UPS電源在朔黃鐵路信號系統(tǒng)中的應(yīng)用淺析

張翼翔

0 引言

近年來，隨著朔黃鐵路運(yùn)量的遞增，行車密度不斷增加（追蹤間隔為8 min）。為保障行車組織，提高鐵路通過能力，對通信、信號等一級負(fù)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。

1 信號系統(tǒng)存在問題

朔黃線信號系統(tǒng)由自閉和貫通2路電源供電，互為熱備用，通過信號變壓器和綜合變壓器將其電壓由10 kV變成0.38 kV后，分別連到信號機(jī)械室電源配電箱上口，然后經(jīng)雙電源切換裝置下口饋出至信號設(shè)備。

1.1 自閉和貫通電源存在問題

（1）配電所自動重合閘時限大于雙電源切換時限。朔黃線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1所示，假設(shè)東配電所自閉一為信號系統(tǒng)一路主供，當(dāng)東配電所貫通二檢修或故障后，此時一旦自閉一失壓，配電所自動重合閘啟動，啟動時間為0.5 s，大于雙電源切換時限0.15 s的要求，則雙電源切換裝置瞬時2路失壓，導(dǎo)致軌道電路紅光帶，信號機(jī)瞬間關(guān)閉，車站行車室黑盤或花盤。

（2）配電所備自投時限大于雙電源切換時限。如圖1所示，當(dāng)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，將啟動備自投，由西配電所自閉二向信號變壓器供電。但備自投啟動時間為1.5 s，遠(yuǎn)大于雙電源切換時限0.15 s的要求，會造成信號瞬時失壓。

從東西配電所看，雖然有4路電源在保障信號系統(tǒng)的用電，但是由于時限不匹配，根本無法滿足車站信號系統(tǒng)不間斷供電的要求。

圖1 自閉和貫通電源對信號系統(tǒng)供電示意圖

（3）自閉和貫通2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(fēng)雨等惡劣天氣的影響。一旦發(fā)生故障，就很難在短時間內(nèi)恢復(fù)。如果出現(xiàn)2路電源同時停電，車站黑盤，將嚴(yán)重擾亂行車組織。特別是列車運(yùn)行在坡道或小半徑曲線地段，遇信號突變，列車運(yùn)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(yùn)行帶來嚴(yán)重的安全隱患。

1.2 雙電源切換裝置存在問題

（1）雙電源切換裝置存在閃斷。由于電源屏內(nèi)的雙路切換裝置由2個交流接觸器組成。當(dāng)Ⅰ路電和Ⅱ路電互換時，電源屏的主輸入電源會產(chǎn)生一個閃斷，該閃斷會造成電源屏內(nèi)的各個供電模塊瞬間斷電，導(dǎo)致信號設(shè)備誤動。

（2）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(jìn)線的上口，當(dāng)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(fù)載失電，轉(zhuǎn)換裝置并不會動作。

2 UPS電源應(yīng)用

2.1 方案概述

如圖2所示，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Ⅰ路電不掉電。方案中電源屏Ⅱ路電不做改動，當(dāng)UPS電源出現(xiàn)故障并退出運(yùn)行時，電源屏仍然可以使用Ⅱ路電源繼續(xù)工作。

圖2 解決方案說明（單臺UPS）框圖

當(dāng)自閉和貫通同時斷電以及信號Ⅰ路、Ⅱ路發(fā)生轉(zhuǎn)換時，UPS會檢測到電源閃斷，利用電池組代替整流器立即向外輸出直流，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，其時間差（約 3 ms）內(nèi)的直流能量就由該電容組補(bǔ)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(dāng)輸入電源恢復(fù)供電后，UPS會檢測到輸入正常，并進(jìn)入正常狀態(tài)。這樣就徹底解決了2路電源轉(zhuǎn)換時，需要小于0.15 s的轉(zhuǎn)換時間，消除了重合閘、備自投與切換裝置之間時限不匹配以及2路電源失壓的問題。

同時，經(jīng)過UPS濾波、整流、交直交變換后，大量諧波被濾掉，使信號系統(tǒng)電源質(zhì)量得到改善。

2.2 方案實(shí)施

2.2.1 UPS容量選擇

選擇 UPS容量一般是以額定電壓和額定電流為計算依據(jù)，如果僅以該依據(jù)計算，則會使 UPS容量選得偏低，UPS有可能因過載或操作過電壓而引起頻繁跳轉(zhuǎn)。確定 UPS容量時，除了考慮信號負(fù)荷平均功率以外，還應(yīng)考慮非線性負(fù)荷的峰值電流及持續(xù)時間對電源的影響。重點(diǎn)考慮以下2點(diǎn)：

