劉平

（中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070）

0 引言

信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備為信號(hào)系統(tǒng)提供安全、可靠的交直流電源，在信號(hào)系統(tǒng)中處于重要地位。同時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)作為道岔轉(zhuǎn)換、鎖閉和保證行車安全的核心設(shè)備，對(duì)提高運(yùn)輸效率，改善行車人員的勞動(dòng)強(qiáng)度起著非常重要的作用。因此，對(duì)于核心信號(hào)設(shè)備正常運(yùn)行必須有效防止供電側(cè)和負(fù)載側(cè)異常導(dǎo)致的損壞和停止工作。特別是在設(shè)備供電側(cè)發(fā)生故障時(shí)能不依靠人工介入處理，通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速無(wú)縫切換，最大限度地降低故障恢復(fù)時(shí)間，保障信號(hào)設(shè)備能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行，為信號(hào)系統(tǒng)提供可靠的電力保障。

1 概述

信號(hào)系統(tǒng)電源由兩路相互獨(dú)立的交流TN-S 制一級(jí)負(fù)荷經(jīng)電源屏切換單元后輸出至UPS，再經(jīng)UPS 穩(wěn)壓、整流、濾波后輸出至各個(gè)輸出模塊，通過(guò)交、直流模塊輸出至負(fù)載。但所有交流電均須通過(guò)隔離變壓器與負(fù)載隔離，所以UPS 可靠性對(duì)整個(gè)信號(hào)系統(tǒng)的正常工作起到至關(guān)重要的作用。

國(guó)內(nèi)城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)UPS 較早采用單UPS 單電池系統(tǒng)連接方式，為了提高系統(tǒng)的可靠性和更好地適應(yīng)全自動(dòng)無(wú)人駕駛、智能運(yùn)維相關(guān)需求，需在外電網(wǎng)斷電或電源設(shè)備本身故障時(shí)，縮短故障恢復(fù)時(shí)間，保障列車的正常安全運(yùn)營(yíng)。雙UPS 雙母線供電系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，與UPS 配套的蓄電池也需要按照冗余配置以構(gòu)成完整的雙母線架構(gòu)。而對(duì)于交流轉(zhuǎn)轍機(jī)電源通過(guò)交流模塊輸出有兩種方式：一是直接由兩路輸入切換單元輸出至交流模塊而不經(jīng)過(guò)UPS；二是由兩路切換單元經(jīng)UPS 后至交流模塊輸出。為更好地保障轉(zhuǎn)轍機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并滿足信號(hào)設(shè)備的后備時(shí)間不宜小于30 分鐘相關(guān)要求，大多數(shù)線路已經(jīng)將轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電源納入U(xiǎn)PS 供電。在采用雙UPS雙母線和轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電源納入U(xiǎn)PS 供電的情況下，勢(shì)需要重點(diǎn)考慮轉(zhuǎn)轍機(jī)供電在雙母線間的切換問(wèn)題。

2 雙UPS 雙母線架構(gòu)

目前主流雙UPS 電源系統(tǒng)均由2 臺(tái)高可靠性的UPS 給信號(hào)電源屏供電，經(jīng)防雷、配電后輸出進(jìn)入交流輸出配電單元，或輸入相應(yīng)電源模塊，模塊輸出進(jìn)入交、直流輸出配電單元。交流輸出需經(jīng)隔離變壓器隔離后輸出給信號(hào)設(shè)備供電，直流輸出需經(jīng)模塊內(nèi)部高頻隔離后輸出給信號(hào)設(shè)備供電。在輸出端有多種保護(hù)監(jiān)控功能單元，為全面保護(hù)信號(hào)設(shè)備安全。

雙母線供電架構(gòu)可有效預(yù)防供電系統(tǒng)單點(diǎn)故障隱患（見(jiàn)圖1）。正常工作時(shí)，兩套UPS 系統(tǒng)雖然完全獨(dú)立運(yùn)行，但是共同分擔(dān)所有電源負(fù)載，并各自帶載50%，即便一套系統(tǒng)完全失效或者需要檢修，另一段母線所對(duì)應(yīng)的UPS 系統(tǒng)會(huì)不間斷地承擔(dān)起所有負(fù)載的正常運(yùn)行，即通過(guò)消除系統(tǒng)中的“單點(diǎn)故障瓶頸”獲得系統(tǒng)供電可靠性的極大提高。

