國外特殊電網(wǎng)信號電源系統(tǒng)技術(shù)方案研究

姜海峽

(天津鐵路信號有限責(zé)任公司，天津 300300)

隨著中國鐵路的迅速發(fā)展，鐵路裝備和技術(shù)也快速發(fā)展起來，中國高鐵作為一張國家名片正在走向世界。但是由于各國的鐵路標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)場基礎(chǔ)條件有較大的區(qū)別，鐵路設(shè)備及技術(shù)方案也需要根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，對國內(nèi)的設(shè)備供應(yīng)商提出了各種各樣的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)中國承建的某國外標(biāo)準(zhǔn)的鐵路信號工程項目（以下簡稱本項目），通過對現(xiàn)場外電網(wǎng)和信號設(shè)備的調(diào)研，結(jié)合國內(nèi)信號設(shè)備供電情況，提出本項目對信號電源系統(tǒng)的需求，并根據(jù)該需求設(shè)計本項目信號電源系統(tǒng)技術(shù)方案，解決了國內(nèi)外電網(wǎng)不同所帶來的系列問題。

1 本項目信號電源系統(tǒng)供電需求

本項目兩路外電網(wǎng)Ⅰ路為三相主用電源400/230 V，50 H z；Ⅱ路為單相電源，來自于接觸網(wǎng)25/0.23 k V，50 H z，即外電網(wǎng)為三相和單相電源混合冗余供電方式。這和國內(nèi)鐵路車站外電網(wǎng)大部分為兩路三相電源互相冗余、少部分為兩路單相電源互相冗余供電的情況不同，需要對電源系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計，以滿足三相電網(wǎng)長時間無電狀態(tài)下，單相電網(wǎng)能夠保證長時間供電的要求。

本項目工程設(shè)計最高時速200 k m，信號電源系統(tǒng)需使用UPS 后備電源，以保證鐵路信號設(shè)備供電的可靠性和安全性。

因站場需要采用三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換道岔，即設(shè)備需要三相交流電源供給，因此在三相外電網(wǎng)斷電僅由單相外電網(wǎng)供電時，需要信號電源系統(tǒng)仍能輸出三相交流電源，以保證信號設(shè)備的可靠運(yùn)行。此需求與國內(nèi)電網(wǎng)兩路三相備用供電方式不同，需要轉(zhuǎn)轍機(jī)負(fù)載設(shè)置在UPS 穩(wěn)壓之后，并將單相電源轉(zhuǎn)換成三相電源。

由于現(xiàn)場外電網(wǎng)不穩(wěn)定，要求兩路外電網(wǎng)均斷電后，信號電源系統(tǒng)仍應(yīng)繼續(xù)為信號設(shè)備提供3 ～8 h 以上穩(wěn)定、可靠的電源。這與國內(nèi)要求的有人值守站0.5 h，無人值守站2 h 的后備時間要求不同，并且現(xiàn)場機(jī)械室面積有限，需要方案設(shè)計時考慮周全。

信號電源系統(tǒng)中的模塊及UPS 等設(shè)備，宜采用國內(nèi)成熟技術(shù)及設(shè)備，以保證國外信號電源系統(tǒng)的備件供應(yīng)、老化管理，提高現(xiàn)場電源系統(tǒng)設(shè)備的可用性和可維護(hù)性。

2 本項目信號電源系統(tǒng)方案設(shè)計中需要解決的問題

2.1 UPS選型的問題

為保證穩(wěn)壓系統(tǒng)的可靠性，U PS 冗余架構(gòu)宜采取國內(nèi)客專電源系統(tǒng)中雙機(jī)并聯(lián)的方式。由于現(xiàn)場三相和單相的混合電網(wǎng)條件以及輸出三相交流電源的要求，U PS 只能選擇單進(jìn)三出或三進(jìn)三出制式，而目前國內(nèi)生產(chǎn)單進(jìn)三出的UPS 廠家極少，多為定制機(jī)，不易選型，這對后期設(shè)備維護(hù)極其不利，如果混合使用單進(jìn)三出和三進(jìn)三出的U PS，將無法實(shí)現(xiàn)并機(jī)冗余工作方式，因此應(yīng)盡量選擇三進(jìn)三出的UPS，此制式的UPS 在國內(nèi)信號電源系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍，已經(jīng)有了大量的現(xiàn)場運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，且此類U PS在輸入、輸出、轉(zhuǎn)換時間等特性上也能滿足鐵路信號設(shè)備供電的要求。

