UPS电源在朔黄铁路信号系统中的应用浅析

2014-06-27张翼翔

电气化铁道 2014年1期

关键词：双电源信号系统时限

张翼翔

0 引言

近年来，随着朔黄铁路运量的递增，行车密度不断增加（追踪间隔为8 min）。为保障行车组织，提高铁路通过能力，对通信、信号等一级负荷供电可靠性的要求也越来越高，不仅要求不间断的供电，而且要求电压、频率相对稳定。

1 信号系统存在问题

朔黄线信号系统由自闭和贯通2路电源供电，互为热备用，通过信号变压器和综合变压器将其电压由10 kV变成0.38 kV后，分别连到信号机械室电源配电箱上口，然后经双电源切换装置下口馈出至信号设备。

1.1 自闭和贯通电源存在问题

（1）配电所自动重合闸时限大于双电源切换时限。朔黄线自闭电源由东向西为主供方式，贯通电源由西向东为主供方式。如图1所示，假设东配电所自闭一为信号系统一路主供，当东配电所贯通二检修或故障后，此时一旦自闭一失压，配电所自动重合闸启动，启动时间为0.5 s，大于双电源切换时限0.15 s的要求，则双电源切换装置瞬时2路失压，导致轨道电路红光带，信号机瞬间关闭，车站行车室黑盘或花盘。

（2）配电所备自投时限大于双电源切换时限。如图1所示，当东配电所贯通二检修或故障后，此时自闭一故障，重合不成功。西配电所检测到自闭线路无电压时，将启动备自投，由西配电所自闭二向信号变压器供电。但备自投启动时间为1.5 s，远大于双电源切换时限0.15 s的要求，会造成信号瞬时失压。

从东西配电所看，虽然有4路电源在保障信号系统的用电，但是由于时限不匹配，根本无法满足车站信号系统不间断供电的要求。

图1 自闭和贯通电源对信号系统供电示意图

（3）自闭和贯通2路电源同时停电。由于自闭和贯通线路大多位于山区，且属于露天架设，很容易遭受雷电、暴风雨等恶劣天气的影响。一旦发生故障，就很难在短时间内恢复。如果出现2路电源同时停电，车站黑盘，将严重扰乱行车组织。特别是列车运行在坡道或小半径曲线地段，遇信号突变，列车运行监控系统会自动紧急制动，容易造成车辆分离、撞钩，甚至脱线的重大事故，给重载列车运行带来严重的安全隐患。

1.2 双电源切换装置存在问题

（1）双电源切换装置存在闪断。由于电源屏内的双路切换装置由2个交流接触器组成。当Ⅰ路电和Ⅱ路电互换时，电源屏的主输入电源会产生一个闪断，该闪断会造成电源屏内的各个供电模块瞬间断电，导致信号设备误动。

（2）双电源切换装置故障。由于双电源转换的动作输入信号是取自电源进线的上口，当输入电源的电压或频率都正常时，交流接触器因过流而脱扣造成负载失电，转换装置并不会动作。

2 UPS电源应用

2.1 方案概述

如图2所示，为了解决上述问题，可以在双电源切换装置输出下端加入UPS电源。利用UPS电源的后备电池组和持续供电能力来保证电源屏的Ⅰ路电不掉电。方案中电源屏Ⅱ路电不做改动，当UPS电源出现故障并退出运行时，电源屏仍然可以使用Ⅱ路电源继续工作。

图2 解决方案说明（单台UPS）框图

当自闭和贯通同时断电以及信号Ⅰ路、Ⅱ路发生转换时，UPS会检测到电源闪断，利用电池组代替整流器立即向外输出直流，再通过逆变器，依然为电源屏提供不间断的交流电。电池组与逆变器之间的电容组起着承上启下的作用，从外电中断到电池组供电，其时间差（约 3 ms）内的直流能量就由该电容组补充。这样就做到了从外电断电到电池组供电的零时间转换。

当输入电源恢复供电后，UPS会检测到输入正常，并进入正常状态。这样就彻底解决了2路电源转换时，需要小于0.15 s的转换时间，消除了重合闸、备自投与切换装置之间时限不匹配以及2路电源失压的问题。

同时，经过UPS滤波、整流、交直交变换后，大量谐波被滤掉，使信号系统电源质量得到改善。

2.2 方案实施

2.2.1 UPS容量选择

选择 UPS容量一般是以额定电压和额定电流为计算依据，如果仅以该依据计算，则会使 UPS容量选得偏低，UPS有可能因过载或操作过电压而引起频繁跳转。确定 UPS容量时，除了考虑信号负荷平均功率以外，还应考虑非线性负荷的峰值电流及持续时间对电源的影响。重点考虑以下2点：

