地鐵信號電源系統切換方案研究

高 志

（云南京建軌道交通投資建設有限公司，云南昆明 650020）

0 引言

為保證地鐵信號電源的可靠性及穩定性，電源系統由不同來源的兩路電源供電，且電源系統內部設有冗余的供電模塊，轉換成不同范圍的電源提供給負載設備。從而使電源系統為所有信號系統設備提供實時可靠電源，滿足全天不間斷供電，確保信號系統設備穩定運行。

1 昆明地鐵4 號線信號電源系統組成及工作原理

昆明地鐵4 號線信號電源系統設備主要分布在調度控制中心、沿線軌旁、場段及試車線等設有信號系統設備的設備室內。各設備室設備類型及數量配置不同，因此各設備室電源系統容量配置也不一樣。以軌旁一級集中站電源系統為例，闡述信號電源系統的組成，如圖1 所示。

圖1 地鐵信號電源系統組成

軌旁一級集中站的信號電源系統主要由電源屏柜（A、B、C 三個屏及電源輸入單元）、不間斷電源（UPS）柜、穩壓柜及蓄電池柜組成。兩路三相電源引入至電源屏輸入單元，具有自動、手動切換及轉換電路故障直供的功能，兩路電源切換后選擇一路給UPS 和穩壓器供電，穩壓器設置在UPS 旁路上，可在UPS 故障自動轉旁路時給信號電源屏繼續提供穩壓電源。UPS 輸出經電源屏輸入配電分配至各交、直流模塊進行供電；交流電源采用變壓器隔離直供的工作方式；直流模塊采用N+1（N≤3）的并聯工作方式；交流轉轍機輸入從穩壓器引入，采用工頻變壓器隔離直供的工作方式；電源監測單元將信號電源屏、UPS、電池組及穩壓器的信息通過RS485 傳輸到監測系統中，監控全線聯網的信號電源系統信息。

2 電源系統切換在檢修維護工作中的重要性

當電源系統中某一路電源或模塊故障、UPS 設備故障等，系統會自動進行切換至正常設備上工作或轉為旁路工作。但是信號維護人員需定期維護電源系統，以保證設備正常運行。維護時需對冗余設備進行切換試驗，測試冗余設備的性能質量等。為保證電源設備的不間斷供電，需人為將電源設備切換至維修旁路，從而使UPS在不帶電的情況下進行檢修維護作業。為保障UPS 電池的使用壽命，需定期進行放電試驗，需要人為切換為電池供電。因此掌握電源系統人工切換方法及注意事項，在設備維護工作中尤其重要。

3 電源系統主要切換操作內容

在電源系統日常維護及設備故障時，需人為介入進行手動切換的操作主要有：①Ⅰ、Ⅱ路三相輸入電源的切換；②冗余的交流電源模塊間切換；③UPS 維修旁路與逆變器間的切換；④UPS 蓄電池充放電的切換。其中，切換頻率最高也是最容易出錯的是UPS 維修旁路與逆變器間的切換，故本文詳細介紹該切換模式的操作程序及注意事項。

4 UPS 工作模式及切換方法

4.1 UPS 工作模式

UPS 是信號電源系統中重要的組成部分，為高可靠性的在線雙變換（AC/DC/AC）交流不間斷電源設備。該設備主要包含整流器、逆變器、輸入隔離變壓器與輸出隔離變壓器、靜態開關、靜態旁路（含斷路器）、維修旁路（含斷路器）等6 個重要功能組件，連接如圖2 所示。UPS 常用工作模式主要有以下幾種。

（1）正常運行模式。通過整流器將交流輸入電源轉換為直流電源，再經過逆變器轉換成交流電源，由變壓器根據負載需求調整為不同電壓。通過隔離變壓器、整流器裝置及各種保護裝置將交流電轉換為直流電，同時消除不穩定因素、干擾電流及不穩定頻率或波動電壓等各種因素造成的影響。使得逆變器能夠輸出穩定、持續、可靠電源給負載設備。

（2）備用模式。當整流器或逆變器不能正常工作時，如整流逆變器出現短路、開啟失敗、溫度過高、不能匹配或者負載過大不能滿足需求等，此時整流器、逆變器將自動停止工作，防止設備受損。在備用電源工作正常情況下，靜態開關將會自動切換至備用的電源提供給負載。

