地鐵通信信號電源系統設備維護策略

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維護現狀

西安地鐵線網由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，則會跳轉為與UPS相連的蓄電池組供電，蓄電池組電量放完則轉入UPS靜態旁路供電[1]。此時，市電會經過UPS靜態旁路輸入端上層的穩壓器進行濾波操作，再進入UPS靜態旁路送回至電源屏，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的結構如圖1所示。

圖1 單UPS模式下的通號電源系統結構

與單UPS模式不同的是，雙UPS并機模式取消了穩壓器，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的結構如圖2所示。

通過對通號電源系統故障數據的比對分析發現，在電源系統中UPS和蓄電池故障的占比較大，UPS設備的故障率最高。UPS在線使用數量最多，占UPS總數的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，對正線運營影響很大。蓄電池常見的故障有鼓包、漏液及內部電阻過大等。

圖2 雙UPS并機模式下的通號電源系統結構

2 西安地鐵通號電源系統維保的內容及技術管理

2.1 維保內容及周期

目前，西安地鐵的電源系統檢修規程中已對通號電源系統的維護與保養按專業分別做了具體定義。

（1）每日巡視工作。主要包括:檢查設備的外部狀態，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、報警信息狀態以及電路、防雷情況。

（2）二級保養作業。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。

（3）小修作業。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]。

從可靠性和穩定性的角度考慮，在通號專業電源系統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定、可靠性高、使用壽命長、對環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點。

2.2.3 電源屏、UPS、穩壓柜、蓄電池的容量要求

電源屏、UPS、穩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和穩壓柜的容量應一致。

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

2.3 現階段的通號電源設備整改措施

啟動完成2號線所有通號專業電源系統開展了雙UPS改造，以電源電源系統滿足穩定、可靠的工作要求。

2.4 提升通號專業的電源維保水平

目前，西安地鐵通號專業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檢修目前是由通信、信號專業班組進行開展，班組暫不具備深度維保的資質和能力。隨著檢修人員業務技能不斷提升，通信、信號各個班組必將在通號專業電源系統設備領域承擔更多的責任，以提升通號電源系統設備維護保養的綜合能力。

2.4.1 通號電源檢修方式及發展規劃

結合制定的高質量發展規劃，西安地鐵將培養并逐步提升現場電源系統檢修人員深度保養技能水平，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

現階段，西安地鐵通號現場班組負責設備的日常巡檢、二級保養、小修和深度維保的維護工作。目前已建立了規范的電源設備檢修規程，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化各類規程、標準、預案。

2.5 優化通號核心設備電源接線方案

對通號專業電源系統故障深入分析后發現，某些線路通號系統設備正常運行時，若UPS發生短路故障，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，保證負載的可持續供電，本文提出2種電源接線優化方案。

2.5.1 單UPS模式下接線優化方案

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，擬在穩壓器的輸入端及輸出端各增加一個空開，如圖4所示。此優化方案可保證當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后輸出，若有短路電流發生，其影響范圍較小。

圖4 單UPS模式下電源輸入輸出的優化方案

3 結語

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