地鐵專用通信電源UPS 構成及典型故障分析

李玉斌

（南京地鐵運營有限責任公司，江蘇 南京 211135）

0 引 言

主電源故障或電源供給存在質量不高、波動較大的情況下，為提高地鐵專用通信各系統設備可靠性，需要在控制中心、車輛段、全線各站點設置專用通信電源系統為專用通信系統供電[1-2]。

地鐵通信電源系統專用通信電源系統由交流配電屏、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、高頻開關電源、蓄電池以及電源監控網管設備等構成[3-4]。交流用電通信系統設備由UPS 供電，一般使用的電壓是交流220 V，直流用電設備由高頻開關電源提供直流電源（Direct Current，DC），電壓為- 48 V。部分地鐵專用通信設備全部采用交流電源，不使用直流供電[5]。在控制中心設置電源網管系統，統一監測交流配電屏、UPS、高頻開關電源以及蓄電池等設備[6]。

1 UPS 組成及功能

UPS 由交流電輸入單元、交直流轉換的整流器、直交流轉換的逆變器、蓄電池組、自動切換的靜態開關、手動旁路開關、交流電輸出分配模塊以及監控顯示單元等組成。正常工作時，UPS 可看成穩頻穩壓電源，整流后的電源為逆變器供電的同時給蓄電池組充電，逆變器將交流電轉成直流電后輸出。當市電故障或整流器故障時，蓄電池組為逆變器供電，逆變器進行直交流變換后向負載供電。通信系統后備時間不少2 h。

1.1 輸入整流濾波電路

將供電部門提供的交流電轉變為直流電，再進行穩壓濾波后，為蓄電池組和逆變器進行供電。整流器是利用電源整流電路工作原理將交流電轉換為直流電的整流裝置。一方面將供電部門提供的交流電轉變成直流電，經濾波后供給逆變器；另一方面為蓄電池組提供充電電壓。

1.2 蓄電池組

市電正常時，蓄電池組充電以儲存電能；市電中斷時，蓄電池組放電維持逆變器的工作。

1.3 逆變器

逆變器是UPS 中的關鍵部件，主要作用是將整流器整流后的直流電或蓄電池組的直流電轉換成交流電。在線式UPS 均采用正弦脈寬調制技術控制逆變器的工作。

1.4 靜態開關電路

靜態開關的功能是將兩路電源供電系統從一路電源自動切換至另外一路電源的部件。靜態開關是由兩個反向并聯的可控硅組成的交流開關。該開關無觸點，由具有邏輯控制的裝置控制開關的斷開和閉合。當UPS過載或其內部的逆變器故障不能輸出交流電時，為保證交流負載能夠不間斷工作，靜態開關將UPS從逆變器供電轉換為由市電直接供電。該轉換過程要求靜態開關轉換時間很短，不能出現電源供給中斷現象，避免造成交流負載掉電。

2 UPS 單機工作模式

2.1 UPS 正常工作供電模式

市電正常供電時UPS 單機工作模式原理如圖1所示。在供電部門提供的交流市電正常情況下，交流電源經過濾波整流后，交流市電轉換為直流電供給逆變器，同時供給電池組給蓄電池充電。UPS 可以解決電涌、電壓不穩、頻率漂移以及噪聲干擾等問題，為交流負載提供純凈的電源。

圖1 市電正常供電時UPS 單機工作模式原理

2.2 電池供電模式

電池供電時UPS 單機工作模式原理如圖2 所示。

圖2 電池供電時UPS 單機工作模式原理

當供電部門提供的交流市電發生異常或整流器發生故障時，蓄電池組向逆變器提供直流電源，確保逆變器正常工作，交流輸出正常，不影響交流負載的正常使用。

2.3 旁路供電模式

旁路供電時UPS 單機工作模式原理如圖3 所示。當逆變器受前級設備工作影響或自身部件損壞不能提供交流電源時，如果供電部門提供的交流市電繼續不變，那么靜態開關就會接通旁路開關。此時，供電部門提供的交流市電經旁路開關直接供給交流負載。

圖3 旁路供電時UPS 單機工作模式原理

2.4 維修旁路供電模式

維護旁路供電時UPS 單機工作模式原理如圖4所示。在UPS 維保過程中，有時需要進行內部器件檢查維修或相關設備的更換，為不中斷交流負載運行，保證交流電能夠持續供給，需要先關閉逆變器，再打開維護旁路開關，接著斷開UPS 的市電開關和旁路開關。市電通過維護開關直接為交流負載供電，此時UPS 處于非工作狀態，可以安全開展設備維保工作。

圖4 維護旁路供電時UPS 單機工作模式原理

3 UPS 并機工作模式

3.1 UPS 正常工作供電模式

市電正常供電時UPS 并機工作模式原理如圖5所示。在供電部門提供的交流電正常情況下，2 臺UPS 同時正常運行。UPS 并機工作，自動均分負載，各承擔50%的負載量。

圖5 市電正常供電時UPS 并機工作模式原理

3.2 電池供電模式

電池供電時UPS 并機工作模式原理如圖6 所示。當供電部門提供的交流市電發生異常時，由蓄電池組向逆變器提供直流電源，確保逆變器正常工作，交流輸出正常，不影響交流負載的正常使用。

