城市軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)分析

渠艷峰

（濟(jì)南城市軌道交通集團(tuán)第一運(yùn)營有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

0 引 言

信號(hào)智能電源系統(tǒng)的應(yīng)用極大地促進(jìn)了軌道交通信號(hào)管理水平的提升，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、報(bào)警、記錄以及故障定位功能，能夠給信號(hào)負(fù)載提供穩(wěn)定干凈的電源。然而在實(shí)際工作中仍然存在著各種問題，需要相關(guān)工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行正確的處理。出現(xiàn)斷電故障可能導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備板卡燒損、電源模塊故障、交換機(jī)數(shù)據(jù)丟失、服務(wù)器工作異常等設(shè)備故障，嚴(yán)重制約了行車效率，影響行車安全。

1 信號(hào)電源系統(tǒng)介紹

信號(hào)電源系統(tǒng)由智能電源屏、穩(wěn)壓器、不間斷電源（Uninterruptible Power System，UPS）以及電池組等組成。信號(hào)兩路電源由供電400 V電源柜引到信號(hào)設(shè)備室，經(jīng)防雷箱送給電源屏交流切換控制系統(tǒng)，交流切換控制系統(tǒng)選擇一路電源送給UPS市電輸入（UPS旁路電源由穩(wěn)壓器提供），經(jīng)UPS的穩(wěn)壓濾波后，電源送回電源屏輸入端，最后經(jīng)過交直流電源模塊及隔離變壓器輸出給信號(hào)各系統(tǒng)供電。

電源屏正常供電的情況下，KM1吸合，KM2斷開，第一路輸入給各個(gè)模塊供電。在第一路輸入電源不正常時(shí)，KM1斷開，KM2吸合，這樣由第二路輸入給各個(gè)模塊供電。當(dāng)交流切換系統(tǒng)故障時(shí)，可以手動(dòng)選擇第一路直供或第二路直供。

UPS系統(tǒng)主要包括由整流模塊和逆變模塊組成的AC-DC-AC變換主回路、由反向并聯(lián)可控硅組成的旁路靜態(tài)開關(guān)、維修旁路空開Q3BP、輸出隔離變壓器、逆變靜態(tài)開關(guān)以及蓄電池組等?？諝鈹嗦菲鱍1控制主路交流電源輸入，整流模塊進(jìn)行交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）變換，逆變模塊進(jìn)行直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）變換，經(jīng)過隔離變壓器后由斷路器Q5輸出。當(dāng)輸入斷電時(shí)，蓄電池組進(jìn)行電池逆變供電，輸入電源也可以通過旁路靜態(tài)開關(guān)從旁路回路向負(fù)載供電。另外，要求負(fù)載不間斷供電對(duì)UPS內(nèi)部進(jìn)行維修時(shí)，可使用維修旁路開關(guān)Q3BP[1]。

2 電源系統(tǒng)故障場景及應(yīng)急措施

2.1 電源屏交流切換系統(tǒng)故障及應(yīng)急措施

電源屏兩路市電正常，但是兩路電源不能正常供電或一路電源故障無法正常轉(zhuǎn)到另一路電源工作。

無法及時(shí)恢復(fù)時(shí)，為避免電池耗盡設(shè)備斷電，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行直供供電。切斷電源屏兩路輸入QF1、QF2開關(guān)，選擇電網(wǎng)質(zhì)量較好的I路（II路）進(jìn)行直供；將I路（II路）直供選擇開關(guān)由OFF狀態(tài)轉(zhuǎn)到交流I路直供狀態(tài)或交流II路直供狀態(tài)；將1QS3正常工作開關(guān)斷開，1QS4直供開關(guān)閉合，完成電源直供，恢復(fù)正常供電時(shí)按相反順序恢復(fù)正常供電。運(yùn)營結(jié)束后，在電源直供狀態(tài)下（QF1、QF2開關(guān)必須是落下狀態(tài)）更換交流切換控制板或交流接觸器。