圖1 雙母線供電架構(gòu)示意圖

雙母線供電架構(gòu)最大的益處是解決了單母線結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)的單點(diǎn)故障瓶頸隱患，屬于容錯(cuò)型系統(tǒng)，不會(huì)因?yàn)橐欢文妇€的人為操作失誤或自然故障導(dǎo)致負(fù)載供電中斷。在供電可靠性得到顯著改善的同時(shí)，由于正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)均分電源負(fù)載，也實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)容量的備份，在將來(lái)一定量級(jí)的負(fù)載容量增加時(shí)系統(tǒng)既有容量也已經(jīng)足夠，一定條件下無(wú)需再擴(kuò)容。當(dāng)負(fù)載增長(zhǎng)真正需要擴(kuò)容時(shí)，擴(kuò)容和升級(jí)也會(huì)顯得十分方便，因?yàn)槿魏螘r(shí)候均可將其中的一套系統(tǒng)完全下電進(jìn)行擴(kuò)展處理。雙母線供電架構(gòu)的設(shè)計(jì)有著優(yōu)秀的開(kāi)放性和良好的前瞻性。

對(duì)于單電源負(fù)載，系統(tǒng)通過(guò)“1+1”模塊備份模式為其供電，“1+1”模塊分別取電于UPS1、UPS2。對(duì)于雙電源負(fù)載，當(dāng)任一臺(tái)UPS 或母線出現(xiàn)故障時(shí)，如主路電源發(fā)生故障，主路電源負(fù)載會(huì)停止工作，但是備用電源負(fù)載工作正常，因此故障不會(huì)影響末端電源負(fù)載的正常運(yùn)行。而對(duì)于交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的雙電源負(fù)載，當(dāng)主用UPS 或供電母線發(fā)生供電故障時(shí)，為保障交流轉(zhuǎn)轍機(jī)在雙UPS 雙母線架構(gòu)下的供電可靠性，只能通過(guò)在雙母線處設(shè)置的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，經(jīng)過(guò)隔離變壓器、輸出防雷保護(hù)器隔離輸出給轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備供電，實(shí)現(xiàn)雙UPS間的切換。而目前各個(gè)城市軌道交通的交流轉(zhuǎn)轍機(jī)UPS 供電均采用較為成熟且應(yīng)用廣泛的手動(dòng)切換方式。轉(zhuǎn)轍機(jī)供電納入雙UPS 雙母線供電架構(gòu)下在雙母線間設(shè)置手動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，當(dāng)母線發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)人工介入現(xiàn)場(chǎng)處理，可實(shí)現(xiàn)較為快速的故障恢復(fù)，但對(duì)于越來(lái)越多的全自動(dòng)無(wú)人駕駛線路，從減員增效、智能維護(hù)、較少人工干預(yù)等方面考慮，手動(dòng)切換方式已不再適應(yīng)當(dāng)前的運(yùn)營(yíng)需要，應(yīng)重點(diǎn)考慮向自動(dòng)切換方式進(jìn)行轉(zhuǎn)變（見(jiàn)圖2、圖3）。

圖2 雙UPS 雙母線不含穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)轍機(jī)電源未納入U(xiǎn)PS）

圖3 雙UPS 雙母線含穩(wěn)壓器（轉(zhuǎn)轍機(jī)電源納入U(xiǎn)PS）

電源屏的監(jiān)控系統(tǒng)采用三級(jí)集散式監(jiān)控方式，交、直流配電和模塊內(nèi)均設(shè)有CPU 監(jiān)控板，負(fù)責(zé)對(duì)各自狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和告警，并與系統(tǒng)的監(jiān)控模塊之間通信。監(jiān)控模塊通過(guò)RS485 接收交、直流配電和模塊的運(yùn)行信息并進(jìn)行相應(yīng)的處理，其還可通過(guò)RS485、RS232、RJ45 等方式連接本地計(jì)算機(jī)，并可通過(guò)RJ45網(wǎng)口連接監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電源的集中監(jiān)控組網(wǎng)[1]。

3 自動(dòng)切換方案分析

考慮到存在不同的運(yùn)營(yíng)管理模式，部分站點(diǎn)無(wú)長(zhǎng)期駐守維保人員，一旦發(fā)生供電母線故障中斷電源故障，采用手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)轍機(jī)供電會(huì)造成一定的延誤影響。因此，將雙母線間的手動(dòng)切換開(kāi)關(guān)更改為自動(dòng)切換方式（采用交流接觸器實(shí)現(xiàn)）可較好解決上述問(wèn)題，通過(guò)交流接觸器實(shí)現(xiàn)切換功能。交流接觸器本質(zhì)是一個(gè)線圈，加電會(huì)吸合使電路導(dǎo)通，通過(guò)切換控制板，使其具有高壓吸合、低壓保持的特性，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電氣互鎖，當(dāng)此切換開(kāi)關(guān)正常工作的時(shí)候，只有一個(gè)可以閉合，當(dāng)其中任一路閉合都會(huì)有電流向下輸出。

