UPS電源在朔黃鐵路信號系統中的應用淺析

張翼翔

0 引言

近年來，隨著朔黃鐵路運量的遞增，行車密度不斷增加（追蹤間隔為8 min）。為保障行車組織，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。

1 信號系統存在問題

朔黃線信號系統由自閉和貫通2路電源供電，互為熱備用，通過信號變壓器和綜合變壓器將其電壓由10 kV變成0.38 kV后，分別連到信號機械室電源配電箱上口，然后經雙電源切換裝置下口饋出至信號設備。

1.1 自閉和貫通電源存在問題

（1）配電所自動重合閘時限大于雙電源切換時限。朔黃線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1所示，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，此時一旦自閉一失壓，配電所自動重合閘啟動，啟動時間為0.5 s，大于雙電源切換時限0.15 s的要求，則雙電源切換裝置瞬時2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。

（2）配電所備自投時限大于雙電源切換時限。如圖1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，將啟動備自投，由西配電所自閉二向信號變壓器供電。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。

從東西配電所看，雖然有4路電源在保障信號系統的用電，但是由于時限不匹配，根本無法滿足車站信號系統不間斷供電的要求。

圖1 自閉和貫通電源對信號系統供電示意圖

（3）自閉和貫通2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，就很難在短時間內恢復。如果出現2路電源同時停電，車站黑盤，將嚴重擾亂行車組織。特別是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。

1.2 雙電源切換裝置存在問題

（1）雙電源切換裝置存在閃斷。由于電源屏內的雙路切換裝置由2個交流接觸器組成。當Ⅰ路電和Ⅱ路電互換時，電源屏的主輸入電源會產生一個閃斷，該閃斷會造成電源屏內的各個供電模塊瞬間斷電，導致信號設備誤動。

（2）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。

2 UPS電源應用

2.1 方案概述

如圖2所示，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Ⅰ路電不掉電。方案中電源屏Ⅱ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Ⅱ路電源繼續工作。

圖2 解決方案說明（單臺UPS）框圖

當自閉和貫通同時斷電以及信號Ⅰ路、Ⅱ路發生轉換時，UPS會檢測到電源閃斷，利用電池組代替整流器立即向外輸出直流，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，其時間差（約 3 ms）內的直流能量就由該電容組補充。這樣就做到了從外電斷電到電池組供電的零時間轉換。

當輸入電源恢復供電后，UPS會檢測到輸入正常，并進入正常狀態。這樣就徹底解決了2路電源轉換時，需要小于0.15 s的轉換時間，消除了重合閘、備自投與切換裝置之間時限不匹配以及2路電源失壓的問題。

同時，經過UPS濾波、整流、交直交變換后，大量諧波被濾掉，使信號系統電源質量得到改善。

2.2 方案實施

2.2.1 UPS容量選擇

選擇 UPS容量一般是以額定電壓和額定電流為計算依據，如果僅以該依據計算，則會使 UPS容量選得偏低，UPS有可能因過載或操作過電壓而引起頻繁跳轉。確定 UPS容量時，除了考慮信號負荷平均功率以外，還應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2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 kV·A交流轉撤機穩壓電源屏（液壓轉撤機）和10 kV·A自動閉塞區間智能屏。為便于表述將它們按上述順序分別命名為1#電源屏、2#電源屏和3#電源屏（圖3）。

圖3 滴流磴站配電箱與電源屏結構圖

3塊電源屏（下文簡稱屏）的供電結構均為雙路供電。其中1#屏和3#屏的雙路電從同一個配電箱A引入，2#屏從另一個配電箱B引入。每一個電源屏的功率可從配電箱的輸出端測量，1#屏和3#屏的總功率可由配電箱A測得，測量值如表1和表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，各道岔均處于靜止狀態）

根據表1、表2，最大時功率為11156W，約11.2 kW，所以，將 UPS功率選定為 20 kV·A。20 kV·A 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。

2.2.2 UPS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2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要太長。后備時間按照有人值守車站UPS供電時間30 min，無人值守車站UPS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：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，耐過充或過放電；溫度特性好。使用溫度范圍寬，可在-40℃～+45℃的環境溫度下使用。

在該方案中，選擇使用12 V、38AH電池32只，作為后備電池組，可提供約30 min后備時間。2.2.3 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為 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，當事故解除后能自動恢復供電。

2.3 應用效果

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 2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。在供電回路中加裝了 UPS電源，達到了改造的目的，取得了理想的較果。

3 改造后仍然存在的問題

3.1 單臺UPS電源的可靠性

在圖2所示的方案中，加入UPS電源后，可以解決2路電源存在的諸多問題。但是，由于電源屏只有Ⅰ路為UPS輸入，當UPS發生故障時，如果Ⅱ路出現瞬時跳閘或故障，仍然會造成電源屏停電。

為了解決單臺 UPS電源存在的不穩定性，可以將信號系統的單臺 UPS工作方式設計成并聯冗余的工作方式。

3.2 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，建立一定的通訊協議，使得多臺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1臺出現故障時自動退出運行，負載會無間斷地轉到其他UPS電源上。該臺故障的 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2臺UPS并聯運行，所帶負載總量不能大于其中 1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”并機主要是為了擴容，可是并聯的機子過多會產生過多的節點，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。

3.3 并機特點

如圖4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了很大的提高。當Ⅱ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，不影響信號系統的不間斷供電。

圖4 “1+1”并機UPS供電系統連接示意圖

4 結語

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。為信號系統不間斷供電和供電管理實現自動化、信息化、標準化提供了強大的技術支持，同時也為朔黃線安全營運提供了可靠的電能保障。

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