城市軌道交通信號UPS電源系統優化配置方案

王 穎，李 新，馮前進，曾祥進

（蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司，江蘇蘇州 215000）

信號系統作為城市軌道交通列車運行的指揮系統，為列車運營的安全性、舒適性以及準點性提供強有力的保障。從運營、安全角度考慮，信號系統的正常平穩運行遠比其他系統重要。因此，為實現信號設備的持續、穩定運行，其電源系統需要提供穩定、安全以及優質的電能[1-2]。

隨著城市軌道交通信號設備的不斷更新改造，信號電源系統也逐步進入智能化、模塊化的時代，促使信號電源系統的適應性與可維護性得到明顯的提升。信號系統的電源設備主要由信號智能電源屏、不間斷電源（UPS）、蓄電池組以及穩壓器等部分構成，實現為信號設備持續地提供品質較高且純凈的電源。而UPS作為電源設備的核心組成部分，可以保證供電質量、供電連續性，為軌道交通安全運營提供有效保障[3-4]。本文通過對蘇州軌道交通2號線信號UPS電源系統進行分析，并結合運行中出現的故障情況，提出相應的配置優化方案，確保能夠為信號系統可持續性供電，為各項設備的穩定運行提供保障，從而減少故障發生的可能性，提高列車運行的效率與安全性。

1 電源設備工作原理

電源設備的輸入來自供電專業配置的兩路獨立的市電，經過信號配電盤，送至信號電源屏，再由內部的Y型切換裝置，進行輸入總配電。然后送至UPS，再經UPS輸出到電源屏進行各路交/直流輸出的分配和檢測。其工作原理如圖1所示。

圖1 電源設備工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of working principle of power supply equipment

電源系統不僅能提供列車自動控制（ATC）系統及其子系統計算機用的電源，還可以為信號機、轉轍機、計軸、繼電器、站間聯系等設備提供電源[5]。

UPS電源系統供電單元通常采用3種方案[6]：第一種是單機UPS結合穩壓器供電方案，其外電網的兩路獨立市電作為輸入，經過電源屏切換單元切換后，送至UPS，再輸入到穩壓器，穩壓器輸出給各種負載單元，常用于非集中站、培訓中心、試車線等站點。第二種是UPS并機方案，外電網兩路獨立的輸入電源，經過電源屏切換單元切換后，分別送至兩臺UPS，再由UPS向電源屏供電，輸出穩定純凈的電流。兩臺UPS分別設置兩條獨立的輸出母線，兩條母線通過交/直流電源模塊輸出給負載供電。常用于聯鎖設備集中站、車輛段信號設備室、控制中心等站點。第三種則是雙UPS雙母線方案，兩路市電獨立輸入，經兩套獨立切換單元，分別向各主、備用電源模塊及兩臺UPS供電。兩路外電源通過兩套進線的雙電源切換裝置，可進行手動、自動切換，兩臺UPS相互獨立，任意一臺UPS故障，不影響另一臺正常工作，保證后端服務器負載供電始終正常輸出。此項方案的供電穩定性最優，但涉及既有電源屏改造，實施難度大，施工周期長，因此目前蘇州軌道交通2號線暫未使用此項方案。

2 UPS配置方案及優化改造

蘇州市軌道交通2號線信號電源系統在設計之初采用并機NXR系列、單機NXR系列以及20 kVA以下單機ITA系列共3種不同類型UPS進行電源系統配置，即分別在信號聯鎖集中站、控制中心、車輛段采用并機高頻NXR型UPS，信號集中站采用單機高頻NXR型UPS，信號非集中站、試車線及培訓室等信號用房采用單機高頻ITA型UPS。

然而，自2號線開通以來，并機NXR系列、單機NXR系列、20 kVA以下ITA系列UPS多次發生故障，對運營造成不同程度的影響，甚至造成列車大面積晚點。針對信號電源故障頻發，采取2號線信號電源整體配置優化工作。

2.1 并機NXR型UPS配置方案優化

故障情況：2017年8月2日，某聯鎖設備集中站信號設備房并機NXR型UPS設備UPS1發生故障，使UPS并機系統無法向信號系統輸出供電，導致該站信號設備房內所有機柜設備失電，該站聯鎖區發生信號設備故障，后續并機NXR型UPS多次發生故障。

