UPS電源在朔黃鐵路信號系統(tǒng)中的應用分析

張翼翔

（朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司原平分公司，山西原平 034100）

1 概述

近年來，隨著朔黃鐵路運量的大幅增長，行車密度不斷增加（追蹤間隔為8?min一列），為保障安全、準確、迅速和經(jīng)濟的行車組織，提高鐵路通過能力，對通信、信號等一級負荷供電可靠性的要求也越來越高，不僅要求不間斷的供電，而且要求電壓、頻率相對穩(wěn)定。一旦電源側(cè)出現(xiàn)故障，勢必嚴重影響行車，經(jīng)濟損失相當巨大。

2 信號系統(tǒng)供電現(xiàn)狀

信號設(shè)備對電源的基本要求：可靠、穩(wěn)定和安全。為了保證朔黃鐵路沿線各車站信號和通信系統(tǒng)的用電，在全線架設(shè)了10?kV自閉線路和10?kV貫通線路。自閉線為各車站信號、通信系統(tǒng)提供一路電源，貫通線提供二路電源，兩路電源互為熱備用。通過信號變和綜合變將10?kV變成0.38?kV后，分別供到通信、信號機械室電源配電箱入口，然后經(jīng)雙電源切換裝置下口饋出至通信、信號設(shè)備。

3 存在的問題及危害

3.1 電壓波動大、諧波含量高

如圖1所示，10?kV配電所由地方電源和動力變兩路電源輸入，而動力變主要從鐵路沿線的牽引變電所取得電能。當配電所輸入電源由動力變供電時，由于變壓器原邊取自牽引變電所27.5?kV母線，電力機車在啟動或運行時，會產(chǎn)生大量的高次諧波，通過接觸網(wǎng)傳輸，會造成動力變27.5?kV側(cè)電能污染嚴重，同時也使27.5?kV側(cè)電壓波動劇烈。諧波污染對電力設(shè)備的危害相當嚴重，主要表現(xiàn)為：過負荷和發(fā)熱、增加戒指應力和過電壓，甚至破壞電子設(shè)備和保護控制設(shè)備的性能。當電源中諧波含量達到一定數(shù)值時，信號電源屏中的相序繼電器就會啟動，切斷信號電源屏接觸器上的電源，導致輸入電源無法送到電源屏上。在實際使用中，曾多次發(fā)生信號設(shè)備發(fā)熱及被燒損的故障。

當?shù)胤诫娫垂╇姇r，由于其上級電源為地方公共電網(wǎng)，供電質(zhì)量相對于動力變已有大幅改善。但仍然存在諸如斷電、電壓過高或過低、電壓瞬間跌落、減幅震蕩、高壓脈沖、諧波失真、雜波干擾、頻率波動等許多問題，這些供電的不良情況隨時都可能對信號設(shè)備產(chǎn)生影響。

3.2 失壓后，配電所自動重合閘時限大于雙電源切換時限

朔黃鐵路自閉電源由東向西為主供方式，貫通電源由西向東為主供方式。如圖2所示，此時假設(shè)東配電所自閉一為信號系統(tǒng)一路主供，當東配電所貫通二檢修或故障后，此時自閉一一旦失壓，配電所自動重合閘啟動，自動重合閘時間為0.5?s，大于雙電源切換時限0.15?s的要求，會造成雙電源切換裝置瞬時兩路失壓。導致軌道電路紅光帶，信號機瞬間關(guān)閉，車站行車室黑盤或花盤。

3.3 失壓后，配電所備自投時限大于雙電源切換時限

如圖2所示，當東配電所貫通二檢修或故障后，此時自閉一故障，重合不成功。西配電所檢測到自閉線路無電壓時，會啟動備自投，由西配電所自閉二向信號變供電。但備自投啟動時間為1.5?s，遠大于雙電源切換時限0.15?s的要求，會造成信號瞬時失壓。

這樣，從東西配電所來看，表面上相當于四路電源在保障信號系統(tǒng)的用電。但由于時限的不匹配，根本無法滿足信號系統(tǒng)不間斷供電的要求。

3.4 自閉、貫通兩路電源同時停電

由于自閉和貫通線路大多位于山區(qū)，且屬于露天架設(shè)，很容易遭受雷電、暴風雨等惡劣天氣的影響。一旦發(fā)生故障，很難在短時間內(nèi)恢復。如果出現(xiàn)兩路電源同時停電，區(qū)間UM71設(shè)備按照設(shè)計要求需重啟檢查，第一趟發(fā)往區(qū)間的列車必須開放調(diào)車信號，利用綠色許可證發(fā)車，方能恢復區(qū)間設(shè)備重新運行。這樣就會嚴重擾亂行車組織，影響運輸生產(chǎn)任務的完成，此類故障在管內(nèi)已經(jīng)多次發(fā)生。

