張翼翔

0 引言

近年來(lái)，隨著朔黃鐵路運(yùn)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(guò)能力，對(duì)通信、信號(hào)等一級(jí)負(fù)荷供電可靠性的要求也越來(lái)越高，不僅要求不間斷的供電，而且要求電壓、頻率相對(duì)穩(wěn)定。

1 信號(hào)系統(tǒng)存在問(wèn)題

朔黃線信號(hào)系統(tǒng)由自閉和貫通2路電源供電，互為熱備用，通過(guò)信號(hào)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(hào)機(jī)械室電源配電箱上口，然后經(jīng)雙電源切換裝置下口饋出至信號(hào)設(shè)備。

1.1 自閉和貫通電源存在問(wèn)題

（1）配電所自動(dòng)重合閘時(shí)限大于雙電源切換時(shí)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(shè)東配電所自閉一為信號(hào)系統(tǒng)一路主供，當(dāng)東配電所貫通二檢修或故障后，此時(shí)一旦自閉一失壓，配電所自動(dòng)重合閘啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)間為0.5 s，大于雙電源切換時(shí)限0.15 s的要求，則雙電源切換裝置瞬時(shí)2路失壓，導(dǎo)致軌道電路紅光帶，信號(hào)機(jī)瞬間關(guān)閉，車站行車室黑盤(pán)或花盤(pán)。

（2）配電所備自投時(shí)限大于雙電源切換時(shí)限。如圖1所示，當(dāng)東配電所貫通二檢修或故障后，此時(shí)自閉一故障，重合不成功。西配電所檢測(cè)到自閉線路無(wú)電壓時(shí)，將啟動(dòng)備自投，由西配電所自閉二向信號(hào)變壓器供電。但備自投啟動(dòng)時(shí)間為1.5 s，遠(yuǎn)大于雙電源切換時(shí)限0.15 s的要求，會(huì)造成信號(hào)瞬時(shí)失壓。

從東西配電所看，雖然有4路電源在保障信號(hào)系統(tǒng)的用電，但是由于時(shí)限不匹配，根本無(wú)法滿足車站信號(hào)系統(tǒng)不間斷供電的要求。

圖1 自閉和貫通電源對(duì)信號(hào)系統(tǒng)供電示意圖

（3）自閉和貫通2路電源同時(shí)停電。由于自閉和貫通線路大多位于山區(qū)，且屬于露天架設(shè)，很容易遭受雷電、暴風(fēng)雨等惡劣天氣的影響。一旦發(fā)生故障，就很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)。如果出現(xiàn)2路電源同時(shí)停電，車站黑盤(pán)，將嚴(yán)重?cái)_亂行車組織。特別是列車運(yùn)行在坡道或小半徑曲線地段，遇信號(hào)突變，列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)緊急制動(dòng)，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(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。

1.2 雙電源切換裝置存在問(wèn)題

（1）雙電源切換裝置存在閃斷。由于電源屏內(nèi)的雙路切換裝置由2個(gè)交流接觸器組成。當(dāng)Ⅰ路電和Ⅱ路電互換時(shí)，電源屏的主輸入電源會(huì)產(chǎn)生一個(gè)閃斷，該閃斷會(huì)造成電源屏內(nèi)的各個(gè)供電模塊瞬間斷電，導(dǎo)致信號(hào)設(shè)備誤動(dòng)。

（2）雙電源切換裝置故障。由于雙電源轉(zhuǎn)換的動(dòng)作輸入信號(hào)是取自電源進(jìn)線的上口，當(dāng)輸入電源的電壓或頻率都正常時(shí)，交流接觸器因過(guò)流而脫扣造成負(fù)載失電，轉(zhuǎn)換裝置并不會(huì)動(dòng)作。

2 UPS電源應(yīng)用

2.1 方案概述

如圖2所示，為了解決上述問(wèn)題，可以在雙電源切換裝置輸出下端加入U(xiǎn)PS電源。利用UPS電源的后備電池組和持續(xù)供電能力來(lái)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(dòng)，當(dāng)UPS電源出現(xiàn)故障并退出運(yùn)行時(shí)，電源屏仍然可以使用Ⅱ路電源繼續(xù)工作。

圖2 解決方案說(shuō)明（單臺(tái)UPS）框圖

當(dāng)自閉和貫通同時(shí)斷電以及信號(hào)Ⅰ路、Ⅱ路發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，UPS會(huì)檢測(cè)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(guò)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(shí)間差（約 3 ms）內(nèi)的直流能量就由該電容組補(bǔ)充。這樣就做到了從外電斷電到電池組供電的零時(shí)間轉(zhuǎn)換。