2.2 兩路電網(wǎng)工作轉(zhuǎn)換模式的問題

國內(nèi)信號電源系統(tǒng)大部分采用兩路外電網(wǎng)互為主備轉(zhuǎn)換的“Y”型電路，即當(dāng)一路外電網(wǎng)正常時，其為所有負(fù)載供電；當(dāng)其異常時，系統(tǒng)所有負(fù)載切換至另一路備用電源供電。國內(nèi)信號電源系統(tǒng)少部分采用兩路電網(wǎng)同時為負(fù)載供電的“H”型電路，當(dāng)其中一路異常時，將其承擔(dān)的部分負(fù)載切換至另一路由其全部承擔(dān)。由于兩路外電網(wǎng)異常的幾率遠(yuǎn)大于一路異常的幾率，尤其一路外電網(wǎng)不穩(wěn)定時，“H”型電路會頻繁切換，造成設(shè)備較多的問題及安全隱患，目前各站場已基本改造為“Y”型電路。但本項目為兩路不同相數(shù)的外電網(wǎng)，U PS 宜選取常用的三進(jìn)三出制式的U PS，因此國內(nèi)普遍使用的實(shí)現(xiàn)兩路電網(wǎng)轉(zhuǎn)換的“Y”型電路無法在本工程中使用，否則僅有單相電網(wǎng)時，三進(jìn)三出制式的UPS 將無法正常使用。如果使用“H”型電路，單相電網(wǎng)側(cè)UPS 仍然無法工作，因此需要考慮其他方案解決此問題。

2.3 電池容量選擇的問題

由于本項目中要求兩路電網(wǎng)均斷電后信號電源屏仍要繼續(xù)正常工作的時間較長，若使用雙機(jī)并聯(lián)U PS 工作制式，需要考慮到一臺U PS 故障后剩余一臺的UPS 仍應(yīng)保證設(shè)備的續(xù)流時間，如果按照國內(nèi)并機(jī)使用UPS 各自獨(dú)立帶蓄電池組，則電源系統(tǒng)的電池數(shù)量會很龐大，設(shè)備成本、施工安裝和后期維護(hù)工作量都會增加，并且機(jī)械室空間占用較大。因此，應(yīng)在保證設(shè)備安全、可靠、滿足現(xiàn)場要求的條件下盡量減少電池的使用。

3 本項目信號電源系統(tǒng)技術(shù)方案

綜合本項目信號電源系統(tǒng)特殊要求及上述問題，電源系統(tǒng)方案設(shè)計如圖1 所示。電源系統(tǒng)主要包括：單相A C/DC 充電模塊、雙套U PS、單套電池組、輸出配電模塊、輸出隔離單元、監(jiān)測單元等。方案具體說明如下。

圖1 信號電源系統(tǒng)技術(shù)方案框圖Fig.1 Technical proposal block diagram of signal power system

對UPS 來說，其電源輸入有主路輸入、旁路輸入、電池輸入3 種，而主路與旁路只能為交流三相電源，因此通過主路和旁路輸入不可能解決將單相電網(wǎng)變換為三相電輸出的問題。而電池輸入為直流電源，如果能夠?qū)蜗嚯娋W(wǎng)電源轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娫磥砟M電池供給UPS 直流電，當(dāng)三相電網(wǎng)異常時，使U PS 處在電池工作模式下即可實(shí)現(xiàn)此需求。因此這種方案較易實(shí)現(xiàn)，只需要使用輸出與電池電壓匹配的單相輸入開關(guān)電源模塊，即可使單相電網(wǎng)轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電源。此直流電再通過接入UPS 電池輸入端通過UPS 逆變將其變換成穩(wěn)定、可靠的三相電源輸出。