在雙母線間設(shè)置交流轉(zhuǎn)轍機(jī)供電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA（見(jiàn)圖4），電源系統(tǒng)正常時(shí)，輸入端開(kāi)關(guān)QS11、QS12 閉合，供電轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA 處于“正?！蔽恢?，轉(zhuǎn)轍機(jī)供電由交流接觸器自動(dòng)切換供電，當(dāng)切換交流接觸器自身出現(xiàn)故障時(shí)，可手動(dòng)將供電切換開(kāi)關(guān)SA 轉(zhuǎn)至由“UPS1直供”或由“UPS2 直供”，保障轉(zhuǎn)轍機(jī)正常供電。交流轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)切換組件，使用2 臺(tái)交流接觸器及1 只交流繼電器，相互電氣互鎖完成2 路電源自動(dòng)切換。KM1 與KM2 兩個(gè)接觸器實(shí)現(xiàn)電氣互鎖，當(dāng)UPS1 母線先得電時(shí)，KA1 繼電器線圈的電吸合，由于KM1 電路中串接KA1 節(jié)點(diǎn)，繼而KM1 接觸器線圈的電吸合，轉(zhuǎn)轍機(jī)通過(guò)UPS1 母線供電。當(dāng)UPS1 母線故障時(shí)，KM1 接觸器與KA1 繼電器均落下，使得KM2 接觸器線圈的電吸合，轉(zhuǎn)轍機(jī)切換到UPS2 母線供電。此時(shí)，若UPS1 母線供電恢復(fù)正常，因KA1 互鎖繼電器線圈不能得電，轉(zhuǎn)轍機(jī)繼續(xù)由UPS2 母線供電，不再切換回UPS1 母線供電，反之亦然（見(jiàn)圖5）[2]。

圖4 自動(dòng)切換接線示意圖

圖5 自動(dòng)切換原理圖

方案中設(shè)置KA1 交流繼電器是為了防止KM1 與KM2 同時(shí)吸起的現(xiàn)象出現(xiàn)，選用吸合時(shí)間為30～35ms 的接觸器和動(dòng)作時(shí)間小于20ms 的交流繼電器。當(dāng)UPS1 先上電或與UPS2 母線同時(shí)上電時(shí)，交流繼電器的動(dòng)作時(shí)間小于接觸器的動(dòng)作時(shí)間，因此KA1 先吸起，KM1 接觸器動(dòng)作吸合，轉(zhuǎn)轍機(jī)由UPS1 母線供電.當(dāng)UPS2 先上電時(shí)，交流接觸器先得電，此時(shí)KM2 接觸器動(dòng)作吸合，轉(zhuǎn)轍機(jī)由UPS2 母線供電。以上兩種情況均不會(huì)出現(xiàn)KM1 與KM2 同時(shí)吸起，杜絕了短路故障的發(fā)生。同時(shí)，將接觸器納入電源和智能運(yùn)維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，接觸器在動(dòng)作的同時(shí)可向監(jiān)測(cè)單元發(fā)出狀態(tài)信息，由監(jiān)測(cè)單元實(shí)時(shí)掌握轉(zhuǎn)轍機(jī)供電狀態(tài)，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)由UPS1 母線供電時(shí)，監(jiān)測(cè)單元顯示“轉(zhuǎn)轍機(jī)UPS1供電”，當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)由UPS2 母線供電時(shí)，監(jiān)測(cè)單元顯示“轉(zhuǎn)轍機(jī)UPS2 供電”[3]。

此外，設(shè)計(jì)時(shí)考慮到維修旁路的需要，當(dāng)UPS1 母線需要維護(hù)時(shí)，可先手動(dòng)按下SB1 轉(zhuǎn)換按鈕，將轉(zhuǎn)轍機(jī)切換至UPS2 母線供電。當(dāng)UPS2 母線需要維護(hù)時(shí)，手動(dòng)按下SB2 轉(zhuǎn)換按鈕，將轉(zhuǎn)轍機(jī)切換至UPS1 母線供電（見(jiàn)圖6）。

圖6 操作界面示意圖

4 結(jié)語(yǔ)

隨著城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的不斷更新迭代，電源系統(tǒng)也逐步向更智能化、模塊化方向轉(zhuǎn)變，適用性、可靠性、可維護(hù)性進(jìn)一步提升。雙UPS 雙母線供電架構(gòu)下的交流轉(zhuǎn)轍機(jī)供電由手動(dòng)切換向自動(dòng)切換方式的轉(zhuǎn)變，契合了當(dāng)前智能運(yùn)維和全自動(dòng)無(wú)人駕駛的需要，最大限度地減少了電源側(cè)設(shè)備故障引起的轉(zhuǎn)轍機(jī)失電無(wú)法動(dòng)作的情況，同時(shí)選用合理的接觸器和繼電器，確保了電路短路故障的發(fā)生，對(duì)后續(xù)無(wú)論是新建工程還是改造工程都具有一定的參考應(yīng)用意義。