鐵路信號電源使用現狀及改進建議調研報告(上海)

田永平 劉 延 賀密軍 付建華

為確?？瓦\專線信號電源設備的高可靠、高安全運行，原鐵道部科技司下達了重點課題《客專信號設備電源系統(tǒng)技術方案研究》，主要對客專信號電源的技術方案進行系統(tǒng)的研究，以期從技術規(guī)范和標準化的層面，對客專信號電源的總體技術方案進行規(guī)范和系統(tǒng)化的闡述。繼2013年在《鐵道通信信號》期刊發(fā)表對廣鐵 (集團)公司、武漢鐵路局的調研報告后，現繼續(xù)對上海地鐵10號線虹橋地鐵站控制中心、上海虹橋高鐵站、上海虹橋RBC中心等信號電源的使用情況、存在問題及改進建議進行介紹。

1 調研內容

1.1 上海虹橋地鐵站

上海地鐵10號線虹橋地鐵站控制中心處于地鐵站負1層，信號與通信設備同設在一個機房。調研時，室內溫度26℃，濕度54%?？刂浦行臋C房設置2套防雷配電箱，一套用于給交流轉轍機電源供電，另一套給其他信號電源供電。由于轉轍機啟動時電流較大，對UPS沖擊較大，故將其輸入電源單獨配置配電箱。在防雷配電箱外，還配置了WDCS-I型外電網質量綜合測試儀，用于對外電網電源進行監(jiān)測，所得監(jiān)測數據上傳到信號集中監(jiān)測設備顯示。

1.電源系統(tǒng)。虹橋地鐵站控制中心原采用通信信號綜合UPS的方案，使用單套 GE 80 kVA UPS為機房內所有設備供電。后為了提升信號電源的可靠性，將信號電源從UPS綜合供電中獨立出來，采用雙總線UPS的方式。信號供電系統(tǒng)采用30 kVA智能電源屏，配套雙套GE 20 kVA UPS，UPS為雙母線結構。該站信號電源供電系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2.電池。通信電源的蓄電池組采用了磷酸鐵鋰電池，而非目前通常使用的鉛酸電池。單組電池3.6 V，每節(jié)電池內置監(jiān)測單元，可監(jiān)測電池單體電壓、溫度、總電流等數據，同時可通過數據分析，實現預防修。電池柜防護等級IP54。

相比鉛酸電池，鐵鋰電池具有以下優(yōu)點：①適應范圍寬，使用環(huán)境要求低，能適應0℃ ～40℃工作溫度，而鉛酸電池最優(yōu)的工作溫度是25℃，溫度過高或過低，都會影響其壽命和容量;②在正常使用范圍內，鐵鋰電池壽命超過15年，而鉛酸電池由于受使用環(huán)境的影響，壽命一般為5～8年;③自放電率低，重量輕，體積小，約是同容量鉛酸電池的1/3。

磷酸鐵鋰電池也有不足：①對充電管理要求較高，需要防護單體過充;②價格較高，是同容量鉛酸電池的2～4倍;③應用時間較短，可靠性有待驗證。

為了保證UPS及電池運行可靠，地鐵公司聘請專業(yè)公司每年檢修2次UPS主機，電池每年4次充放電，具有較為完善的周檢保障措施。

圖1 虹橋地鐵站控制中心信號電源供電系統(tǒng)結構框圖

1.2 上海虹橋高鐵站

虹橋高鐵站的信號電源設備代表了京滬高鐵信號電源設備的典型應用配置。該站單獨設置信號電源室，室內采用“中央空調+分體工業(yè)空調機”的控溫方式，保證在中央空調不開機的季節(jié)，使用分體工業(yè)空調維持室內溫度的穩(wěn)定。調研時，室內溫度27℃，濕度70%。

信號電源入口端設置了防雷電源箱和信號微機監(jiān)測系統(tǒng)外電網監(jiān)測單元 (TJWX-2006-HH型)，可將外電網數據實時傳給微機監(jiān)測，滿足對外電網供電質量的分析要求。

該站的電源屏型號為PKX1-C70/380，容量為70kVA，整套設備采用“智能電源屏+雙UPS并聯(lián)冗余”的結構，UPS采用艾默生Nxa6 0雙臺UPS，電池采用松下LC-X1265ST鉛酸電池，后備時間0.5 h。轉轍機電源不經過UPS，由電網直接供電;繼電器、電碼化、區(qū)間移頻等直流負載電源采用高頻開關N+1并聯(lián)冗余方式供電;25 Hz電源模塊采用高頻開關電源1+1熱備切換方式供電;信號點燈、計算機聯(lián)鎖、監(jiān)測、列控、TDCS等交流50 Hz電源，從并聯(lián)UPS電源后經過隔離變壓器供電，虹橋高鐵站供電系統(tǒng)結構框圖如圖2所示。

圖2 虹橋高鐵站信號電源供電系統(tǒng)結構框圖

現場對輸入電源進行了測試，三相諧波失真度均小于＜1%。

在設備維護管理方面，上海電務段在模塊面板和變壓器體上加貼了溫度顯示貼 (60℃、70℃、80℃)，可以隨時直觀了解電源模塊和變壓器的溫度狀態(tài)，并且根據使用說明，制定了UPS及電池的維護規(guī)則，由專業(yè)公司代維，每年對UPS系統(tǒng)維護2次，電池充放電2次，每次半小時;電源屏的備品備件每年進行1次上電檢修。

