)范圍，導致PFC部分的主功率器件損壞。而PFC損壞時，相當于輸入某相短路出現(xiàn)大電流，而使輸入空開跳閘。

（4）蓄電池漏液情況

與該開關電源系統(tǒng)配套的閥控式鉛酸蓄電池為某品牌型號的1組1 000 Ah，投產(chǎn)于1998年，已經(jīng)運行了約13年時間。由于維護到位，該組蓄電池容量和電壓測試一直滿足要求，因此盡管到了報廢期限，也仍繼續(xù)留用。但由于多次搬運過程出現(xiàn)塑料外殼破裂和塑料老化，因此蓄電池底部出現(xiàn)了漏液情況，詳見圖3。

表2 整流模塊主功率管失效統(tǒng)計情況（該統(tǒng)計表來自于廠家測試報告）

圖3 蓄電池漏液情況

圖3 中顯示，第18節(jié)和第19節(jié)兩節(jié)單體電池底部破裂漏液相當嚴重，在下層的5、6號電池表面已經(jīng)堆積了很多類似灰燼類物質(zhì)，可以確定漏液現(xiàn)象已經(jīng)出現(xiàn)了很長時間。當時動力機房內(nèi)刺鼻的氣體很可能就是蓄電池漏液所產(chǎn)生的酸霧而導致。

現(xiàn)場可以看到第19#與20#節(jié)電池接觸的支架表面已經(jīng)腐蝕，但沒有燒穿，由于支架是由n型的長條金屬做成，可以看到n型的內(nèi)頂部沒有電池泄露的液體，但是上面的油漆已經(jīng)發(fā)黑碳化。

從現(xiàn)場痕跡看，在19#和20#電池的底部還有煙熏的痕跡；兩電池之間的縫隙有正常電池泄露而產(chǎn)生的黃白色物質(zhì)（硫酸鉛、碳酸鉛等），電池與電池架接觸的位置除了黃白色物質(zhì)，還有黑色的灼燒過的物質(zhì)，泄漏位置的電池架左右兩側(cè)有淡黑紫色物質(zhì)，泄露位置的電池架外圍黃色油漆被灼燒成黑色，在下層的電池表面堆積很大的一堆黃黑色的物質(zhì)，在地面上也有濺落的黃色酸液和黑色殘余物。

（5）原因分析

根據(jù)上述現(xiàn)象，與正常蓄電池泄露相比，該機房蓄電池發(fā)生泄露時，蓄電池與電池架發(fā)生過打火現(xiàn)象，并且有高溫及煙霧產(chǎn)生，這樣的高溫可以使泄露的硫酸被蒸發(fā)成硫酸酸霧散發(fā)到空氣中。所以當時機房空氣中混合有酸霧和煙霧，并且由于機房內(nèi)的新風機沒工作，空氣中酸霧和煙霧的濃度會持續(xù)升高，導致5個整流模塊中的電子元器件被嚴重腐蝕，從而產(chǎn)生瞬間短路跳閘現(xiàn)象，最終導致開關電源系統(tǒng)故障出現(xiàn)。

3 結(jié) 論

該動力機房設備系統(tǒng)已經(jīng)運行比較長時間，在模塊內(nèi)部會有一些灰塵，由于模塊是平放的，模塊的DC／DC部分在模塊的下部，沉積的灰塵要比上部的PFC板多些，而處于風扇風道邊緣位置的Q1管子旁的槽積灰率相對風道中間位置的部位也要高一些，但在密封機房環(huán)境下，這些污染物總量并不大，并不足以影響模塊的運行。

該機房中漏液的19#及20#單體電池與支架發(fā)生打火現(xiàn)象時，打火產(chǎn)生的熱量和煙霧，使支架表面的油漆焦黑，同時熱量使電池泄露的液體被蒸發(fā)，形成酸霧。從蓄電池漏液的痕跡看，蓄電池漏液過程已經(jīng)持續(xù)一段時間，而且同時會有一定量的酸霧排放到空氣中，由于新風機未開啟，通風不暢，酸霧沒有被排出機房外，結(jié)果導致酸霧濃度越來越大。從維護人員進入機房現(xiàn)場感覺來看，酸霧的濃度已經(jīng)不小了。由于酸霧主要是硫酸液體，有很強的導電性和腐蝕性，如此的強酸導電體長時間作用于被腐蝕的PCB板和電子元器件上，一定會使模塊內(nèi)部絕緣性能顯著下降和惡化。該機房酸霧氣體被風扇吸入模塊后，會粘附在PCB及器件表面，與模塊內(nèi)部沉積的灰塵混合，腐蝕PCB，逐漸降低了模塊的絕緣性能。整流模塊的Q1位置處于模塊下部的風扇風道邊緣，電容兩腳之間之前已經(jīng)被腐蝕導致絕緣性能下降，再結(jié)合新粘附的濃度很大的酸霧，使Q1的DS極出現(xiàn)拉弧，破壞了DS極間的絕緣性能，并進一步在DS極之間產(chǎn)生大電流，最終使模塊的DC／DC部分出現(xiàn)失效。而DC／DC部分失效又使母線短路，使PFC瞬間負載超出承受范圍，導致PFC損壞。而PFC失效時，相當于輸入某相短路出現(xiàn)大電流，而使輸入空開跳閘。

4 建 議

（1）到期的蓄電池宜及時更換，同時應加強巡檢次數(shù)，及時處理突發(fā)狀況。

（2）對于動力機房，尤其是蓄電池和動力設備在一起的機房，應加強機房新風通風條件，在可能的情況下，加裝腐蝕性氣體監(jiān)測設備及動力系統(tǒng)監(jiān)測設備，以避免因蓄電池泄漏而影響動力系統(tǒng)的正常運行。

（3）加強電池巡檢，對爬酸、漏液、變形、鼓包的電池應及時進行更換，保證動力系統(tǒng)供電的安全可靠。

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