（1）各车站信号负荷数据需准确，信号负荷的工作特性要清楚。例如：转撤机的工作电流及启动电流；25 Hz分频器的工作条件等。

（2）当负荷侧发生过载或短路时，UPS保护动作应有选择性。

以朔黄线滴流磴车站为例，滴流磴站信号室内共有3块电源屏，分别是信号智能电源屏（PZGWJ-10 / 380 / 25电动转撤机）、三相10 kV·A交流转撤机稳压电源屏（液压转撤机）和10 kV·A自动闭塞区间智能屏。为便于表述将它们按上述顺序分别命名为1#电源屏、2#电源屏和3#电源屏（图3）。

图3 滴流磴站配电箱与电源屏结构图

3块电源屏（下文简称屏）的供电结构均为双路供电。其中1#屏和3#屏的双路电从同一个配电箱A引入，2#屏从另一个配电箱B引入。每一个电源屏的功率可从配电箱的输出端测量，1#屏和3#屏的总功率可由配电箱A测得，测量值如表1和表2所示。

表1 动态时总功率表（记录每一相电流的最大值，所有道岔都动作）

表2 静态时总功率表（记录每一相电流的最大值，各道岔均处于静止状态）

根据表1、表2，最大时功率为11156W，约11.2 kW，所以，将 UPS功率选定为 20 kV·A。20 kV·A UPS电源，最大输出功率为16 kW，每相最大输出电流为25 A，过载能力125%负载情况下不断电，可满足现场需求。

2.2.2 UPS电池组选择

（1）后备时间的确定。由于信号系统为双路供电，UPS电源只是为了解决2路断电、重合闸、备自投以及双路切换时产生的闪断问题，所以UPS电源的后备时间不需要太长。后备时间按照有人值守车站UPS供电时间30 min，无人值守车站UPS供电时间2 h配置蓄电池。

（2）蓄电池的选择。根据镉镍电池的放电特性曲线，以满足后备时间内不间断供电的要求来确定电池容量。选择时需考虑：充放电特性好。除用标准充电电流外，还可以用较大电流（0.5 cA）或较小电流（0.05 cA）进行充电，耐过充或过放电；温度特性好。使用温度范围宽，可在-40℃～+45℃的环境温度下使用。

在该方案中，选择使用12 V、38AH电池32只，作为后备电池组，可提供约30 min后备时间。2.2.3 UPS主机选择

UPS主机除具备三相在线外，还必须具有下述特点：

（1）输入电压允许在额定电压±15%范围内波动，输出电压稳压精度是额定电压±1%。

（2）市电/电池之间切换时间不大于3 ms（国内信号电源切换时间为 150 ms），切换过程均能锁相。

（3）UPS能承受150%过负载、持续1 min的过载能力。

（4）UPS能承受 100%三相不平衡负载，中性点电压无漂移（低压配电系统中负载不平衡度为25%）。

（5）当发生短路、长时间过载等异常情况时，能快速地保护 UPS主机并发出报警音响，当事故解除后能自动恢复供电。

2.3 应用效果

经过对 UPS输出侧的三相电压测试，试验结果表明：转撤机冲击性试验按每间隔5 min冲击一次，持续时间约10 s，连续重复24个循环，UPS不旁路不跳闸。通过对谐波含有量的测试，三相电压奇次谐波、偶次谐波、综合畸变率均符合国家《电能质量公用电网谐波》标准要求，电源质量得到了明显改善。

综上所述，为解决信号电源 2路电源同时停电、双电源切换装置闪断、自动重合闸和备自投转换过程时限不匹配以及电能质量污染严重等问题。在供电回路中加装了 UPS电源，达到了改造的目的，取得了理想的较果。

3 改造后仍然存在的问题

3.1 单台UPS电源的可靠性

在图2所示的方案中，加入UPS电源后，可以解决2路电源存在的诸多问题。但是，由于电源屏只有Ⅰ路为UPS输入，当UPS发生故障时，如果Ⅱ路出现瞬时跳闸或故障，仍然会造成电源屏停电。

为了解决单台 UPS电源存在的不稳定性，可以将信号系统的单台 UPS工作方式设计成并联冗余的工作方式。

3.2 UPS电源并联冗余系统

UPS电源并联冗余系统，是在独立的多个单台UPS电源之间，建立一定的通讯协议，使得多台UPS能够同时工作在一个系统中，同源输入，同源输出。正常工作时均分负载容量，其中1台出现故障时自动退出运行，负载会无间断地转到其他UPS电源上。该台故障的 UPS电源可以完全从系统中取下维修。故障排除后，可以再次投入到系统中，负载依然无间断的均分过来。

并联冗余系统可分为“1+1”并机和“N+1”并机。“1+1”并机是指2台UPS并联运行，所带负载总量不能大于其中 1台单机的带载能力。“N+1”并机是指3台以上UPS并联运行，所带负载总量不能大于N台。

采用“N+1”并机主要是为了扩容，可是并联的机子过多会产生过多的节点，从而影响供电系统的整体运行，其中可靠性最好的要属“1+1”并机系统。