由于電源模塊與電池組并聯(lián)，因此不能再使用U PS 對電池進(jìn)行充電管理，如果U PS 對電池進(jìn)行充電管理，并且開關(guān)電源模塊也同時會對電池組充電，其充電電流將不受控制，并聯(lián)UPS 之間也會有環(huán)流影響，電池組也將被損壞，整個系統(tǒng)會存在較大的不確定風(fēng)險。因此需在電池的輸出端使用二極管，使開關(guān)電源模塊和U PS 均不能對電池組充電，同時兩臺U PS 直流端也不會互相影響， U PS 只能在電網(wǎng)斷電或UPS 整流器故障后從電池輸入口汲取能量。這就需要對電池的充電管理重新設(shè)計，即：使用專用充電模塊對電池進(jìn)行管理?？紤]到兩路電網(wǎng)在任一路正常的情況下都應(yīng)該能對電池進(jìn)行充電管理，所以根據(jù)電池容量的大小選用適合的單相輸入充電模塊分別從兩路電網(wǎng)取電，輸出并聯(lián)后對電池進(jìn)行充電。在兩路電網(wǎng)均正常時可共同對電池進(jìn)行充電，而任一路電網(wǎng)異常后均可由另一電網(wǎng)通過充電模塊繼續(xù)為電池充電，保證了電池的有效管理，同時使用一組電池即可實(shí)現(xiàn)儲能，減少電池的占地面積及施工、維護(hù)成本。

此系統(tǒng)方案在兩路電網(wǎng)同時正常工作狀態(tài)下，由三相電網(wǎng)通過U PS 穩(wěn)壓輸出為后級負(fù)載提供穩(wěn)定、可靠的三相電源，同時通過充電模塊為電池進(jìn)行充電管理；而單相電網(wǎng)則為單相輸入開關(guān)電源模塊供電，使模塊長期處于備用狀態(tài)，同時單相電網(wǎng)也通過充電模塊對電池進(jìn)行充電管理。當(dāng)三相電網(wǎng)斷電后，單相電網(wǎng)可長期為負(fù)載提供能量；而兩路電網(wǎng)均斷電后，則由充滿電的電池組為后級負(fù)載繼續(xù)提供一定時間的能量。從系統(tǒng)工作過程中也可看出，本方案中兩路電網(wǎng)既不是國內(nèi)傳統(tǒng)主備轉(zhuǎn)換的“Y”型電路，也與“H”型電路有一定的區(qū)別，它是對兩種電路進(jìn)行重新組合，既避免“H”型電路在使用中存在的頻繁切換問題，也滿足了本線路工程的電網(wǎng)條件。

兩路電網(wǎng)工作模式設(shè)計完成后，兩路外電網(wǎng)、穩(wěn)壓系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了冗余備用的工作方式，既可以在任何條件下輸出穩(wěn)定、可靠的三相電源；充電模塊也實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)冗余；三相負(fù)載設(shè)備亦能得到所需要的電源，其他各單相負(fù)載可以根據(jù)要求配置相關(guān)的配電單元模塊即可。通過以上方案設(shè)計，滿足現(xiàn)場需求，實(shí)現(xiàn)本項目信號電源系統(tǒng)的可靠性、安全性和可維護(hù)性。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)國外鐵路工程的電網(wǎng)條件與國內(nèi)的差別，提出目前國內(nèi)信號電源屏設(shè)計與其不匹配的地方，并提出這種不同導(dǎo)致信號電源屏在設(shè)計過程中存在的困難以及可能存在的故障隱患。文章針對這些困難與隱患提出了相應(yīng)的解決方案，該解決方案充分考慮現(xiàn)場條件和使用需求，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足預(yù)期工作目標(biāo)。通過本次供電方案的解決，為信號電源系統(tǒng)在不同電網(wǎng)條件下應(yīng)用提供了新思路，也使國內(nèi)設(shè)備能夠更好的適應(yīng)國外各種不同的環(huán)境條件，為中國鐵路更好的“走出去”打下了技術(shù)基礎(chǔ)。