國外特殊電網信號電源系統技術方案研究

姜海峽

(天津鐵路信號有限責任公司，天津 300300)

隨著中國鐵路的迅速發展，鐵路裝備和技術也快速發展起來，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準及現場基礎條件有較大的區別，鐵路設備及技術方案也需要根據實際要求進行適應性設計，對國內的設備供應商提出了各種各樣的挑戰。本文根據中國承建的某國外標準的鐵路信號工程項目（以下簡稱本項目），通過對現場外電網和信號設備的調研，結合國內信號設備供電情況，提出本項目對信號電源系統的需求，并根據該需求設計本項目信號電源系統技術方案，解決了國內外電網不同所帶來的系列問題。

1 本項目信號電源系統供電需求

本項目兩路外電網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25/0.23 k V，50 H z，即外電網為三相和單相電源混合冗余供電方式。這和國內鐵路車站外電網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，需要對電源系統架構進行適應性設計，以滿足三相電網長時間無電狀態下，單相電網能夠保證長時間供電的要求。

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

因站場需要采用三相交流轉轍機轉換道岔，即設備需要三相交流電源供給，因此在三相外電網斷電僅由單相外電網供電時，需要信號電源系統仍能輸出三相交流電源，以保證信號設備的可靠運行。此需求與國內電網兩路三相備用供電方式不同，需要轉轍機負載設置在UPS 穩壓之后，并將單相電源轉換成三相電源。

由于現場外電網不穩定，要求兩路外電網均斷電后，信號電源系統仍應繼續為信號設備提供3 ～8 h 以上穩定、可靠的電源。這與國內要求的有人值守站0.5 h，無人值守站2 h 的后備時間要求不同，并且現場機械室面積有限，需要方案設計時考慮周全。

信號電源系統中的模塊及UPS 等設備，宜采用國內成熟技術及設備，以保證國外信號電源系統的備件供應、老化管理，提高現場電源系統設備的可用性和可維護性。

2 本項目信號電源系統方案設計中需要解決的問題

2.1 UPS選型的問題

為保證穩壓系統的可靠性，U PS 冗余架構宜采取國內客專電源系統中雙機并聯的方式。由于現場三相和單相的混合電網條件以及輸出三相交流電源的要求，U PS 只能選擇單進三出或三進三出制式，而目前國內生產單進三出的UPS 廠家極少，多為定制機，不易選型，這對后期設備維護極其不利，如果混合使用單進三出和三進三出的U PS，將無法實現并機冗余工作方式，因此應盡量選擇三進三出的UPS，此制式的UPS 在國內信號電源系統中應用最普遍，已經有了大量的現場運用經驗，且此類U PS在輸入、輸出、轉換時間等特性上也能滿足鐵路信號設備供電的要求。

2.2 兩路電網工作轉換模式的問題

國內信號電源系統大部分采用兩路外電網互為主備轉換的“Y”型電路，即當一路外電網正常時，其為所有負載供電；當其異常時，系統所有負載切換至另一路備用電源供電。國內信號電源系統少部分采用兩路電網同時為負載供電的“H”型電路，當其中一路異常時，將其承擔的部分負載切換至另一路由其全部承擔。由于兩路外電網異常的幾率遠大于一路異常的幾率，尤其一路外電網不穩定時，“H”型電路會頻繁切換，造成設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的外電網，U PS 宜選取常用的三進三出制式的U PS，因此國內普遍使用的實現兩路電網轉換的“Y”型電路無法在本工程中使用，否則僅有單相電網時，三進三出制式的UPS 將無法正常使用。如果使用“H”型電路，單相電網側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均斷電后信號電源屏仍要繼續正常工作的時間較長，若使用雙機并聯U PS 工作制式，需要考慮到一臺U PS 故障后剩余一臺的UPS 仍應保證設備的續流時間，如果按照國內并機使用UPS 各自獨立帶蓄電池組，則電源系統的電池數量會很龐大，設備成本、施工安裝和后期維護工作量都會增加，并且機械室空間占用較大。因此，應在保證設備安全、可靠、滿足現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技術方案

綜合本項目信號電源系統特殊要求及上述問題，電源系統方案設計如圖1 所示。電源系統主要包括：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、監測單元等。方案具體說明如下。

圖1 信號電源系統技術方案框圖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，如果能夠將單相電網電源轉變為直流電源來模擬電池供給UPS 直流電，當三相電網異常時，使U PS 處在電池工作模式下即可實現此需求。因此這種方案較易實現，只需要使用輸出與電池電壓匹配的單相輸入開關電源模塊，即可使單相電網轉換成穩定的直流電源。此直流電再通過接入UPS 電池輸入端通過UPS 逆變將其變換成穩定、可靠的三相電源輸出。

由于電源模塊與電池組并聯，因此不能再使用U PS 對電池進行充電管理，如果U PS 對電池進行充電管理，并且開關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UPS 之間也會有環流影響，電池組也將被損壞，整個系統會存在較大的不確定風險。因此需在電池的輸出端使用二極管，使開關電源模塊和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計，即：使用專用充電模塊對電池進行管理。考慮到兩路電網在任一路正常的情況下都應該能對電池進行充電管理，所以根據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取電，輸出并聯后對電池進行充電。在兩路電網均正常時可共同對電池進行充電，而任一路電網異常后均可由另一電網通過充電模塊繼續為電池充電，保證了電池的有效管理，同時使用一組電池即可實現儲能，減少電池的占地面積及施工、維護成本。

此系統方案在兩路電網同時正常工作狀態下，由三相電網通過U PS 穩壓輸出為后級負載提供穩定、可靠的三相電源，同時通過充電模塊為電池進行充電管理；而單相電網則為單相輸入開關電源模塊供電，使模塊長期處于備用狀態，同時單相電網也通過充電模塊對電池進行充電管理。當三相電網斷電后，單相電網可長期為負載提供能量；而兩路電網均斷電后，則由充滿電的電池組為后級負載繼續提供一定時間的能量。從系統工作過程中也可看出，本方案中兩路電網既不是國內傳統主備轉換的“Y”型電路，也與“H”型電路有一定的區別，它是對兩種電路進行重新組合，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條件。

兩路電網工作模式設計完成后，兩路外電網、穩壓系統均實現了冗余備用的工作方式，既可以在任何條件下輸出穩定、可靠的三相電源；充電模塊也實現了并聯冗余；三相負載設備亦能得到所需要的電源，其他各單相負載可以根據要求配置相關的配電單元模塊即可。通過以上方案設計，滿足現場需求，實現本項目信號電源系統的可靠性、安全性和可維護性。

4 結束語

本文根據國外鐵路工程的電網條件與國內的差別，提出目前國內信號電源屏設計與其不匹配的地方，并提出這種不同導致信號電源屏在設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的解決方案，該解決方案充分考慮現場條件和使用需求，系統整體運行穩定、可靠，能夠滿足預期工作目標。通過本次供電方案的解決，為信號電源系統在不同電網條件下應用提供了新思路，也使國內設備能夠更好的適應國外各種不同的環境條件，為中國鐵路更好的“走出去”打下了技術基礎。