UPS電源在朔黃鐵路信號系統中的應用分析

張翼翔

（朔黃鐵路發展有限責任公司原平分公司，山西原平 034100）

1 概述

近年來，隨著朔黃鐵路運量的大幅增長，行車密度不斷增加（追蹤間隔為8?min一列），為保障安全、準確、迅速和經濟的行車組織，提高鐵路通過能力，對通信、信號等一級負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、頻率相對穩定。一旦電源側出現故障，勢必嚴重影響行車，經濟損失相當巨大。

2 信號系統供電現狀

信號設備對電源的基本要求：可靠、穩定和安全。為了保證朔黃鐵路沿線各車站信號和通信系統的用電，在全線架設了10?kV自閉線路和10?kV貫通線路。自閉線為各車站信號、通信系統提供一路電源，貫通線提供二路電源，兩路電源互為熱備用。通過信號變和綜合變將10?kV變成0.38?kV后，分別供到通信、信號機械室電源配電箱入口，然后經雙電源切換裝置下口饋出至通信、信號設備。

3 存在的問題及危害

3.1 電壓波動大、諧波含量高

如圖1所示，10?kV配電所由地方電源和動力變兩路電源輸入，而動力變主要從鐵路沿線的牽引變電所取得電能。當配電所輸入電源由動力變供電時，由于變壓器原邊取自牽引變電所27.5?kV母線，電力機車在啟動或運行時，會產生大量的高次諧波，通過接觸網傳輸，會造成動力變27.5?kV側電能污染嚴重，同時也使27.5?kV側電壓波動劇烈。諧波污染對電力設備的危害相當嚴重，主要表現為：過負荷和發熱、增加戒指應力和過電壓，甚至破壞電子設備和保護控制設備的性能。當電源中諧波含量達到一定數值時，信號電源屏中的相序繼電器就會啟動，切斷信號電源屏接觸器上的電源，導致輸入電源無法送到電源屏上。在實際使用中，曾多次發生信號設備發熱及被燒損的故障。

當地方電源供電時，由于其上級電源為地方公共電網，供電質量相對于動力變已有大幅改善。但仍然存在諸如斷電、電壓過高或過低、電壓瞬間跌落、減幅震蕩、高壓脈沖、諧波失真、雜波干擾、頻率波動等許多問題，這些供電的不良情況隨時都可能對信號設備產生影響。

3.2 失壓后，配電所自動重合閘時限大于雙電源切換時限

朔黃鐵路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2所示，此時假設東配電所自閉一為信號系統一路主供，當東配電所貫通二檢修或故障后，此時自閉一一旦失壓，配電所自動重合閘啟動，自動重合閘時間為0.5?s，大于雙電源切換時限0.15?s的要求，會造成雙電源切換裝置瞬時兩路失壓。導致軌道電路紅光帶，信號機瞬間關閉，車站行車室黑盤或花盤。

3.3 失壓后，配電所備自投時限大于雙電源切換時限

如圖2所示，當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，會啟動備自投，由西配電所自閉二向信號變供電。但備自投啟動時間為1.5?s，遠大于雙電源切換時限0.15?s的要求，會造成信號瞬時失壓。

這樣，從東西配電所來看，表面上相當于四路電源在保障信號系統的用電。但由于時限的不匹配，根本無法滿足信號系統不間斷供電的要求。

3.4 自閉、貫通兩路電源同時停電

由于自閉和貫通線路大多位于山區，且屬于露天架設，很容易遭受雷電、暴風雨等惡劣天氣的影響。一旦發生故障，很難在短時間內恢復。如果出現兩路電源同時停電，區間UM71設備按照設計要求需重啟檢查，第一趟發往區間的列車必須開放調車信號，利用綠色許可證發車，方能恢復區間設備重新運行。這樣就會嚴重擾亂行車組織，影響運輸生產任務的完成，此類故障在管內已經多次發生。

目前，朔黃線即將開行2萬t列車，如果列車運行在坡道或小半徑曲線地段，遇信號突變，列車運行監控系統會自動緊急制動，容易造成車輛分離、撞鉤，甚至脫線的重大事故，給重載列車運行帶來嚴重的安全隱患。

3.5 雙電源切換裝置本身存在問題

3.5.1 雙電源切換裝置存在閃斷問題

由于電源屏內的雙路切換裝置是由兩個交流接觸器組成的。所以在一路電和二路電互換時，電源屏的主輸入電源會產生一個閃斷，這個閃斷會造成電源屏內的各個供電模塊瞬間斷電，這樣一來信號設備就會出現誤動作或其他問題。

3.5.2 電源屏質量檢測存在誤差

當電源屏主用的一路電源不穩定，電壓在臨界值之間劇烈波動時，會造成電源屏監測電源質量出現誤差，不會自動切換至另一路電源。但電源的波動會造成電源屏瞬間斷電，出現已經開放的信號關閉、電碼化瞬間中斷以及信號機瞬間滅燈。