當(dāng)輸入電源恢復(fù)供電后，UPS會(huì)檢測(cè)到輸入正常，并進(jìn)入正常狀態(tài)。這樣就徹底解決了2路電源轉(zhuǎn)換時(shí)，需要小于0.15 s的轉(zhuǎn)換時(shí)間，消除了重合閘、備自投與切換裝置之間時(shí)限不匹配以及2路電源失壓的問(wèn)題。

同時(shí)，經(jīng)過(guò)UPS濾波、整流、交直交變換后，大量諧波被濾掉，使信號(hào)系統(tǒng)電源質(zhì)量得到改善。

2.2 方案實(shí)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(jì)算依據(jù)，如果僅以該依據(jù)計(jì)算，則會(huì)使 UPS容量選得偏低，UPS有可能因過(guò)載或操作過(guò)電壓而引起頻繁跳轉(zhuǎn)。確定 UPS容量時(shí)，除了考慮信號(hào)負(fù)荷平均功率以外，還應(yīng)考慮非線性負(fù)荷的峰值電流及持續(xù)時(shí)間對(duì)電源的影響。重點(diǎn)考慮以下2點(diǎn)：

（1）各車站信號(hào)負(fù)荷數(shù)據(jù)需準(zhǔn)確，信號(hào)負(fù)荷的工作特性要清楚。例如：轉(zhuǎn)撤機(jī)的工作電流及啟動(dòng)電流；25 Hz分頻器的工作條件等。

（2）當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生過(guò)載或短路時(shí)，UPS保護(hù)動(dòng)作應(yīng)有選擇性。

以朔黃線滴流磴車站為例，滴流磴站信號(hào)室內(nèi)共有3塊電源屏，分別是信號(hào)智能電源屏（PZGWJ-10 / 380 / 25電動(dòng)轉(zhuǎn)撤機(jī)）、三相10 kV·A交流轉(zhuǎn)撤機(jī)穩(wěn)壓電源屏（液壓轉(zhuǎn)撤機(jī)）和10 kV·A自動(dòng)閉塞區(qū)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(jié)構(gòu)圖

3塊電源屏（下文簡(jiǎn)稱屏）的供電結(jié)構(gòu)均為雙路供電。其中1#屏和3#屏的雙路電從同一個(gè)配電箱A引入，2#屏從另一個(gè)配電箱B引入。每一個(gè)電源屏的功率可從配電箱的輸出端測(cè)量，1#屏和3#屏的總功率可由配電箱A測(cè)得，測(cè)量值如表1和表2所示。

表1 動(dòng)態(tài)時(shí)總功率表（記錄每一相電流的最大值，所有道岔都動(dòng)作）

表2 靜態(tài)時(shí)總功率表（記錄每一相電流的最大值，各道岔均處于靜止?fàn)顟B(tài)）

根據(jù)表1、表2，最大時(shí)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(guò)載能力125%負(fù)載情況下不斷電，可滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。

2.2.2 UPS電池組選擇

（1）后備時(shí)間的確定。由于信號(hào)系統(tǒng)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(shí)產(chǎn)生的閃斷問(wèn)題，所以UPS電源的后備時(shí)間不需要太長(zhǎng)。后備時(shí)間按照有人值守車站UPS供電時(shí)間30 min，無(wú)人值守車站UPS供電時(shí)間2 h配置蓄電池。

（2）蓄電池的選擇。根據(jù)鎘鎳電池的放電特性曲線，以滿足后備時(shí)間內(nèi)不間斷供電的要求來(lái)確定電池容量。選擇時(shí)需考慮：充放電特性好。除用標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行充電，耐過(guò)充或過(guò)放電；溫度特性好。使用溫度范圍寬，可在-40℃～+45℃的環(huán)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(shí)間。2.2.3 UPS主機(jī)選擇

UPS主機(jī)除具備三相在線外，還必須具有下述特點(diǎn)：

（1）輸入電壓允許在額定電壓±15%范圍內(nèi)波動(dòng)，輸出電壓穩(wěn)壓精度是額定電壓±1%。

（2）市電/電池之間切換時(shí)間不大于3 ms（國(guó)內(nèi)信號(hào)電源切換時(shí)間為 150 ms），切換過(guò)程均能鎖相。

