關于鐵路信號電源凈化技術研究分析

鐘衛國

（廣州鐵路（集團）公司電務處，廣東廣州，510000）

關于鐵路信號電源凈化技術研究分析

鐘衛國

（廣州鐵路（集團）公司電務處，廣東廣州，510000）

本文主要在分析鐵路信號電源凈化原理的基礎上，以實際鐵路信號電源凈化系統為案例進行鐵路信號電源凈化技術的研究與分析。

鐵路；信號電源；凈化技術

0 引言

對于信號控制系統而言，信號電源的作用就是系統的“心臟”。信號控制系統要求信號電源具有安全性、可靠性和穩定性。如何保證信號電源安全、可靠、穩定地工作，減少外電網對信號的影響，主要是采用鐵路信號凈化技術，通過這一技術的應用來提高信號電源的安全性以及可靠性。鐵路信號凈化技術的實現手段主要有兩種，UPS1/UPS2組成1+1熱備模式、UPS1/UPS2組成1+1并機模式。很好地消除了因外電網電源問題引發的軌道電路紅光帶、信號突變等問題，同時也極大地提高了鐵路信號電源屏的供電質量。

1 鐵路信號電源凈化系統工作原理解析

1.1 1+1熱備冗余供電系統工作原理與工作方式

1+1熱備冗余供電系統主要采用主UPS市電逆變供電，另外以備用UPS作為逆變輸出供給旁路。在1+1熱備冗余供電系統運行過程中，沒有UPS市電輸入的時候，會通過電池來進行供電；另外當UPS市電因為維修等原因無法應用時，會采用備用UPS逆變供給旁路來保證市電輸入穩定性；同樣當主UPS出現問題并且備用UPS市電也出現問題的時候，通過備用UPS電池逆變來進行供電。另外，一旦主UPS和備用UPS都出現問題發生故障時，必須通過維修旁路來實現供電，然后維修人員可以直接對主UPS和備用UPS展開維修。

在1+1熱備冗余供電系統運行過程中市電首先會通過信號凈化電源系統，對于系統運行而言不管是主路還是旁路都可以進行工作，主路和旁路的工作都能夠為后端信號負載進行供電，并且保證穩定、純凈和不間斷的供電，最終保證整個系統供電的正常運行。

1.2 1+1并機冗余供電系統工作原理及工作方式解析

對于1+1并機冗余供電系統而言，通常由2臺UPS均分負載并且在運行過程中同時工作，當輸入掉電時，由蓄電池經過逆變單元實現負載供電，在這一過程中不需要消耗切換時間。對于這兩臺UPS均分負載而言當一臺發生故障時，這臺UPS負載會自動提出并機系統，由另外一臺UPS負載來實現供電功能。當并機系統發生故障時，凈化電源會直接進行轉換，轉到自動旁路當中；對于并機系統而言，主要通過電源直供來進行供電。

1.3 信號電源凈化技術對電源工作影響分析

凈化電源技術是在UPS電源基礎上發展起來的，其原理和UPS電源相似。在鐵路信號電源等比較特殊工作環境中，一般需要完善的電腦系統來進行工作，同時需要保證多臺機器的正常運行，這樣對于電源功率提出較高要求，同樣電源的凈化功率要求也隨之提高。在大功率下電壓輸出難免出現干擾以及波動，凈化電源在傳統電源基礎上改善了這一點。在電源凈化技術中采用了高質量的電池逆變技術，電源凈化技術增加的電池箱，其采用串聯的方式進行連接，并且最終通過引線實現和主機的連接，這樣省去了后備式電源的穩壓部分。它是將外電源直接進行整流加在電池兩端，逆變電路直接從電池提取能量輸出穩定的220V交流電壓。

通常情況下，鐵路凈化電源的標準容量能夠維系外電網停電后連續2小時左右的正常供電，如果電池容量大而負荷小，那么這一標準供電時間還可以增加。實際上，在這樣的供電環境下，使用了凈化電源的工作環境無需顧忌外電源波動和跳變，這是因為外電源正常時，凈化電源裝置直接輸出，并給電池充電；當外電源不正常時，電池放電逆變輸出，不會造成電源模塊不工作，而且鐵路有二路穩定的電源，2小時的后備時間是絕對安全可靠的。

2 鐵路信號電源凈化技術應用案例解析

鐵路信號電源凈化技術已經開始在我國不同鐵路干線中開始應用，但利用信號電源凈化技術，傳統方法中仍不能實時監測外電網質量，也不能實現的UPS凈化裝置在故障時電源波動的電源跳變來帶的問題。

問題：電子設備適應外部電網干擾和波動的能力較差，而供電系統中經常會產生雷擊尖峰、浪涌和下陷，停電切換、電壓大幅度波動、各類諧波脈沖尖峰干擾等，這些都會對智能化電子設備的穩定工作產生嚴重影響，從而直接影響到列車運行的安全與穩定。

優化方案：為解決外網二路電源頻繁切換、大幅度波動及輸入電源質量差對信號電源屏工作帶來的影響，實現信號電源供電系統的備份冗余和對輸入電源尖峰干擾的防護，提出在信號電源屏前增加智能防雷配電柜和UPS電源的方式。如下框圖1示。

