關(guān)于鐵路信號(hào)電源凈化技術(shù)研究分析

鐘衛(wèi)國(guó)

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司電務(wù)處，廣東廣州，510000）

關(guān)于鐵路信號(hào)電源凈化技術(shù)研究分析

鐘衛(wèi)國(guó)

（廣州鐵路（集團(tuán)）公司電務(wù)處，廣東廣州，510000）

本文主要在分析鐵路信號(hào)電源凈化原理的基礎(chǔ)上，以實(shí)際鐵路信號(hào)電源凈化系統(tǒng)為案例進(jìn)行鐵路信號(hào)電源凈化技術(shù)的研究與分析。

鐵路；信號(hào)電源；凈化技術(shù)

0 引言

對(duì)于信號(hào)控制系統(tǒng)而言，信號(hào)電源的作用就是系統(tǒng)的“心臟”。信號(hào)控制系統(tǒng)要求信號(hào)電源具有安全性、可靠性和穩(wěn)定性。如何保證信號(hào)電源安全、可靠、穩(wěn)定地工作，減少外電網(wǎng)對(duì)信號(hào)的影響，主要是采用鐵路信號(hào)凈化技術(shù)，通過(guò)這一技術(shù)的應(yīng)用來(lái)提高信號(hào)電源的安全性以及可靠性。鐵路信號(hào)凈化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)手段主要有兩種，UPS1/UPS2組成1+1熱備模式、UPS1/UPS2組成1+1并機(jī)模式。很好地消除了因外電網(wǎng)電源問(wèn)題引發(fā)的軌道電路紅光帶、信號(hào)突變等問(wèn)題，同時(shí)也極大地提高了鐵路信號(hào)電源屏的供電質(zhì)量。

1 鐵路信號(hào)電源凈化系統(tǒng)工作原理解析

1.1 1+1熱備冗余供電系統(tǒng)工作原理與工作方式

1+1熱備冗余供電系統(tǒng)主要采用主UPS市電逆變供電，另外以備用UPS作為逆變輸出供給旁路。在1+1熱備冗余供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，沒(méi)有UPS市電輸入的時(shí)候，會(huì)通過(guò)電池來(lái)進(jìn)行供電；另外當(dāng)UPS市電因?yàn)榫S修等原因無(wú)法應(yīng)用時(shí)，會(huì)采用備用UPS逆變供給旁路來(lái)保證市電輸入穩(wěn)定性；同樣當(dāng)主UPS出現(xiàn)問(wèn)題并且備用UPS市電也出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，通過(guò)備用UPS電池逆變來(lái)進(jìn)行供電。另外，一旦主UPS和備用UPS都出現(xiàn)問(wèn)題發(fā)生故障時(shí)，必須通過(guò)維修旁路來(lái)實(shí)現(xiàn)供電，然后維修人員可以直接對(duì)主UPS和備用UPS展開維修。

在1+1熱備冗余供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中市電首先會(huì)通過(guò)信號(hào)凈化電源系統(tǒng)，對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行而言不管是主路還是旁路都可以進(jìn)行工作，主路和旁路的工作都能夠?yàn)楹蠖诵盘?hào)負(fù)載進(jìn)行供電，并且保證穩(wěn)定、純凈和不間斷的供電，最終保證整個(gè)系統(tǒng)供電的正常運(yùn)行。

1.2 1+1并機(jī)冗余供電系統(tǒng)工作原理及工作方式解析

對(duì)于1+1并機(jī)冗余供電系統(tǒng)而言，通常由2臺(tái)UPS均分負(fù)載并且在運(yùn)行過(guò)程中同時(shí)工作，當(dāng)輸入掉電時(shí)，由蓄電池經(jīng)過(guò)逆變單元實(shí)現(xiàn)負(fù)載供電，在這一過(guò)程中不需要消耗切換時(shí)間。對(duì)于這兩臺(tái)UPS均分負(fù)載而言當(dāng)一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，這臺(tái)UPS負(fù)載會(huì)自動(dòng)提出并機(jī)系統(tǒng)，由另外一臺(tái)UPS負(fù)載來(lái)實(shí)現(xiàn)供電功能。當(dāng)并機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，凈化電源會(huì)直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)到自動(dòng)旁路當(dāng)中；對(duì)于并機(jī)系統(tǒng)而言，主要通過(guò)電源直供來(lái)進(jìn)行供電。