目前，朔黃線即將開行2萬t列車，如果列車運行在坡道或小半徑曲線地段，遇信號突變，列車運行監(jiān)控系統(tǒng)會自動緊急制動，容易造成車輛分離、撞鉤，甚至脫線的重大事故，給重載列車運行帶來嚴重的安全隱患。

3.5 雙電源切換裝置本身存在問題

3.5.1 雙電源切換裝置存在閃斷問題

由于電源屏內(nèi)的雙路切換裝置是由兩個交流接觸器組成的。所以在一路電和二路電互換時，電源屏的主輸入電源會產(chǎn)生一個閃斷，這個閃斷會造成電源屏內(nèi)的各個供電模塊瞬間斷電，這樣一來信號設(shè)備就會出現(xiàn)誤動作或其他問題。

3.5.2 電源屏質(zhì)量檢測存在誤差

當電源屏主用的一路電源不穩(wěn)定，電壓在臨界值之間劇烈波動時，會造成電源屏監(jiān)測電源質(zhì)量出現(xiàn)誤差，不會自動切換至另一路電源。但電源的波動會造成電源屏瞬間斷電，出現(xiàn)已經(jīng)開放的信號關(guān)閉、電碼化瞬間中斷以及信號機瞬間滅燈。

3.5.3 雙電源切換裝置故障

由于雙電源轉(zhuǎn)換的動作輸入信號是取自電源進線的上口，當輸入電源的電壓或頻率都正常時，交流接觸器因過流而脫扣造成負載失電，轉(zhuǎn)換裝置并不會動作。

4 解決方案

4.1 解決方案概述

為了解決上述問題，可以在雙電源切換裝置輸出下端加入UPS電源。利用UPS電源的后備電池組和持續(xù)供電能力來保證電源屏的一路電不掉電。方案中電源屏二路電不做改動，當UPS電源出現(xiàn)故障并退出運行時，電源屏仍然可以使用二路電源繼續(xù)工作。

如圖3所示，信號Ⅰ路電源和Ⅱ路電源，經(jīng)過雙電源切換裝置后接入UPS電源，經(jīng)過UPS電源后給信號電源屏供電。

UPS電源的工作原理如圖4所示。

UPS（Uninterruptible?Power?System?）是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。當外電輸入正常時，UPS將交流電整流穩(wěn)壓后形成直流電，一部分向機內(nèi)蓄電池充電，一部分進入逆變器，經(jīng)逆變器將直流轉(zhuǎn)成交流向負荷供電；當外電中斷時，?UPS立即將機內(nèi)電池的電能，通過逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娎^續(xù)為負載供電。

4.2 方案實施

4.2.1 UPS電源功率選擇

選擇UPS容量一般是以額定電壓和額定電流為計算依據(jù)，如果僅以此來計算，則會使UPS容量選得偏低，有可能造成UPS因過載或操作過電壓而引起頻繁跳轉(zhuǎn)。所以，確定UPS容量時，除了考慮信號負荷平均功率以外，還要考慮非線性負荷的峰值電流及持續(xù)時間對電源的影響。重點考慮以下兩點。

1）各車站信號負荷數(shù)據(jù)需準確，信號負荷的工作特性要清楚。例如：轉(zhuǎn)撤機的工作電流及啟動電流；25?Hz分頻器的工作條件等。

2）當負荷側(cè)發(fā)生過載或短路時，UPS保護動作應有選擇性。

以朔黃線滴流磴車站信號室為例，滴流磴站信號室內(nèi)共有3塊電源屏，分別是：信號智能電源屏（PZGWJ-10/380/25電動轉(zhuǎn)撤機）、三相10?kVA交流轉(zhuǎn)撤機穩(wěn)壓電源屏（液壓轉(zhuǎn)撤機）和10?kVA自動閉塞區(qū)間智能屏。為便于表述，將這3塊電源屏分別按上述順序命名為：1#屏、2#屏和3#屏。