（3）后背模式。當輸入電源異常或整流器不能正常工作停止運行時，由于UPS 蓄電池設備提供的直流電直接與直流設備連接，故直流系統立即將蓄電池直流電源輸入至逆變器，替換整流器提供的輸入電源。該系統實現無縫切換，轉換過程將不會影響系統對負載供電。

（4）維修模式。設備維護人員將定期對UPS 設備進行維護或維修，為方便維護作業設置該模式。設備維護時將UPS 裝置切換至維修旁路模式進行工作，該模式在切換中仍然為無縫切換。UPS 的輸出不會影響負載設備的正常工作。模式切換成功后，需切斷UPS 交流輸入斷路器、直流輸入斷路器及輸出斷路器，保證維修工作的安全，消除隱患，確保不帶電作業。

圖2 UPS 組成

4.2 UPS 維修旁路與逆變器間的切換操作程序

結合設備具體使用情況，對UPS 從正常運行模式切換至維修旁路模式操作程序，以及從維修旁路模式切換至正常運行模式操作程序兩種情況的操作總結如下。

4.2.1 從正常運行模式切換至維修旁路模式操作程序

在UPS 日常維護工作中，經常需要在設備維護工作中保證UPS 輸出正常工作不中斷，應參照以下步驟進行操作。

（1）使逆變器停止工作。在UPS 設備操作界面找到雙箭頭鍵和關機鍵，同時按下這兩個鍵1 s 后，逆變器將立即停止運行。此時向負載供電的模式將通過靜態切換開關進行切換，由靜態旁路向負載輸出供電。

（2）切斷直流輸入斷路器。

（3）切斷交流輸入斷路器。

（4）閉合維修旁路斷路器。閉合維修旁路斷路器后，由于維修旁路電阻抗不高，且低于靜態旁路。此時電流將經過維修旁路斷路器輸出而不是經過靜態輸入斷路器。

（5）斷開靜態旁路的輸入及輸出斷路器。在斷開靜態旁路輸入及輸出斷路器后，UPS 輸入已經完全被切斷（維修旁路除外）。

（6）負載由維修旁路供電，UPS 設備無顯示，5 min 后，直流總線電能將釋放完畢。5 min 后可以進行維修作業。

4.2.2 從維修旁路模式切換至正常運行模式操作程序

對UPS 進行檢修作業完畢后，需將UPS 恢復至正常運行模式工作，應參照以下步驟進行操作。

（1）閉合旁路輸入電源靜態斷路器及輸出電源斷路器。

（2）斷開維修旁路斷路器。維修旁路斷路器如果處于閉合狀態，則逆變器不能被啟動。由于旁路輸入電源靜態斷路器處于閉合狀態，當維修旁路斷路器斷開之后，電源將通過靜態旁路輸出后供給負載使用。按以上方式進行操作，保證UPS 的輸出不出現瞬間斷電或電壓波動情況，不影響負載設備的正常使用。

（3）閉合交流輸入斷路器。當閉合交流輸入斷路器后，整流器將進入正常工作模式，當UPS 輸入側正常，內部直流總線電壓開始逐漸升至額定值，開始向逆變器輸出穩定直流電源。

（4）閉合直流輸入斷路器。

（5）啟動逆變器。在UPS 設備操作界面找到雙箭頭鍵和開機鍵，同時按下這兩個按鍵1 s 后，逆變器正常啟動；大約4 s 后逆變器將會運行至穩定狀態，準備向負載設備供電；逆變器運行穩定15 s 后，靜態切換開關將會自動將UPS 輸出由靜態旁路輸出切換至逆變器輸出，此時UPS 將重新運行于正常運行模式下。

5 結束語

通過梳理電源系統中需要進行人為切換的工作，對UPS 維修旁路與逆變器間的切換操作，總結出具體切換步驟和方案，掌握切換中需注意事項，便于做好電源系統設備維護工作，避免電源系統設備維護使用手動切換時不知所措。同時當電源故障時，能熟練切換至正常設備使用，以最短時間處理好故障，不影響行車正常運營。