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

（2）當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生過載或短路時，UPS保護(hù)動作應(yīng)有選擇性。

以朔黃線滴流磴車站為例，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(jī)）、三相10 kV·A交流轉(zhuǎn)撤機(jī)穩(wěn)壓電源屏（液壓轉(zhuǎn)撤機(jī)）和10 kV·A自動閉塞區(qū)間智能屏。為便于表述將它們按上述順序分別命名為1#電源屏、2#電源屏和3#電源屏（圖3）。

圖3 滴流磴站配電箱與電源屏結(jié)構(gòu)圖

3塊電源屏（下文簡稱屏）的供電結(jié)構(gòu)均為雙路供電。其中1#屏和3#屏的雙路電從同一個配電箱A引入，2#屏從另一個配電箱B引入。每一個電源屏的功率可從配電箱的輸出端測量，1#屏和3#屏的總功率可由配電箱A測得，測量值如表1和表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，各道岔均處于靜止?fàn)顟B(tài)）

根據(jù)表1、表2，最大時功率為11156W，約11.2 kW，所以，將 UPS功率選定為 20 kV·A。20 kV·A 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(fù)載情況下不斷電，可滿足現(xiàn)場需求。

2.2.2 UPS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2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要太長。后備時間按照有人值守車站UPS供電時間30 min，無人值守車站UPS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：充放電特性好。除用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行充電，耐過充或過放電；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。

在該方案中，選擇使用12 V、38AH電池32只，作為后備電池組，可提供約30 min后備時間。2.2.3 UPS主機(jī)選擇

UPS主機(jī)除具備三相在線外，還必須具有下述特點(diǎn)：

（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)信號電源切換時間為 150 ms），切換過程均能鎖相。

（3）UPS能承受150%過負(fù)載、持續(xù)1 min的過載能力。

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

（5）當(dāng)發(fā)生短路、長時間過載等異常情況時，能快速地保護(hù) UPS主機(jī)并發(fā)出報警音響，當(dāng)事故解除后能自動恢復(fù)供電。

2.3 應(yīng)用效果

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(jī)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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 2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(yán)重等問題。在供電回路中加裝了 UPS電源，達(dá)到了改造的目的，取得了理想的較果。

3 改造后仍然存在的問題

3.1 單臺UPS電源的可靠性

在圖2所示的方案中，加入UPS電源后，可以解決2路電源存在的諸多問題。但是，由于電源屏只有Ⅰ路為UPS輸入，當(dāng)UPS發(fā)生故障時，如果Ⅱ路出現(xiàn)瞬時跳閘或故障，仍然會造成電源屏停電。

為了解決單臺 UPS電源存在的不穩(wěn)定性，可以將信號系統(tǒng)的單臺 UPS工作方式設(shè)計成并聯(lián)冗余的工作方式。

3.2 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(dú)立的多個單臺UPS電源之間，建立一定的通訊協(xié)議，使得多臺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(fù)載容量，其中1臺出現(xiàn)故障時自動退出運(yùn)行，負(fù)載會無間斷地轉(zhuǎn)到其他UPS電源上。該臺故障的 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(fù)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(jī)和“N+1”并機(jī)。“1+1”并機(jī)是指2臺UPS并聯(lián)運(yùn)行，所帶負(fù)載總量不能大于其中 1臺單機(jī)的帶載能力?！癗+1”并機(jī)是指3臺以上UPS并聯(lián)運(yùn)行，所帶負(fù)載總量不能大于N臺。

采用“N+1”并機(jī)主要是為了擴(kuò)容，可是并聯(lián)的機(jī)子過多會產(chǎn)生過多的節(jié)點(diǎn)，從而影響供電系統(tǒng)的整體運(yùn)行，其中可靠性最好的要屬“1+1”并機(jī)系統(tǒng)。

3.3 并機(jī)特點(diǎn)

如圖4所示，采用2臺UPS并機(jī)，成本約為單機(jī)費(fèi)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)的可靠性得到了很大的提高。當(dāng)Ⅱ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)的不間斷供電。

圖4 “1+1”并機(jī)UPS供電系統(tǒng)連接示意圖

4 結(jié)語

通過對信號系統(tǒng)進(jìn)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。為信號系統(tǒng)不間斷供電和供電管理實(shí)現(xiàn)自動化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，同時也為朔黃線安全營運(yùn)提供了可靠的電能保障。

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