如圖5所示，3塊電源屏的供電結(jié)構(gòu)都為雙路供電。其中1#屏和3#屏的雙路電從同一個配電箱A引入，2#電源屏從另一個配電箱B引入。根據(jù)3塊電源屏的供電結(jié)構(gòu)，從兩個雙路配電箱A和B內(nèi)的輸出端測量，即可測得每一個電源屏的功率。1#屏和3#屏的總功率可由配電箱A測得。如表1、2所示。

表1 動態(tài)時總功率表（記錄每一相電流的最大值，所有道岔都動作）

表2 靜態(tài)時總功率表（記錄每一相電流的最大值，所有道岔都處于靜止狀態(tài)）

根據(jù)以上表格，最大時功率為11 156 W,約11.2 kW。所以，將UPS功率選定為20 kVA。20 kVA?UPS電源，最大輸出功率為16 kW,每相最大輸出電流為25 A，過載能力125%負載情況下不斷電?？蓾M足現(xiàn)場需求。

4.2.2 UPS電源電池組選擇

1）后備時間的確定

由于信號系統(tǒng)為雙路供電，UPS電源只是為了解決兩路斷電、重合閘、備自投以及雙路切換時產(chǎn)生的閃斷問題，所以UPS電源的后備時間不需太長。后備時間按照鐵道部要求，有維護人員值守車站UPS后備供電時間30?min配置蓄電池，無維護人員值守車站UPS后備供電時間2?h配置蓄電池。

2）蓄電池的選擇

根據(jù)鎘鎳電池的放電特性曲線,以滿足后備時間內(nèi)不間斷供電的要求來確定電池容量。選擇時需考慮:①充放電特性好。除用標準充電電流外,還可以用較大電流(0.5?CA)或較小電流(0.05?CA)進行充電,并能耐過充或過放電。②溫度特性好。使用溫度范圍寬,可在-40～+45?℃的環(huán)境溫度下使用。

在本方案中，選擇使用12?V?38?Ah電池32只，做為后備電池組，可提供30?min左右后備時間。

4.2.3 UPS主機選擇

UPS主機除具備三相在線外，還必須具有下述特點。

1）輸入電壓允許在額定電壓±15%范圍內(nèi)波動,輸出電壓穩(wěn)壓精度是額定電壓±1%。

2）市電/電池之間切換時間不大于3?ms(國內(nèi)信號電源切換時間150?ms),切換過程均能鎖相。

3）UPS能承受150%過負載、持續(xù)1?min的過載能力。

4）UPS能承受100%三相不平衡負載,中性點電壓無漂移(低壓配電系統(tǒng)中負載不平衡度為25%)。

5）當發(fā)生短路、長時間過載等異常情況時,能快速地保護UPS主機并發(fā)出報警音響,當事故解除自動恢復供電。

6）先進的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),操作簡單,存貯信息量大。

5 UPS方案試驗效果

5.1 解決了信號電源雙路轉(zhuǎn)換中的問題

兩路電源進行轉(zhuǎn)換時，需要小于0.15?s的轉(zhuǎn)換時間，采用UPS電源可以消除這個轉(zhuǎn)換時間。

當外電從一路電向二路電轉(zhuǎn)換或二路電向一路電轉(zhuǎn)換時，UPS會檢測到外電閃斷，在中央處理器調(diào)控下，整流器停止工作，電池組立即向外輸出直流，電池組向外輸出的直流代替了整流器輸出的直流，再通過逆變器，依然為電源屏提供不間斷的交流電。電池組與逆變器之間的電容組起著承上啟下的作用，從外電中斷到電池組供電，這個時間差（約3?ms）內(nèi)的直流能量就由這個電容組內(nèi)直流能量來補充。這樣就做到了從外電斷電到電池組供電的零時間轉(zhuǎn)換。

當外電的閃斷結(jié)束后，UPS會檢測到外電正常，所以UPS馬上進入正常狀態(tài)。這樣就徹底解決了上面所述雙路切換裝置在轉(zhuǎn)換過程中存在的問題，消除了重合閘、備自投和切換裝置之間時限不匹配，以及雙路切換裝置閃斷造成的設(shè)備隱患。

5.2 解決了信號電源兩路停電的問題

當自閉和貫通兩條電力線路同時斷電，利用UPS電源中配備的電池組，將電池組的直流通過UPS中的逆變器轉(zhuǎn)換成交流電，繼續(xù)為電源屏等負載供電，保證信號電源屏等設(shè)備能持續(xù)工作。同時不會因為雙路電的瞬間斷電，而引起電源屏等設(shè)備非正常關(guān)機，以及設(shè)備的軟硬件損壞，最大限度地減少了經(jīng)濟損失，保證了正常的行車安全。