2.2 電源屏直流電源模塊故障及應(yīng)急措施

同一負(fù)載的電源模塊都是并聯(lián)冗余的，單獨(dú)一塊故障不影響運(yùn)營，可運(yùn)營結(jié)束后進(jìn)行更換，但同一負(fù)載的電源模塊同時(shí)故障影響運(yùn)營時(shí)需立即更換。

TE1、TE2模塊更換步驟：（1）將備用模塊的地址碼按故障模塊進(jìn)行設(shè)置；（2）關(guān)閉故障模塊輸入空開，將故障模塊拆下更換備用模塊；（3）閉合輸入空開，檢查模塊工作狀態(tài)及均流情況。

更換TE3模塊時(shí)為保證兩模塊并聯(lián)均流，需要將兩模塊電壓調(diào)一致，相同束電壓不超過0.2 V，具體步驟如下：（1）關(guān)閉故障TE3模塊輸入空開，記錄正常工作TE3模塊的4束電壓值；（2）用備品將故障模塊換下；（3）閉合更換模塊的輸入空開，將原正常模塊的輸入空開斷開，讓更換的模塊單獨(dú)帶載并對(duì)其4路輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整到與先前記錄的4束電壓一致；（4）閉合原正常工作的TE3模塊輸入空開，使兩模塊并聯(lián)均流輸出；（5）調(diào)看兩模塊4束輸出電流是否基本一致，均流效果是否良好，并檢查負(fù)載是否工作正常，電源屏監(jiān)控單元告警是否恢復(fù)。

2.3 電源屏采集監(jiān)控故障及應(yīng)急措施

電源屏監(jiān)控單元報(bào)某模塊通信中斷或某一路輸出電源斷，通過實(shí)際檢查測試設(shè)備正常。這種不影響設(shè)備正常使用的采集監(jiān)控故障可在運(yùn)營結(jié)束后處理，主要檢查采集線、FM模塊、采集轉(zhuǎn)接板及監(jiān)控CPU板，考慮采集電路有無斷線、接觸不良或采集板卡自身故障。

2.4 電源輸出故障及應(yīng)急措施

多束電源輸出故障時(shí)，考慮模塊故障或變壓器故障，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。單束電源故障時(shí)，考慮空開故障或負(fù)載有無短路、過載，用萬用表測量空開上端有電下端無電，則代表空開故障，需對(duì)其進(jìn)行更換，若不能立即更換則可臨時(shí)借用相同電源的備用電源緊急供電。若負(fù)載存在短路故障，則需進(jìn)一步查找處理。

2.5 UPS故障及應(yīng)急措施

UPS整流器故障時(shí)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為電池逆變供電，電池電能耗盡后會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為旁路供電，逆變器故障時(shí)也會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為旁路供電；當(dāng)UPS發(fā)生內(nèi)部控制電路故障或電容擊穿等短路故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致UPS輸出中斷，所有信號(hào)設(shè)備斷電。

對(duì)此，當(dāng)UPS故障自動(dòng)轉(zhuǎn)旁路供電時(shí)，可加強(qiáng)監(jiān)控，做好應(yīng)急值守，運(yùn)營結(jié)束后進(jìn)一步處理；當(dāng)UPS發(fā)生嚴(yán)重?cái)嚯姽收蠒r(shí)需將電源屏中的UPS輸出和維修旁路開關(guān)打到旁路狀態(tài)，緊急恢復(fù)設(shè)備供電。

2.6 穩(wěn)壓器故障及應(yīng)急措施

集中站穩(wěn)壓器斷電故障會(huì)導(dǎo)致UPS旁路電源異常報(bào)警，非集中站穩(wěn)壓器斷電故障會(huì)導(dǎo)致UPS電池組逆變供電，電池耗盡會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電。對(duì)此，集中站穩(wěn)壓器斷電故障可在運(yùn)營結(jié)束后進(jìn)一步處理，非集中站穩(wěn)壓器斷電故障時(shí)，將電源屏中的UPS輸出和維修旁路開關(guān)打到旁路狀態(tài)，緊急恢復(fù)設(shè)備供電。