（3）UPS能承受150%過(guò)負(fù)載、持續(xù)1 min的過(guò)載能力。

（4）UPS能承受 100%三相不平衡負(fù)載，中性點(diǎn)電壓無(wú)漂移（低壓配電系統(tǒng)中負(fù)載不平衡度為25%）。

（5）當(dāng)發(fā)生短路、長(zhǎng)時(shí)間過(guò)載等異常情況時(shí)，能快速地保護(hù) UPS主機(jī)并發(fā)出報(bào)警音響，當(dāng)事故解除后能自動(dòng)恢復(fù)供電。

2.3 應(yīng)用效果

經(jīng)過(guò)對(duì) UPS輸出側(cè)的三相電壓測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)撤機(jī)沖擊性試驗(yàn)按每間隔5 min沖擊一次，持續(xù)時(shí)間約10 s，連續(xù)重復(fù)24個(gè)循環(huán)，UPS不旁路不跳閘。通過(guò)對(duì)諧波含有量的測(cè)試，三相電壓奇次諧波、偶次諧波、綜合畸變率均符合國(guó)家《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)要求，電源質(zhì)量得到了明顯改善。

綜上所述，為解決信號(hào)電源 2路電源同時(shí)停電、雙電源切換裝置閃斷、自動(dòng)重合閘和備自投轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)限不匹配以及電能質(zhì)量污染嚴(yán)重等問(wèn)題。在供電回路中加裝了 UPS電源，達(dá)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(wèn)題

3.1 單臺(tái)UPS電源的可靠性

在圖2所示的方案中，加入U(xiǎn)PS電源后，可以解決2路電源存在的諸多問(wèn)題。但是，由于電源屏只有Ⅰ路為UPS輸入，當(dāng)UPS發(fā)生故障時(shí)，如果Ⅱ路出現(xiàn)瞬時(shí)跳閘或故障，仍然會(huì)造成電源屏停電。

為了解決單臺(tái) UPS電源存在的不穩(wěn)定性，可以將信號(hào)系統(tǒng)的單臺(tái) UPS工作方式設(shè)計(jì)成并聯(lián)冗余的工作方式。

3.2 UPS電源并聯(lián)冗余系統(tǒng)

UPS電源并聯(lián)冗余系統(tǒng)，是在獨(dú)立的多個(gè)單臺(tái)UPS電源之間，建立一定的通訊協(xié)議，使得多臺(tái)UPS能夠同時(shí)工作在一個(gè)系統(tǒng)中，同源輸入，同源輸出。正常工作時(shí)均分負(fù)載容量，其中1臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)退出運(yùn)行，負(fù)載會(huì)無(wú)間斷地轉(zhuǎn)到其他UPS電源上。該臺(tái)故障的 UPS電源可以完全從系統(tǒng)中取下維修。故障排除后，可以再次投入到系統(tǒng)中，負(fù)載依然無(wú)間斷的均分過(guò)來(lái)。

并聯(lián)冗余系統(tǒng)可分為“1+1”并機(jī)和“N+1”并機(jī)?！?+1”并機(jī)是指2臺(tái)UPS并聯(lián)運(yùn)行，所帶負(fù)載總量不能大于其中 1臺(tái)單機(jī)的帶載能力?！癗+1”并機(jī)是指3臺(tái)以上UPS并聯(lián)運(yùn)行，所帶負(fù)載總量不能大于N臺(tái)。

采用“N+1”并機(jī)主要是為了擴(kuò)容，可是并聯(lián)的機(jī)子過(guò)多會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的節(jié)點(diǎn)，從而影響供電系統(tǒng)的整體運(yùn)行，其中可靠性最好的要屬“1+1”并機(jī)系統(tǒng)。

3.3 并機(jī)特點(diǎn)

如圖4所示，采用2臺(tái)UPS并機(jī)，成本約為單機(jī)費(fèi)用的2倍。雖然成本有所增加，但是采用2臺(tái) UPS并聯(lián)使系統(tǒng)的可靠性得到了很大的提高。當(dāng)Ⅱ路電源斷電時(shí)，電池組供電，轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于3 ms，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)幾乎是零切換，沒(méi)有任何影響。單臺(tái) UPS故障時(shí)，維修方便，不影響信號(hào)系統(tǒng)的不間斷供電。

圖4 “1+1”并機(jī)UPS供電系統(tǒng)連接示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行 UPS電源改造，成功解決了日常生產(chǎn)中亟待解決的幾個(gè)問(wèn)題。為信號(hào)系統(tǒng)不間斷供電和供電管理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持，同時(shí)也為朔黃線安全營(yíng)運(yùn)提供了可靠的電能保障。

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