圖6 電池供電時UPS 并機工作模式原理

3.3 單機故障供電模式

單機故障供電時UPS 并機工作模式原理如圖7所示。UPS 并機系統中，當其中1 臺UPS 出現故障，該故障UPS 會自動退出并機系統，由另外1 臺UPS在電池供電模式下為負載設備單機供電。

圖7 單機故障供電時UPS 并機工作模式原理

3.4 旁路電源供電模式

旁路供電時UPS 并機工作模式原理如圖8 所示。當逆變器受前級設備工作影響或自身部件損壞不能提供交流電源時，如果供電部門提供的交流電繼續不變，那么靜態開關就會接通旁路開關，由供電部門提供的交流電經旁路開關直接為交流負載供電。

圖8 旁路供電時UPS 并機工作模式原理

3.5 維護旁路供電模式

UPS 在進行維保過程中，有時需要進行內部器件檢查維修或相關設備的更換。為不中斷交流負載運行，保證交流電的持續供給，先關閉逆變器，再打開維護旁路開關，接著斷開UPS的市電開關和旁路開關。市電通過維護開關直接為交流負載供電，此時UPS處于非工作狀態，可以安全地開展設備維保工作。

4 UPS 故障案例分析

地鐵專用通信電源系統中UPS 的穩定至關重要，UPS 的故障類型比較多，原因也多樣。文章以4 個故障案例為例展開分析，UPS 內部結構復雜，集成電路板件均是供貨商獨有，地鐵通信維護部門一般不具備UPS 內部單個元器件的修復能力，因此技術人員通常以判斷故障原因、及時進行應急處理、更換新機為UPS 維保工作的重點。

4.1 故障案例一

2023 年2 月21 日09:49，A 站通信電源系統告警顯UPS 故障，通信機房內交流供電設備告警。09:58，通信技術人員現場檢查發現，交流配電屏UPS 輸入空開跳閘、UPS 輸出空開未跳閘、所有負載空開未跳閘，UPS 背部出風口散發出明顯糊味，UPS處于關機狀態，UPS 故障未能自動切換至靜態旁路供電，造成交流配電屏下掛負載全部斷電。

技術人員手動將UPS 切換至維修旁路，系統上電后恢復正常運行。當天夜間向地鐵調度請點更換新UPS，拆開換下的故障舊UPS，發現內部逆變驅動電路板燒壞。

故障原因分析：UPS 內部逆變驅動電路板燒壞導致逆變器和靜態旁路開關功能失效，UPS 宕機。

4.2 故障案例二

2021 年3 月13 日02:48，B 站通信電源系統告警顯示UPS故障，通信機房內所有交流供電設備斷電。02:50，通信技術人員現場檢查發現，交流配電屏兩路市電輸入正常、負載空開指示燈全部熄滅，UPS 主路輸入空開和蓄電池空開正常閉合、UPS 處于關機狀態。查看告警信息，信息顯示UPS蓄電池無法正常供電，導致UPS 關機。

技術人員聯系供電部門確認，當天供電維修人員對該車站一、二類負荷停一路電源、部分三類負荷停電操作。停用一路時由于UPS 蓄電池組工作不正常，向二路輸入電源進行切換失敗，造成UPS 關機。測量UPS 蓄電池組，發現第32 節蓄電池內阻為59.9 mΩ，超出正常值（≤5.16 mΩ）。

故障原因分析：蓄電池老化導致內阻過高，進而導致UPS 蓄電池組不能正常放電，造成一、二路輸入電源切換不正常，UPS 關機。

4.3 故障案例三

2022 年7 月11 日14:21，C 站通信電源系統告警顯示UPS 旁路告警。14:25，通信技術人員現場檢查發現，UPS 顯示旁路輸入A 相電壓過低告警，但對現場設備工作暫無影響。

技術人員當天夜間向地鐵調度請點更換控制板和接口板，并對UPS 進行內部除塵后重新上電，發現旁路A 相電壓仍然過低。逐級測量電壓，在交流屏側后部連接UPS 處發現異常，即UPS 旁路輸入A相黃線松動。重新緊固接頭后，告警消失。

故障原因分析：交流配電屏UPS 旁路輸入A 相線頭松動，造成接觸電阻增大，導致系統發出UPS旁路輸入A 相電壓過低告警。

4.4 故障案例四

2021 年9 月1 日09:16，D 站通信電源系統告警顯示UPS 故障，通信機房內所有交流供電設備斷電。09:31，通信技術人員現場檢查發現，交流配電屏上交流負載失電，UPS 無輸出。

對交流配電屏進行維修旁路操作，斷開UPS 輸入電源并對其停用，直接市電為通信交流設備供電。當天夜間向地鐵調度請點更換新UPS，檢測故障的UPS 發現，該UPS 內部輸入輸出電路板損壞。

故障原因分析：UPS 內部輸入輸出板故障導致UPS 無交流輸出，設備無法正常工作。

5 結 論

文章主要介紹和分析UPS 組成工作原理，理解其在實際應用中的重要性。隨著現代電子技術的迅速發展，地鐵通信系統設備對電源供電的質量、穩定性及可靠性的要求日益增高。早期的地鐵建設中通信電源UPS 基本是單機工作方案，但隨著人們對通信系統穩定性要求的提高，現已逐步采用并機工作方案。掌握UPS 的各種工作模式，可以準確分析實際維保過程中碰到的故障，并進行應急處理，保證通信系統電源供給正常，為地鐵的安全運營提供有力支撐。