分析與處理：改造之前聯鎖站使用的并機NXR高頻機，通過對輸出模塊進行檢測，發現其功率模塊發生逆變橋短路故障，造成UPS故障，導致信號設備失電，直接影響列車運行。因NXR型高頻機在正常工作時極易產生高頻電流，在環形線圈內會引起極性瞬間改變的強磁束，磁束易貫通線圈內的金屬物體，從而產生較大的大渦電流，致使功率模塊短路。針對并機NXR型UPS故障，通過對比分析，工頻UL33型UPS利用數字電路系統替代了傳統的模擬電路，克服高頻機UPS的缺點，增強了過載性能。

因此，通過對比分析高頻NXR型UPS與工頻UL33型UPS的工作優勢可知，工頻UL33型UPS更加穩定，從而決定將蘇州軌道交通2號線聯鎖站采用的并機高頻NXR型UPS更換為并機工頻UL33型UPS。UL33型工頻機具有更強的短路保護能力，顯著提升了UPS正常工作的可靠性、安全性，同時也給信號設備的穩定性提供了強有力的保障，截至目前未發生一起故障。

2.2 單機NXR系列配置方案優化

故障情況：2018年6月30日，某一聯鎖區信號設備故障，故障區域內所有信號設備失電，導致區域內列車緊急制動、無法實現列車自動監控。

分析與處理：借鑒并機高頻NXR系列UPS相關故障的分析與處理過程，首先對單機NXR系列UPS進行評估，結合NXR系列UPS內部構造原理，檢測出該型號UPS存在單個功率模塊故障后導致UPS整體故障。

對防護措施進行優化，即對UPS模塊單板加強三防處理，三防漆干膜的厚度不低于70 μm（原40 μm）；MOS管引腳加套管處理，加強環境適應能力，避免器件短路性失效。其次對并機系統可靠性進行優化，即在UPS功率模塊輸出端増加快熔保險，如圖2所示位置。

當功率模塊發生短路故障時，根據圖2所示短路電流回路，短路電流流經快熔保險、旁路開關，該快熔保險能迅速熔斷，使故障模塊脫離并機系統，避免旁路開關跳閘造成系統斷電。

圖2 新增保險位置Fig.2 New fuse location map

通過對單機高頻NXR型UPS進行內部功率模塊優化（三防處理）及對UPS增加快熔保險措施，實現對單機高頻NXR系列UPS改造，提高模塊供電的可靠性，大大提高了電源UPS運行的穩定性。

2.3 單機ITA系列配置方案優化

故障情況：2018年9月12日，蘇州火車站信號設備室ITA型高頻機UPS故障，該故障造成該站所有信號設備失電，使第一聯鎖區軌旁ATP信息無法傳輸至軌旁無線服務器，導致第一聯鎖區內的列車產生緊急制動及部分列車OBCU顯紅。

分析與處理：通過拆機分析發現，機器內部母線銅箔處存在炸毀情況，測量輔助電源電路二極管，發現二極管已經短路，輔助電源已經無法正常輸出12 V輔助電。故障部位如圖3所示。炸毀部分位于PFC母線銅箔上，分析結果為電路板器件防護等級不達標，少許灰塵導致電路和器件間絕緣間距和爬電距離縮小，引起母線短路炸機。母線短路故障發生后，會導致整流、逆變部分的保護，并且短路后的拉弧擴大了故障范圍，導致周邊輔助電源電路損壞，無法正常輸出，在整流、逆變保護的情況下，無法轉旁路輸出，最終導致信號電源系統輸出斷電。因此，根據該型號UPS故障造成的失電影響及該型號UPS歷年發生的故障情況，決定將高頻ITA型UPS更換為工頻GD系列UPS，相較于ITA型UPS，工頻GD系列UPS優勢明顯，供電更加穩定，故障率更低。

圖3 故障部位Fig.3 Fault location

綜上所述，蘇州軌道交通2號線信號電源系統根據車站信號系統的屬性及功能不同，分別采取3種不同類型的電源系統布置方案進行配置，結合實際運營中出現的故障情況，做出相應的升級優化，UPS優化改造配置方案如表1所示。

表1 UPS優化改造配置方案Tab.1 UPS optimization schem

3 信號電源系統UPS、穩壓器優化改造策略

經過對不同類型UPS配置進行優化后，大大降低了信號設備失電性故障率，然而，UPS與穩壓器之間的連接方式也影響電源系統供電的可靠性[7]。因此，需結合相應的故障，對UPS、穩壓器進行優化改造。

