地鐵通信信號電源系統(tǒng)設備維護策略

炊偉強

西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西西安 710016

1 西安地鐵通信信號電源系統(tǒng)維護現(xiàn)狀

西安地鐵線網(wǎng)由1號、2號、3號、4號、5號線，6號線以及9號線（臨潼線）7條線組成。

目前，西安地鐵除1號線二期、2號線、4號線、5號線、6號線均使用雙UPS并機模式外，1號線一期、3號線目前為單UPS模式。并計劃進行雙UPS改造。在單UPS模式下，市級電路（以下簡稱“市電”）分為兩路，經(jīng)防雷箱進入電源屏，通過UPS主路將帶有雜波的市電進行濾波后送回電源屏，再通過電源屏中交直流模塊輸入負載。如果UPS主電路故障，則會跳轉(zhuǎn)為與UPS相連的蓄電池組供電，蓄電池組電量放完則轉(zhuǎn)入UPS靜態(tài)旁路供電[1]。此時，市電會經(jīng)過UPS靜態(tài)旁路輸入端上層的穩(wěn)壓器進行濾波操作，再進入UPS靜態(tài)旁路送回至電源屏，通過電源屏中交直流模塊輸入負載。單UPS模式下通號電源系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 單UPS模式下的通號電源系統(tǒng)結構

與單UPS模式不同的是，雙UPS并機模式取消了穩(wěn)壓器，提高了設備的可靠性。2臺UPS平時各帶50%的負載。當1臺UPS發(fā)生故障時，故障UPS將自動退岀（即沒有輸出），由另1臺UPS承擔全部負載。雙UPS并機模式下通號電源系統(tǒng)的結構如圖2所示。

通過對通號電源系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)的比對分析發(fā)現(xiàn)，在電源系統(tǒng)中UPS和蓄電池故障的占比較大，UPS設備的故障率最高。UPS在線使用數(shù)量最多，占UPS總數(shù)的69%，故障率為13.4%；部分品牌的UPS由于積灰造成短路宕機，并導致嚴重故障頻發(fā)，對正線運營影響很大。蓄電池常見的故障有鼓包、漏液及內(nèi)部電阻過大等。

圖2 雙UPS并機模式下的通號電源系統(tǒng)結構

2 西安地鐵通號電源系統(tǒng)維保的內(nèi)容及技術管理

2.1 維保內(nèi)容及周期

目前，西安地鐵的電源系統(tǒng)檢修規(guī)程中已對通號電源系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)按專業(yè)分別做了具體定義。

（1）每日巡視工作。主要包括:檢查設備的外部狀態(tài)，以及接線端子與蓄電池框架緊固情況，檢查標識標貼缺失情況，檢查指示燈、報警信息狀態(tài)以及電路、防雷情況。

（2）二級保養(yǎng)作業(yè)。每個季度實施一次，主要包括防雷箱及電源屏兩路切換測試、蓄電池充放電前后電壓測試、蓄電池內(nèi)部電阻測試、各設備接線等緊固操作，以及電源屏、UPS除塵作業(yè)。

（3）小修作業(yè)。每年實施一次，主要包括防雷箱及電源屏兩路切換測試、各設備旁路及冗余測試，地線、絕緣和內(nèi)阻測試。

2.2 相關電源設備技術對比分析

2.2.1 工頻UPS機與高頻UPS機的對比

從結構上講，工頻UPS采用可控硅整流器，具有穩(wěn)定、可靠、耐用、抗沖擊能力強等特點；高頻UPS的整流器采用IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）進行整流或升壓。由于IGBT本身的特點限制，使得高頻UPS的耐用性、可靠性、抗沖擊能力大大低于工頻UPS。工頻UPS逆變器和高頻UPS逆變器的差異主要表現(xiàn)在隔離變壓器上。隔離變壓器可消除3次諧波、濾除負載端諧波，同時可有效增強過載短路的保護能力，帶載能力強，能隔離保護安全負載。工頻UPS使用了隔離變壓器，在很大程度上提升了UPS輸出的可靠性和電源質(zhì)量。但從價格上看，工頻UPS的價格要高于高頻UPS的價格[2]。

從可靠性和穩(wěn)定性的角度考慮，在通號專業(yè)電源系統(tǒng)UPS選型上，工頻UPS應當是首選。

2.2.2 膠體蓄電池與鉛酸蓄電池的對比

目前西安地鐵均采用膠體蓄電池。膠體鉛酸蓄電池使用性能穩(wěn)定、可靠性高、使用壽命長、對環(huán)境溫度的適應能力強，并且有良好的承受長時間放電能力、循環(huán)放電能力、深度放電及大電流放電能力，以及過充電、過放電的自我保護功能等優(yōu)點。