2.7 電池組故障及應(yīng)急措施

隨著使用年限的增加，電池會(huì)出現(xiàn)內(nèi)阻增大、漏液、鼓包以及變形等情況，帶載能力逐漸下降。當(dāng)整組電池失去帶載能力時(shí)，兩路市電同時(shí)故障，UPS無法進(jìn)行電池逆變供電，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備斷電，兩路電源切換也會(huì)造成信號(hào)設(shè)備瞬間斷電重啟。

首先，加強(qiáng)電池巡視，發(fā)現(xiàn)漏液、鼓包以及變形電池后及時(shí)更換。其次，通過監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)電池內(nèi)阻異常增大時(shí)，需對(duì)電池放電電壓進(jìn)行確認(rèn)。若單體放電電壓短時(shí)間內(nèi)降至10.8 V以下，則說明電池失去帶載能力，需要及時(shí)更換。最后，若整組電池到達(dá)壽命周期，放電時(shí)整組電池電壓短時(shí)間內(nèi)下降至放電終止電壓并轉(zhuǎn)旁路供電，則需要及時(shí)更換整組電池。

3 操作不當(dāng)導(dǎo)致設(shè)備斷電場景及應(yīng)急措施

首先，UPS工作在旁路時(shí)，兩路市電進(jìn)行切換會(huì)導(dǎo)致設(shè)備瞬間斷電重啟，電源屏高頻開關(guān)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有大容量電解電容儲(chǔ)能器件的除外。對(duì)此，UPS轉(zhuǎn)旁路工作前應(yīng)先確認(rèn)供電專業(yè)有無倒電作業(yè)，供電有倒電作業(yè)時(shí)，嚴(yán)禁UPS轉(zhuǎn)旁路試驗(yàn)，同時(shí)嚴(yán)禁電源屏進(jìn)行I、II路轉(zhuǎn)換。

其次，維修旁路操作不當(dāng)，逆變器未關(guān)閉時(shí)閉合維修旁路開關(guān)，或誤操作關(guān)閉UPS輸出空開會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電。對(duì)此應(yīng)加強(qiáng)培訓(xùn)，熟練掌握維修旁路轉(zhuǎn)換步驟，并在轉(zhuǎn)維修旁路時(shí)嚴(yán)格按操作步驟進(jìn)行，一人操作一人監(jiān)控，確保操作正確。

再次，維修旁路恢復(fù)供電時(shí)，操作過快，未等旁路正常工作后關(guān)閉維修旁路Q3BP開關(guān)會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電。需要注意的是，維修旁路恢復(fù)旁路供電時(shí)，閉合Q2與Q5空開后，應(yīng)等UPS監(jiān)控面板旁路工作指示燈與UPS輸出指示燈綠色常亮，正常工作后再關(guān)閉Q3BP開關(guān)。

最后，檢修作業(yè)或故障處理時(shí)，操作不慎導(dǎo)致設(shè)備短路，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備斷電。因此，作業(yè)用的工器具要做好絕緣防護(hù)，正確選用測試儀表的檔位及量程，個(gè)人也要做好安全防護(hù)，穿絕緣鞋，戴絕緣手套，并且在帶電作業(yè)時(shí)身體不與機(jī)殼接觸[2]。

4 信號(hào)電源系統(tǒng)前端加裝漏電保護(hù)裝置的分析

4.1 漏電保護(hù)裝置動(dòng)作原理

漏電保護(hù)裝置加裝在供電400 V電源柜內(nèi)，由互感器、繼電器以及保護(hù)開關(guān)組成，對(duì)漏電流進(jìn)行檢測判斷，并動(dòng)作保護(hù)開關(guān)。當(dāng)回路檢測到剩余電流超過設(shè)點(diǎn)參數(shù)值時(shí)，接通分離脫扣器斷開空開。