3.1 故障情況

2019年7月12日，某一信號非集中站信號電源系統輸出掉電，造成該聯鎖區多列車晚點，影響嚴重。經檢查發現，穩壓器原廠內部空開接線端子及接線頭有氧化灼燒痕跡，并發現該處配線存在夾線皮情況，測量發現穩壓器的輸出電壓為零，斷定穩壓器故障導致電源系統輸出掉電。現場信號電源系統UPS穩壓器配置接線原理如圖4所示。

在圖4中，穩壓器對UPS的輸出量進一步優化，然后再提供給各種信號設備。同時，當UPS處于旁路工作模式時，輸入的市電直接經旁路進電輸出至穩壓器。

圖4 現場信號電源系統UPS穩壓器配置Fig.4 UPS voltage regulator configuration diagram of field signaling power system

3.2 UPS、穩壓器工作性能分析

UPS系統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、維修旁路空開、逆變靜態開關、蓄電池組以及輸入/輸出空開等[8]。其系統組成如圖5所示。

圖5 UPS工作原理Fig.5 UPS working principle diagram

當交流電源正常供電時，且UPS系統正常工作，輸入的電源既向蓄電池組充電又向逆變器供電，逆變器輸出潔凈的交流電源。停電時由蓄電池組經逆變器為負載提供純凈的交流電源，UPS能夠起到穩頻、穩壓作用。

穩壓器同樣具有對輸入電壓進行穩定的功能，其主要包括調壓電路、控制電路、補償變壓器及顯示電路等。其工作性能如圖6所示。

圖6 穩壓器工作原理Fig.6 Working principle diagram of voltage regulator

穩壓器在正常工作時，由智能控制電路監測輸入、輸出電壓，然后控制調壓電路，調整線圈匝數比，確保能夠輸出穩定的交流電源。

3.3 UPS、穩壓器優化改造

通過對現場信號電源系統的排查，發現穩壓器輸入開關跳閘，而穩壓器的輸出負載設備僅因失電無法工作。由UPS穩壓器配置圖及電源屏告警信息，可斷定故障時穩壓器輸入開關跳閘導致穩壓器輸出停電，由于穩壓器輸出接電源屏輸入，穩壓器輸出停電導致電源屏停電，最終導致電源屏輸出全部失電。同時由圖4可知，非設備集中站穩壓器設置于UPS后，此項配置方案若穩壓器發生故障，UPS主路、旁路、蓄電池供電均不可用。經過對UPS、穩壓器工作性能分析，當UPS正常工作時，UPS能夠起到穩頻、穩壓作用。僅在旁路工作模式時，輸入的市電需要由穩壓器確保能夠輸出穩定的交流電源。

因此，經過相關專家對UPS與穩壓器輸出電壓的穩定性進行測量分析，決定對信號電源系統UPS穩壓器進行整改，將穩壓器統一設置在UPS旁路輸入前，起到對旁路進電調節的作用，再供給信號設備。改造后的信號電源系統UPS穩壓器配置如圖7所示。

圖7 改造后的信號電源系統UPS穩壓器配置Fig.7 UPS voltage regulator configuration diagram of signaling power system after optimization

經現場改造之后，有效避免了由于穩壓器故障導致所有供電被切斷的隱患。當穩壓器故障時，UPS可自動切換1、2路提供不間斷供電，該項工作與UPS整改同時進行，并已全部整改完成。信號電源系統配置單獨穩壓器，即便是在UPS旁路情況下，仍然可以保證輸出電壓的精度，使信號系統穩定工作。

4 結束語

信號系統是保證城市軌道交通秩序井然的核心，是涉及行車安全的關鍵系統，在任何情況下，信號系統電源的可靠性都至關重要。與此同時，城市軌道交通土建造價與日俱增，在保障行車安全的前提下必須更加合理地配置資源。本文通過對蘇州軌道交通2號線信號電源設備結構及屬性功能的分析研究，分別針對單機型、并機型UPS以及UPS與穩壓器的連接方式，提出信號UPS電源系統優化改造配置方案，配置高品質的電源設備，從而提高信號設備電源供電可靠性，確保現場信號電源設備穩定運行。各地城市軌道交通建設應綜合考慮當地的實際情況，然后選擇合適的信號供電方案，為日后的正常運行打下良好的基礎。