2.2.3 電源屏、UPS、穩(wěn)壓柜、蓄電池的容量要求

電源屏、UPS、穩(wěn)壓柜的容量一般由設備負載決定，一般情況下其容量等于是負載功率除以0.7；同一設備房的電源屏、UPS和穩(wěn)壓柜的容量應一致。

蓄電池的容量可根據(jù)設備負載及后備時間計算得岀，一般信號專業(yè)設備的后備時間不應少于30min，通信專業(yè)設備的后備時間不應少于120min。

2.3 現(xiàn)階段的通號電源設備整改措施

啟動完成2號線所有通號專業(yè)電源系統(tǒng)開展了雙UPS改造，以電源電源系統(tǒng)滿足穩(wěn)定、可靠的工作要求。

2.4 提升通號專業(yè)的電源維保水平

目前，西安地鐵通號專業(yè)電源設備的深度維保工作依然由廠家實施，運營管理方的電源系統(tǒng)檢修目前是由通信、信號專業(yè)班組進行開展，班組暫不具備深度維保的資質(zhì)和能力。隨著檢修人員業(yè)務技能不斷提升，通信、信號各個班組必將在通號專業(yè)電源系統(tǒng)設備領域承擔更多的責任，以提升通號電源系統(tǒng)設備維護保養(yǎng)的綜合能力。

2.4.1 通號電源檢修方式及發(fā)展規(guī)劃

結合制定的高質(zhì)量發(fā)展規(guī)劃，西安地鐵將培養(yǎng)并逐步提升現(xiàn)場電源系統(tǒng)檢修人員深度保養(yǎng)技能水平，同時可以考慮組建電源檢修團隊。這些人員主要用于研究UPS的深度維保。

2.4.2 中遠期維護工作開展目標及措施

現(xiàn)階段，西安地鐵通號現(xiàn)場班組負責設備的日常巡檢、二級保養(yǎng)、小修和深度維保的維護工作。目前已建立了規(guī)范的電源設備檢修規(guī)程，整合了電源設備技術標準、故障處理流程和應急搶修預案，并在維保工作中不斷地完善和優(yōu)化各類規(guī)程、標準、預案。

2.5 優(yōu)化通號核心設備電源接線方案

對通號專業(yè)電源系統(tǒng)故障深入分析后發(fā)現(xiàn)，某些線路通號系統(tǒng)設備正常運行時，若UPS發(fā)生短路故障，UPS設備上主路與旁路的輸入空開會被沖斷，電源屏UPS輸入空開不會被沖斷。但是，在UPS短路故障后如果發(fā)生UPS上主路與旁路的輸入空開和電源屏上UPS輸入空開均被沖斷的情況，則會導致負載全部失電，從而擴大了故障的影響程度。為了避免UPS上主路與旁路的輸入空開以及電源屏上UPS的輸入空開均被沖斷，保證負載的可持續(xù)供電，本文提出2種電源接線優(yōu)化方案。

2.5.1 單UPS模式下接線優(yōu)化方案

以西安地鐵3號線、1號線一期為例，該線目前為單UPS模式，電源屏與UPS主路與旁路的輸入端之間僅有一個輸入空開，如圖3所示。為避免UPS短路宕機沖斷此空開造成負載失電，保證UPS維修旁路可正常供電，擬在穩(wěn)壓器的輸入端及輸出端各增加一個空開，如圖4所示。此優(yōu)化方案可保證當UPS短路宕機沖斷電源屏上UPS輸入空開時，穩(wěn)壓器仍有市電輸入并濾波，可通過UPS維修旁路送電至負載，從而避免負載失電的情況發(fā)生[3]。

圖3 單UPS模式下原有的電源輸入輸出方案

2.5.2 對稱式雙母線接線結構

對稱式雙母線結構為2路外電經(jīng)過電源屏雙Y型切換單元切換后，分別送至2臺UPS。2臺UPS在電源屏分別設置2條獨立的輸出母線。正常工作情況下，2臺UPS對除轉(zhuǎn)轍機以外的其余負載進行均分，當其中1臺UPS故障關閉時，不影響另1臺UPS的正常工作。此時，正常運行的UPS將承擔全部負載（轉(zhuǎn)轍機供電若在故障UPS，則需手動切換至正常UPS）。

每臺UPS在電源屏的UPS主路輸入、UPS旁路輸入和UPS輸岀分別設置了3個獨立的斷路器。每臺UPS分別單獨設置了外部維修旁路，并設置有維修斷路器。每臺UPS的輸出斷路器和外部維修斷路器機械互鎖。

對稱式雙母線結構為雙機UPS+雙母線，2臺UPS完全獨立，互不影響，提高了供電系統(tǒng)的可靠性；每臺UPS設置了3個斷路器，可以有效隔離故障UPS；每臺UPS都設獨立的外部維修旁路，系統(tǒng)可以在不斷電情況下對故障UPS進行維修或者更換；對于雙電源負載，2路輸入電源直接接自2條母線，對于單電源負載通過電源模塊并聯(lián)后輸出，若有短路電流發(fā)生，其影響范圍較小。

圖4 單UPS模式下電源輸入輸出的優(yōu)化方案

3 結語

本文通過對西安地鐵通號專業(yè)電源系統(tǒng)設備進行歸類統(tǒng)計、歷年故障分析，以及維護修程制定后執(zhí)行情況和維保效果分析，對地鐵信號電源系統(tǒng)的維護管理進行了研究，闡述了現(xiàn)階段通號電源設備整改的思路及措施。為提高后續(xù)新建城市軌道交通線路通號電源系統(tǒng)的可靠性，制定了單UPS和雙UPS兩種模式下電源系統(tǒng)的接線方案。