5.3 解決了電源諧波的問題

信號電源經(jīng)過UPS電源濾波、整流、逆變的交直交變換后，將輸入電源的諧波濾掉，給信號系統(tǒng)供應符合要求的三相電源。

經(jīng)過對UPS輸出側(cè)的三相電壓測試，試驗結(jié)果表明：轉(zhuǎn)撤機沖擊性試驗按每間隔5?min沖擊一次，持續(xù)時間約10?s,連續(xù)重復24個循環(huán)，UPS不旁路不跳閘。通過對諧波含有量的測試，三相電壓奇次諧波、偶次諧波、綜合畸變率均符合國家《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標準要求，電源質(zhì)量得到了明顯改善。

綜上所述，為解決信號電源兩路電源同時停電、雙電源切換裝置閃斷、自動重合閘和備自投轉(zhuǎn)換過程時限不匹配以及電能質(zhì)量污染嚴重等問題。在供電回路中加裝UPS電源，達到了改造的目的，取得了理想的較果。

6 試驗中存在的問題及設(shè)想

6.1 單臺UPS電源的可靠性

在雙路電源轉(zhuǎn)換供電系統(tǒng)中，加入UPS電源后，可以解決兩路電源存在的諸多問題。但是，從圖3所示的供電系統(tǒng)中可以看出，由于只有電源屏一路為UPS輸入，二路仍然是靠信號Ⅱ路供電。當單臺UPS電源內(nèi)部故障時會自動轉(zhuǎn)入旁路供電，此時如果二路出現(xiàn)瞬時跳閘或故障，仍然會造成電源屏停電。這樣看來單臺UPS電源的可靠性稍差一些。為了解決單臺UPS電源存在的不穩(wěn)定性，在此可以將信號室單臺UPS的工作方式設(shè)計成并聯(lián)冗余工作方式。

6.2 UPS電源并聯(lián)冗余系統(tǒng)

UPS電源并聯(lián)冗余系統(tǒng)，是在獨立的多個單臺UPS電源之間，建立一定的通信協(xié)議，使多臺UPS能夠同時工作在一個系統(tǒng)中，同源輸入，同源輸出。正常工作時均分負載容量，其中一臺出現(xiàn)故障時自動退出運行，負載會無間斷的轉(zhuǎn)到其他UPS電源上。這臺故障的UPS電源可以完全從系統(tǒng)中取下維修。故障排除后，可以再次投入到系統(tǒng)中，負載依然無間斷的均分過來。

并聯(lián)冗余系統(tǒng)可分為“1+1”并機和“N+1”并機?！?+1”并機是指兩臺UPS并聯(lián)運行，所帶負載總量不能大于其中一臺單機的帶載能力?！癗+1”并機是指3臺以上UPS并聯(lián)運行，所帶負載總量不能大于N臺。

采用“N+1”主要是為了擴容，可是并聯(lián)的機子過多，也會產(chǎn)生過多的節(jié)點，從而影響供電系統(tǒng)的整體運行。其中可靠性最好的要屬“1+1”并機系統(tǒng)，因此，在接觸器控制的雙電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，為了有效解決單臺UPS故障，二路電源不穩(wěn)定的問題，可以在雙路切換裝置與電源屏之間加入“1+1”并機UPS供電系統(tǒng)。

6.3 并機特點

如圖6所示，采用2臺UPS并機，成本約為單機費用的2倍。雖然成本有所增加，但是采用2臺UPS并聯(lián)使系統(tǒng)的可靠性得到很大提高。當二路電源斷電時，電池組供電，轉(zhuǎn)換時間不大于3?ms，對信號系統(tǒng)幾乎是零切換，沒有任何影響。單臺UPS故障時，維修方便，不影響信號系統(tǒng)不間斷供電。允許外部電源有很寬的電壓波動，而輸出電壓精度為±1%。智能電池管理功能，可有效延長蓄電池的使用壽命，為今后信號供電自動化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化提供良好的擴展條件。

7 結(jié)束語

隨著鐵路建設(shè)的發(fā)展及朔黃運能的要求，對信號供電的要求越來越高，通過對信號系統(tǒng)進行UPS電源改造，成功解決了日常生產(chǎn)中亟待解決的幾個問題。同時，為使信號系統(tǒng)供電標準化、系列化，以及UPS在信號系統(tǒng)中的推廣應用提供了強大的技術(shù)支持，為朔黃線安全營運提供了可靠的電能保障。

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