3.5.3 雙電源切換裝置故障

由于雙電源轉換的動作輸入信號是取自電源進線的上口，當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載失電，轉換裝置并不會動作。

4 解決方案

4.1 解決方案概述

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供電能力來保證電源屏的一路電不掉電。方案中電源屏二路電不做改動，當UPS電源出現故障并退出運行時，電源屏仍然可以使用二路電源繼續工作。

如圖3所示，信號Ⅰ路電源和Ⅱ路電源，經過雙電源切換裝置后接入UPS電源，經過UPS電源后給信號電源屏供電。

UPS電源的工作原理如圖4所示。

UPS（Uninterruptible?Power?System?）是一種含有儲能裝置，以逆變器為主要組成部分的恒壓恒頻的不間斷電源。當外電輸入正常時，UPS將交流電整流穩壓后形成直流電，一部分向機內蓄電池充電，一部分進入逆變器，經逆變器將直流轉成交流向負荷供電；當外電中斷時，?UPS立即將機內電池的電能，通過逆變器轉變為交流電繼續為負載供電。

4.2 方案實施

4.2.1 UPS電源功率選擇

選擇UPS容量一般是以額定電壓和額定電流為計算依據，如果僅以此來計算，則會使UPS容量選得偏低，有可能造成UPS因過載或操作過電壓而引起頻繁跳轉。所以，確定UPS容量時，除了考慮信號負荷平均功率以外，還要考慮非線性負荷的峰值電流及持續時間對電源的影響。重點考慮以下兩點。

1）各車站信號負荷數據需準確，信號負荷的工作特性要清楚。例如：轉撤機的工作電流及啟動電流；25?Hz分頻器的工作條件等。

2）當負荷側發生過載或短路時，UPS保護動作應有選擇性。

以朔黃線滴流磴車站信號室為例，滴流磴站信號室內共有3塊電源屏，分別是：信號智能電源屏（PZGWJ-10/380/25電動轉撤機）、三相10?kVA交流轉撤機穩壓電源屏（液壓轉撤機）和10?kVA自動閉塞區間智能屏。為便于表述，將這3塊電源屏分別按上述順序命名為：1#屏、2#屏和3#屏。

如圖5所示，3塊電源屏的供電結構都為雙路供電。其中1#屏和3#屏的雙路電從同一個配電箱A引入，2#電源屏從另一個配電箱B引入。根據3塊電源屏的供電結構，從兩個雙路配電箱A和B內的輸出端測量，即可測得每一個電源屏的功率。1#屏和3#屏的總功率可由配電箱A測得。如表1、2所示。

表1 動態時總功率表（記錄每一相電流的最大值，所有道岔都動作）

表2 靜態時總功率表（記錄每一相電流的最大值，所有道岔都處于靜止狀態）

根據以上表格，最大時功率為11 156 W,約11.2 kW。所以，將UPS功率選定為20 kVA。20 kVA?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%負載情況下不斷電。可滿足現場需求。

4.2.2 UPS電源電池組選擇

1）后備時間的確定

由于信號系統為雙路供電，UPS電源只是為了解決兩路斷電、重合閘、備自投以及雙路切換時產生的閃斷問題，所以UPS電源的后備時間不需太長。后備時間按照鐵道部要求，有維護人員值守車站UPS后備供電時間30?min配置蓄電池，無維護人員值守車站UPS后備供電時間2?h配置蓄電池。

2）蓄電池的選擇

根據鎘鎳電池的放電特性曲線,以滿足后備時間內不間斷供電的要求來確定電池容量。選擇時需考慮:①充放電特性好。除用標準充電電流外,還可以用較大電流(0.5?CA)或較小電流(0.05?CA)進行充電,并能耐過充或過放電。②溫度特性好。使用溫度范圍寬,可在-40～+45?℃的環境溫度下使用。

在本方案中，選擇使用12?V?38?Ah電池32只，做為后備電池組，可提供30?min左右后備時間。

4.2.3 UPS主機選擇

UPS主機除具備三相在線外，還必須具有下述特點。

1）輸入電壓允許在額定電壓±15%范圍內波動,輸出電壓穩壓精度是額定電壓±1%。

2）市電/電池之間切換時間不大于3?ms(國內信號電源切換時間150?ms),切換過程均能鎖相。

3）UPS能承受150%過負載、持續1?min的過載能力。

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

5）當發生短路、長時間過載等異常情況時,能快速地保護UPS主機并發出報警音響,當事故解除自動恢復供電。

6）先進的狀態監控系統,操作簡單,存貯信息量大。

5 UPS方案試驗效果

5.1 解決了信號電源雙路轉換中的問題

兩路電源進行轉換時，需要小于0.15?s的轉換時間，采用UPS電源可以消除這個轉換時間。

當外電從一路電向二路電轉換或二路電向一路電轉換時，UPS會檢測到外電閃斷，在中央處理器調控下，整流器停止工作，電池組立即向外輸出直流，電池組向外輸出的直流代替了整流器輸出的直流，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，這個時間差（約3?ms）內的直流能量就由這個電容組內直流能量來補充。這樣就做到了從外電斷電到電池組供電的零時間轉換。