1.3 上海虹橋高鐵站無線閉塞中心(RBC)

因RBC設備發(fā)熱量大，對環(huán)境要求很高，在每個機房均設置了主、備機空調方式。上海虹橋高鐵站RBC機房內安裝有京滬高鐵、滬寧城際、滬杭城際3條高鐵線的RBC控制設備，其RBC電源系統(tǒng)也對應設有3套，且均采用“智能電源屏+雙UPS并聯(lián)冗余”的供電方式，典型供電系統(tǒng)結構如圖3所示。

1.滬寧城際RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號為PKXJX-I50/380，EMERSON雙 UPS并聯(lián)輸出，型號為Nxa40。

2.滬杭城際RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號PKX1-JH50/380，EMERSON雙UPS并聯(lián)輸出，型號為Nxa30。

3.京滬高鐵RBC電源系統(tǒng)的電源屏型號PKX1-HH50/380，EMERSON雙UPS并聯(lián)輸出，型號為Nxa60。

3套電源系統(tǒng)的蓄電池組均無法在線監(jiān)測;電源系統(tǒng)輸入口均獨立設置了防雷配電箱和外電網監(jiān)測單元 (TJWX-2006-HH型)，可將外電網監(jiān)測數據實時傳給信號集中監(jiān)測設備。

圖3 上海虹橋高鐵站無線閉塞中心 (RBC)電源供電系統(tǒng)結構圖

2 完善及改進建議

2.1 與上海鐵路局、上海地鐵公司技術交流

課題組與上海鐵路局、上海地鐵公司的相關技術專家和運營維護人員，對信號電源設備使用中存在的問題進行了交流，了解信號電源產品故障統(tǒng)計情況，并針對現場使用及今后的技術方案提出了如下建議。

1.對有高可靠性供電要求的車站，應采用高可靠性的技術方案，比如類似于虹橋地鐵站控制中心的全隔離雙總線系統(tǒng)，輸出電源均應采用雙電源方式。

2.將UPS、電池、配電箱的監(jiān)測采集數據均傳至電源屏，由電源屏統(tǒng)一上傳。對于現有串口滿足不了數據傳輸速率要求的，可采用CAN總線或網絡總線等更快速的方式進行傳輸。

3.針對不同負載制定不同的安全等級，對于等級高的電源采用獨立電源供電，不得與其他電源共用。

4.應加強電池的管理，電池的壽命有明確規(guī)定，對電池要進行在線監(jiān)測，做到預防修。

2.2 與中達電通公司技術交流

目前客專信號電源屏，無論樞紐車站，還是一般車站或中繼站，都采用了前置UPS作為如電網諧波、電壓波動、頻率波動等外電網問題的解決方案，UPS在系統(tǒng)中處于關鍵的串聯(lián)環(huán)節(jié)。如果UPS出現問題，則整個客專信號設備電源系統(tǒng)將整體失去供電而崩潰。因此UPS是方案的核心部分，其供電質量及可靠性直接決定了整個系統(tǒng)的性能。而UPS在系統(tǒng)中的配置方案，既是系統(tǒng)整體可靠性的基礎，又關系到系統(tǒng)可維護性和系統(tǒng)成本。

課題組聽取了中達電通技術專家對有關UPS技術發(fā)展，以及在可靠性需求較高的場合下，使用的UPS冗余方案等方面的介紹，總結了不同UPS配置方案的特點，如表1所示。

表1 不同UPS配置方案的結構及其特點

3 總結

本次調研的上海虹橋地鐵站、高鐵站的信號電源設備，基本代表了國內地鐵、高鐵信號電源系統(tǒng)的較高配置形式。為了保證信號設備的可靠供電，信號電源系統(tǒng)均采用了“智能電源屏+雙UPS”的工作方式，其中地鐵站還使用了雙總線供電方式，以提高信號電源系統(tǒng)供電可靠性。通過調研，對現用信號電源設備的系統(tǒng)構成、供電現狀、負載類型、UPS和電池使用維護等有了更深入的了解，為確定高可靠的信號設備供電系統(tǒng)方案，制定更加專業(yè)、標準的規(guī)范將有重大借鑒作用。

［1］ 中華人民共和國.GB 50174-2008電子信息系統(tǒng)機房設計規(guī)范(Code for design of electronic information system room)［S］.2008.

［2］ 中華人民共和國鐵道部.科技運［2008］客運專線鐵路信號產品暫行技術條件匯編［M］.北京：中國鐵道出版社，2008.

［3］ 王憶潔，喬美荷.通信與信號UPS電源整合方案［J］.鐵道通信信號，2007，43(9)：

［4］ 張生鋮.通信行業(yè)UPS電源系統(tǒng)應用方案［J］.UPS應用，2008(1).

［5］ 衣斌，李新鵬，馬強，高磊.磷酸鐵鋰電池在通信行業(yè)的應用研究［J］.通信電源技術，2012，29(4)：27-30.