圖1 鐵路信號電源凈化系統圖

2.1 智能防雷配電柜

2.1.1 智能防雷配電柜的組成

智能防雷配電柜，由兩路電源輸入開關電路、輸入防雷單元、智能化電源質量監測單元、ATS雙電源轉換電路等部分組成。

2.1.2 智能防雷配電箱功能

具有外電冗余輸入，模塊化的防雷保護和輸入、輸出電源質量智能監測功能。智能監測單元采用先進的觸摸屏工控機作為人機管理界面，智能地對兩路電源進行全面檢測，當其中一路供電出現異常時快速地切換到另一路供電，并對外電網質量數據（諧波電氣）、配電柜各輸入、輸出回路的通斷狀態、電壓、電流、防雷設備狀況等參數進行全面監測和智能分析，發現異常及時切換和聲光報警。

兩路外電輸入端安裝的防雷單元為C級防雷，裝有共模和差模浪涌保護器，有效防護外電網輸入端雷電良涌；智能監測單元采集大屏幕工控機和本地顯示操作系統，先進的人機操作界面，對所有的電氣數據（輸入電壓/電流及電壓/電流諧波、配電柜輸入、輸出回路的通斷狀態，輸出電壓/電流值，防雷設備狀況，UPS電池溫度、內阻、浮沖及電源系統故障等數據）實時監測，與信號集中監測系統聯網，能高效的檢查和監控電源系統的實時工作狀態和告警記錄等。

ATS具有雙電源自動和人工轉換功能，在外電源跳變時，實現零切換的自動轉換；在檢修試驗時，實現人工兩路電源切換小于0.15秒。

2.2 UPS系統

2.2.1 UPS電源接入方式

前文已講述了UPS電源采用1+1熱備或并機方式，下圖為UPS電源1+1并機接入示意圖。

圖2 UPS電源1+1并機接入示意圖

2.2.2 UPS工作原理及功能

UPS是一個多重保護的交流供電設備。當主電輸入正常時，首先將主輸入電整流變換成純凈的直流電，濾除主電中的各類諧波干擾成份，然后給蓄電池充電，同時輸出純交流主電；當主電輸入異常時，則將蓄電池儲存的直流逆變交流輸出，保證用戶負載（電源屏）的高質量的電源供電。

（1）微處理器控制中心功能

微處理器將輸入、輸出、電池、環境等數據經高速運算，然后控制整流器、逆變器、靜態開關的運行和保護并響應外部的操作指令。

（2）整流和充電單元

主電輸入檢測電路將主電輸入電壓頻率和相位信息送到微處理器進行運算，主電的電壓、頻率、相位在正常范圍內時，微處理器送出整流控制信號，整流電壓從0V緩慢的上升到額定電壓，減小對輸入的浪涌電流沖擊。由于電池組和直流總線并聯運行，整流器同時對電池進行充電：當電池電壓低于浮充電壓時，整流器工作在恒流模式，此時微處理器將電池的充電電流反饋和用戶設置的電池容量信息進行計算控制；當電池充至浮充電壓時，轉為恒壓充電模式。同時微處理器還根據電池的溫度信息對電池進行溫度補償充電，還根據電池的使用情況對電池進行定時維護管理（當電池長時間沒有充放電時，微處理器自動轉為均充模式來激活電池的活性），以延長電池的使用壽命和減少用戶的管理負擔。

（3）逆變器單元

在直流總線正常時，微處理器發出逆變控制信號，逆變電路通過SPWM驅動信號驅動逆變器逆變橋，經變壓器隔離變壓、濾波后，輸出純凈的正弦交流電。逆變器通過調整驅動信號的脈沖寬度使輸出電壓從0V緩慢的上升到額定電壓，通過輸出反饋控制使輸出穩定；同時檢測輸出電壓、電流對逆變器進行保護。

（4）自動和手動旁路單元

旁路電路即是將輸入通過開關電路直接轉換到輸出供電。當逆變器關閉或故障時，微處理器高速控制靜態開關自動切換到旁路供電，而不間斷負載的供電。旁路電源可以和主電為同一組電源，也可以是不同的交流電。

3 鐵路信號電源凈化系統效果

徹底解決了因外電網波動跳變和諧波干擾對電源屏工作的影響，消除了因外電網電源質量問題引發的信號系統設備故障，提高了信號電源系統安全穩定。目前廣泛運用在我們管內京廣線、滬昆及焦柳線上。

[1]鄒波.信號電源凈化技術研究與應用[J].鐵道技術監督,2013,04：41-43.

[2]周汝明.改善信號供電電源質量的裝置[J].鐵道通信信號,2010,01：19-20.

[3]漫談電源管理與電源凈化[J].家庭影院技術,2005,03：39-44.

Research and analysis on purification technology of railway signal power supply

Zhong Weiguo
(guangzhou railway (group) co., LTD,Guangzhou Guangdong,510000)

Based on the analysis of the principle of railway signal power supply, this paper studies and analyzes the technology of railway signal power supply purification with the actual railway signal power supply purification system.

railway; Signal power supply; Purification technology