4.2 電路分析

供電400 V一般采用三相五線供電，N線與PE線分開設(shè)置，同時(shí)N線遠(yuǎn)端接地。供電兩路電源經(jīng)電源屏輸入斷路器（斷A、B、C相不斷N線）及切換裝置后輸出一路給UPS供電，電源屏兩路N線短接在一起（共N）；UPS旁路供電時(shí)由市電直接供電，如果負(fù)載不均衡，三相電中性點(diǎn)偏移，則N線必定有電流產(chǎn)生。由于電源屏共N，供電400 V非共N，供電兩路N線都會(huì)產(chǎn)生回流，因此漏電保護(hù)裝置采集的A、B、C、N矢量和不準(zhǔn)確，不是真正漏流值，會(huì)造成漏保裝置誤動(dòng)作，切斷空開。

4.3 電源屏及UPS漏電分析

為了減少電磁干擾，電源屏模塊中加入X電容和Y電容，Y電容消除共模干擾，接地就會(huì)產(chǎn)生漏電流。不同模塊的Y電容規(guī)格不同，漏電流不同，配置在不同相線上的漏流也不相同。

零火線對(duì)地存在分布電容，分布電容的存在就可能會(huì)產(chǎn)生漏電流，下雨、陰天等特殊天氣情況時(shí)，分布電容產(chǎn)生變化，繼而產(chǎn)生的漏電流就不相同。系統(tǒng)的防雷是通過防雷組件接地，當(dāng)電壓有浪涌時(shí)，也會(huì)對(duì)地產(chǎn)生大電流。

4.4 信號(hào)電源系統(tǒng)漏電影響

信號(hào)電源輸入端有電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）設(shè)計(jì)，其防護(hù)等級(jí)為IP20，在接地線完好的情況下，漏電流不會(huì)對(duì)人身與設(shè)備產(chǎn)生安全隱患，并且信號(hào)電源屬于專業(yè)供電設(shè)備，需要具備專業(yè)知識(shí)的人員進(jìn)行操作。

鑒于電源設(shè)備本身屬于漏流設(shè)備，供電漏保采集裝置同時(shí)存在誤采集情況，而且信號(hào)電源系統(tǒng)漏流不會(huì)對(duì)后端設(shè)備和其他設(shè)備及人身安全造成影響，為避免漏保裝置動(dòng)作導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備斷電，建議漏保裝置只監(jiān)測不動(dòng)作電路[3]。

5 全站信號(hào)設(shè)備斷電影響

（1）非集中站斷電不影響正常運(yùn)營，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Automatic Transfer Switching，ATS）監(jiān)視工作站無法監(jiān)控列車運(yùn)行，彌散張量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）無顯示。（2）CI集中站設(shè)備斷電，整個(gè)聯(lián)鎖控區(qū)灰顯，列車緊急制動(dòng)，需電話閉塞法組織行車。（3）ZC設(shè)備所在聯(lián)鎖集中站設(shè)備斷電，ZC控區(qū)內(nèi)所有列車緊急制動(dòng)，無法CBTC模式運(yùn)行，需降為后備模式運(yùn)行；故障聯(lián)鎖控區(qū)灰顯，需電話閉塞法組織行車。（4）LC設(shè)備所在聯(lián)鎖集中站設(shè)備斷電，全線列車緊急制動(dòng)，無法CBTC模式運(yùn)行，需降為后備模式運(yùn)行；故障聯(lián)鎖控區(qū)灰顯，需電話閉塞法組織行車。（5）運(yùn)行控制中心（Operating Control Center，OCC）設(shè)備斷電，中央無法正常監(jiān)控列車運(yùn)營，通信前置機(jī)的相關(guān)業(yè)務(wù)無法正常運(yùn)行，需轉(zhuǎn)為站控組織運(yùn)營；運(yùn)行圖下發(fā)前斷電，中央無法正常監(jiān)控列車運(yùn)營，通信前置機(jī)的相關(guān)業(yè)務(wù)無法正常運(yùn)行，需轉(zhuǎn)為站控組織運(yùn)營，并需要全線排列自動(dòng)進(jìn)路組織運(yùn)營。（6）車輛段設(shè)備斷電，車輛段聯(lián)鎖控區(qū)灰顯，若兩臺(tái)網(wǎng)關(guān)計(jì)算機(jī)都在車輛段信號(hào)設(shè)備房，則車輛段斷電還會(huì)影響正線ATS與列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（Automatic Train Control，ATC）通信。一是無法與CC通信，車次窗顯示有相關(guān)報(bào)警；二是列車光帶為紫色；三是與ZC、LC無法通信，臨時(shí)限速等相關(guān)操作無法進(jìn)行；四是無法實(shí)現(xiàn)跳停功能[4]。