當外電的閃斷結束后，UPS會檢測到外電正常，所以UPS馬上進入正常狀態。這樣就徹底解決了上面所述雙路切換裝置在轉換過程中存在的問題，消除了重合閘、備自投和切換裝置之間時限不匹配，以及雙路切換裝置閃斷造成的設備隱患。

5.2 解決了信號電源兩路停電的問題

當自閉和貫通兩條電力線路同時斷電，利用UPS電源中配備的電池組，將電池組的直流通過UPS中的逆變器轉換成交流電，繼續為電源屏等負載供電，保證信號電源屏等設備能持續工作。同時不會因為雙路電的瞬間斷電，而引起電源屏等設備非正常關機，以及設備的軟硬件損壞，最大限度地減少了經濟損失，保證了正常的行車安全。

5.3 解決了電源諧波的問題

信號電源經過UPS電源濾波、整流、逆變的交直交變換后，將輸入電源的諧波濾掉，給信號系統供應符合要求的三相電源。

經過對UPS輸出側的三相電壓測試，試驗結果表明：轉撤機沖擊性試驗按每間隔5?min沖擊一次，持續時間約10?s,連續重復24個循環，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《電能質量公用電網諧波》標準要求，電源質量得到了明顯改善。

綜上所述，為解決信號電源兩路電源同時停電、雙電源切換裝置閃斷、自動重合閘和備自投轉換過程時限不匹配以及電能質量污染嚴重等問題。在供電回路中加裝UPS電源，達到了改造的目的，取得了理想的較果。

6 試驗中存在的問題及設想

6.1 單臺UPS電源的可靠性

在雙路電源轉換供電系統中，加入UPS電源后，可以解決兩路電源存在的諸多問題。但是，從圖3所示的供電系統中可以看出，由于只有電源屏一路為UPS輸入，二路仍然是靠信號Ⅱ路供電。當單臺UPS電源內部故障時會自動轉入旁路供電，此時如果二路出現瞬時跳閘或故障，仍然會造成電源屏停電。這樣看來單臺UPS電源的可靠性稍差一些。為了解決單臺UPS電源存在的不穩定性，在此可以將信號室單臺UPS的工作方式設計成并聯冗余工作方式。

6.2 UPS電源并聯冗余系統

UPS電源并聯冗余系統，是在獨立的多個單臺UPS電源之間，建立一定的通信協議，使多臺UPS能夠同時工作在一個系統中，同源輸入，同源輸出。正常工作時均分負載容量，其中一臺出現故障時自動退出運行，負載會無間斷的轉到其他UPS電源上。這臺故障的UPS電源可以完全從系統中取下維修。故障排除后，可以再次投入到系統中，負載依然無間斷的均分過來。

并聯冗余系統可分為“1+1”并機和“N+1”并機。“1+1”并機是指兩臺UPS并聯運行，所帶負載總量不能大于其中一臺單機的帶載能力。“N+1”并機是指3臺以上UPS并聯運行，所帶負載總量不能大于N臺。

采用“N+1”主要是為了擴容，可是并聯的機子過多，也會產生過多的節點，從而影響供電系統的整體運行。其中可靠性最好的要屬“1+1”并機系統，因此，在接觸器控制的雙電源轉換系統中，為了有效解決單臺UPS故障，二路電源不穩定的問題，可以在雙路切換裝置與電源屏之間加入“1+1”并機UPS供電系統。

6.3 并機特點

如圖6所示，采用2臺UPS并機，成本約為單機費用的2倍。雖然成本有所增加，但是采用2臺UPS并聯使系統的可靠性得到很大提高。當二路電源斷電時，電池組供電，轉換時間不大于3?ms，對信號系統幾乎是零切換，沒有任何影響。單臺UPS故障時，維修方便，不影響信號系統不間斷供電。允許外部電源有很寬的電壓波動，而輸出電壓精度為±1%。智能電池管理功能，可有效延長蓄電池的使用壽命，為今后信號供電自動化、信息化、網絡化提供良好的擴展條件。

7 結束語

隨著鐵路建設的發展及朔黃運能的要求，對信號供電的要求越來越高，通過對信號系統進行UPS電源改造，成功解決了日常生產中亟待解決的幾個問題。同時，為使信號系統供電標準化、系列化，以及UPS在信號系統中的推廣應用提供了強大的技術支持，為朔黃線安全營運提供了可靠的電能保障。

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