1.3 信號(hào)電源凈化技術(shù)對(duì)電源工作影響分析

凈化電源技術(shù)是在UPS電源基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其原理和UPS電源相似。在鐵路信號(hào)電源等比較特殊工作環(huán)境中，一般需要完善的電腦系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行工作，同時(shí)需要保證多臺(tái)機(jī)器的正常運(yùn)行，這樣對(duì)于電源功率提出較高要求，同樣電源的凈化功率要求也隨之提高。在大功率下電壓輸出難免出現(xiàn)干擾以及波動(dòng)，凈化電源在傳統(tǒng)電源基礎(chǔ)上改善了這一點(diǎn)。在電源凈化技術(shù)中采用了高質(zhì)量的電池逆變技術(shù)，電源凈化技術(shù)增加的電池箱，其采用串聯(lián)的方式進(jìn)行連接，并且最終通過(guò)引線實(shí)現(xiàn)和主機(jī)的連接，這樣省去了后備式電源的穩(wěn)壓部分。它是將外電源直接進(jìn)行整流加在電池兩端，逆變電路直接從電池提取能量輸出穩(wěn)定的220V交流電壓。

通常情況下，鐵路凈化電源的標(biāo)準(zhǔn)容量能夠維系外電網(wǎng)停電后連續(xù)2小時(shí)左右的正常供電，如果電池容量大而負(fù)荷小，那么這一標(biāo)準(zhǔn)供電時(shí)間還可以增加。實(shí)際上，在這樣的供電環(huán)境下，使用了凈化電源的工作環(huán)境無(wú)需顧忌外電源波動(dòng)和跳變，這是因?yàn)橥怆娫凑r(shí)，凈化電源裝置直接輸出，并給電池充電；當(dāng)外電源不正常時(shí)，電池放電逆變輸出，不會(huì)造成電源模塊不工作，而且鐵路有二路穩(wěn)定的電源，2小時(shí)的后備時(shí)間是絕對(duì)安全可靠的。

2 鐵路信號(hào)電源凈化技術(shù)應(yīng)用案例解析

鐵路信號(hào)電源凈化技術(shù)已經(jīng)開始在我國(guó)不同鐵路干線中開始應(yīng)用，但利用信號(hào)電源凈化技術(shù)，傳統(tǒng)方法中仍不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外電網(wǎng)質(zhì)量，也不能實(shí)現(xiàn)的UPS凈化裝置在故障時(shí)電源波動(dòng)的電源跳變來(lái)帶的問(wèn)題。

問(wèn)題：電子設(shè)備適應(yīng)外部電網(wǎng)干擾和波動(dòng)的能力較差，而供電系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生雷擊尖峰、浪涌和下陷，停電切換、電壓大幅度波動(dòng)、各類諧波脈沖尖峰干擾等，這些都會(huì)對(duì)智能化電子設(shè)備的穩(wěn)定工作產(chǎn)生嚴(yán)重影響，從而直接影響到列車運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。

優(yōu)化方案：為解決外網(wǎng)二路電源頻繁切換、大幅度波動(dòng)及輸入電源質(zhì)量差對(duì)信號(hào)電源屏工作帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電源供電系統(tǒng)的備份冗余和對(duì)輸入電源尖峰干擾的防護(hù)，提出在信號(hào)電源屏前增加智能防雷配電柜和UPS電源的方式。如下框圖1示。

圖1 鐵路信號(hào)電源凈化系統(tǒng)圖

2.1 智能防雷配電柜

2.1.1 智能防雷配電柜的組成

智能防雷配電柜，由兩路電源輸入開關(guān)電路、輸入防雷單元、智能化電源質(zhì)量監(jiān)測(cè)單元、ATS雙電源轉(zhuǎn)換電路等部分組成。

2.1.2 智能防雷配電箱功能

具有外電冗余輸入，模塊化的防雷保護(hù)和輸入、輸出電源質(zhì)量智能監(jiān)測(cè)功能。智能監(jiān)測(cè)單元采用先進(jìn)的觸摸屏工控機(jī)作為人機(jī)管理界面，智能地對(duì)兩路電源進(jìn)行全面檢測(cè)，當(dāng)其中一路供電出現(xiàn)異常時(shí)快速地切換到另一路供電，并對(duì)外電網(wǎng)質(zhì)量數(shù)據(jù)（諧波電氣）、配電柜各輸入、輸出回路的通斷狀態(tài)、電壓、電流、防雷設(shè)備狀況等參數(shù)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)和智能分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)切換和聲光報(bào)警。

兩路外電輸入端安裝的防雷單元為C級(jí)防雷，裝有共模和差模浪涌保護(hù)器，有效防護(hù)外電網(wǎng)輸入端雷電良涌；智能監(jiān)測(cè)單元采集大屏幕工控機(jī)和本地顯示操作系統(tǒng)，先進(jìn)的人機(jī)操作界面，對(duì)所有的電氣數(shù)據(jù)（輸入電壓/電流及電壓/電流諧波、配電柜輸入、輸出回路的通斷狀態(tài)，輸出電壓/電流值，防雷設(shè)備狀況，UPS電池溫度、內(nèi)阻、浮沖及電源系統(tǒng)故障等數(shù)據(jù)）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，與信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，能高效的檢查和監(jiān)控電源系統(tǒng)的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和告警記錄等。