6 提高電源系統(tǒng)穩(wěn)定的措施

（1）提高班組監(jiān)測系統(tǒng)調(diào)看分析能力，通過調(diào)看電源輸入輸出電壓、電流的日、月、年曲線來分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行有針對(duì)性的維護(hù)保養(yǎng)。

（2）加強(qiáng)班組電源設(shè)備應(yīng)急故障處理培訓(xùn)，全員務(wù)必掌握緊急直供方法，發(fā)生斷電故障時(shí)及時(shí)恢復(fù)設(shè)備供電。

（3）提高檢修質(zhì)量，按檢修要求對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行功能性試驗(yàn)，確保功能正常。每季度對(duì)UPS進(jìn)行淺放電（模式轉(zhuǎn)換正常），年度進(jìn)行深放電，放電過程中測試電池組整體電壓及單體電壓，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障電池進(jìn)行更換。利用年檢對(duì)電源設(shè)備進(jìn)行深度清灰，減少粉塵對(duì)設(shè)備的影響。電氣特性測試后，做好記錄并通過電氣特性數(shù)據(jù)來分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

（4）加強(qiáng)備品、備件管理，科學(xué)分析研判設(shè)備故障，合理配置備品、備件，定期檢查，確保賬務(wù)一致。年度對(duì)關(guān)鍵電源模塊及板卡進(jìn)行上電測試，確保性能良好。

（5）電池安裝的環(huán)境是決定電池壽命和性能的重要因素，保持溫度受控、通風(fēng)、干燥的室內(nèi)環(huán)境，電池工作對(duì)溫度的要求極高，需嚴(yán)格控制在20～30 ℃，并避免蓄電池受到陽光直射，通過環(huán)境控制提高電池的使用壽命。

（6）為了防止電源模塊、電池組、電容組等關(guān)鍵器件因工作磨損失效導(dǎo)致系統(tǒng)故障，對(duì)其進(jìn)行定期檢查，并在其預(yù)期的壽命年限內(nèi)進(jìn)行更換。

（7）針對(duì)電池組空開斷開無報(bào)警，可進(jìn)行智能運(yùn)維改造，增加電池空開報(bào)警接點(diǎn)，避免電池空開斷開未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)引發(fā)的設(shè)備斷電風(fēng)險(xiǎn)。

（8）使用單UPS供電的站點(diǎn)，UPS發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)無冗余，會(huì)導(dǎo)致全站設(shè)備終止供電，影響較大。因此，對(duì)信號(hào)車輛段、控制中心、設(shè)備集中站等嚴(yán)重影響行車的站點(diǎn)進(jìn)行UPS雙母線改造，來提高安全性能[5]。

7 結(jié) 論

保障軌道交通信號(hào)電源系統(tǒng)正常運(yùn)行的意義重大，相關(guān)工作人員應(yīng)引起重視，尤其是對(duì)于電源屏切換系統(tǒng)、交直流模塊、UPS等容易出現(xiàn)系統(tǒng)斷電故障的環(huán)節(jié)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注，出現(xiàn)問題及時(shí)處理。