ATS具有雙電源自動(dòng)和人工轉(zhuǎn)換功能，在外電源跳變時(shí)，實(shí)現(xiàn)零切換的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；在檢修試驗(yàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)人工兩路電源切換小于0.15秒。

2.2 UPS系統(tǒng)

2.2.1 UPS電源接入方式

前文已講述了UPS電源采用1+1熱備或并機(jī)方式，下圖為UPS電源1+1并機(jī)接入示意圖。

圖2 UPS電源1+1并機(jī)接入示意圖

2.2.2 UPS工作原理及功能

UPS是一個(gè)多重保護(hù)的交流供電設(shè)備。當(dāng)主電輸入正常時(shí)，首先將主輸入電整流變換成純凈的直流電，濾除主電中的各類諧波干擾成份，然后給蓄電池充電，同時(shí)輸出純交流主電；當(dāng)主電輸入異常時(shí)，則將蓄電池儲(chǔ)存的直流逆變交流輸出，保證用戶負(fù)載（電源屏）的高質(zhì)量的電源供電。

（1）微處理器控制中心功能

微處理器將輸入、輸出、電池、環(huán)境等數(shù)據(jù)經(jīng)高速運(yùn)算，然后控制整流器、逆變器、靜態(tài)開關(guān)的運(yùn)行和保護(hù)并響應(yīng)外部的操作指令。

（2）整流和充電單元

主電輸入檢測(cè)電路將主電輸入電壓頻率和相位信息送到微處理器進(jìn)行運(yùn)算，主電的電壓、頻率、相位在正常范圍內(nèi)時(shí)，微處理器送出整流控制信號(hào)，整流電壓從0V緩慢的上升到額定電壓，減小對(duì)輸入的浪涌電流沖擊。由于電池組和直流總線并聯(lián)運(yùn)行，整流器同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電：當(dāng)電池電壓低于浮充電壓時(shí)，整流器工作在恒流模式，此時(shí)微處理器將電池的充電電流反饋和用戶設(shè)置的電池容量信息進(jìn)行計(jì)算控制；當(dāng)電池充至浮充電壓時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓充電模式。同時(shí)微處理器還根據(jù)電池的溫度信息對(duì)電池進(jìn)行溫度補(bǔ)償充電，還根據(jù)電池的使用情況對(duì)電池進(jìn)行定時(shí)維護(hù)管理（當(dāng)電池長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有充放電時(shí)，微處理器自動(dòng)轉(zhuǎn)為均充模式來(lái)激活電池的活性），以延長(zhǎng)電池的使用壽命和減少用戶的管理負(fù)擔(dān)。

（3）逆變器單元

在直流總線正常時(shí)，微處理器發(fā)出逆變控制信號(hào)，逆變電路通過(guò)SPWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)逆變器逆變橋，經(jīng)變壓器隔離變壓、濾波后，輸出純凈的正弦交流電。逆變器通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度使輸出電壓從0V緩慢的上升到額定電壓，通過(guò)輸出反饋控制使輸出穩(wěn)定；同時(shí)檢測(cè)輸出電壓、電流對(duì)逆變器進(jìn)行保護(hù)。

（4）自動(dòng)和手動(dòng)旁路單元

旁路電路即是將輸入通過(guò)開關(guān)電路直接轉(zhuǎn)換到輸出供電。當(dāng)逆變器關(guān)閉或故障時(shí)，微處理器高速控制靜態(tài)開關(guān)自動(dòng)切換到旁路供電，而不間斷負(fù)載的供電。旁路電源可以和主電為同一組電源，也可以是不同的交流電。

3 鐵路信號(hào)電源凈化系統(tǒng)效果

徹底解決了因外電網(wǎng)波動(dòng)跳變和諧波干擾對(duì)電源屏工作的影響，消除了因外電網(wǎng)電源質(zhì)量問(wèn)題引發(fā)的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備故障，提高了信號(hào)電源系統(tǒng)安全穩(wěn)定。目前廣泛運(yùn)用在我們管內(nèi)京廣線、滬昆及焦柳線上。

[1]鄒波.信號(hào)電源凈化技術(shù)研究與應(yīng)用[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2013,04：41-43.

[2]周汝明.改善信號(hào)供電電源質(zhì)量的裝置[J].鐵道通信信號(hào),2010,01：19-20.

[3]漫談電源管理與電源凈化[J].家庭影院技術(shù),2005,03：39-44.

Research and analysis on purification technology of railway signal power supply

Zhong Weiguo
(guangzhou railway (group) co., LTD,Guangzhou Guangdong,510000)

Based on the analysis of the principle of railway signal power supply, this paper studies and analyzes the technology of railway signal power supply purification with the actual railway signal power supply purification system.

railway; Signal power supply; Purification technology