UPS电源在朔黄铁路信号系统中的应用分析

张翼翔

（朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100）

1 概述

近年来，随着朔黄铁路运量的大幅增长，行车密度不断增加（追踪间隔为8 min一列），为保障安全、准确、迅速和经济的行车组织，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。一旦电源侧出现故障，势必严重影响行车，经济损失相当巨大。

2 信号系统供电现状

信号设备对电源的基本要求：可靠、稳定和安全。为了保证朔黄铁路沿线各车站信号和通信系统的用电，在全线架设了10 kV自闭线路和10 kV贯通线路。自闭线为各车站信号、通信系统提供一路电源，贯通线提供二路电源，两路电源互为热备用。通过信号变和综合变将10 kV变成0.38 kV后，分别供到通信、信号机械室电源配电箱入口，然后经双电源切换装置下口馈出至通信、信号设备。

3 存在的问题及危害

3.1 电压波动大、谐波含量高

如图1所示，10 kV配电所由地方电源和动力变两路电源输入，而动力变主要从铁路沿线的牵引变电所取得电能。当配电所输入电源由动力变供电时，由于变压器原边取自牵引变电所27.5 kV母线，电力机车在启动或运行时，会产生大量的高次谐波，通过接触网传输，会造成动力变27.5 kV侧电能污染严重，同时也使27.5 kV侧电压波动剧烈。谐波污染对电力设备的危害相当严重，主要表现为：过负荷和发热、增加戒指应力和过电压，甚至破坏电子设备和保护控制设备的性能。当电源中谐波含量达到一定数值时，信号电源屏中的相序继电器就会启动，切断信号电源屏接触器上的电源，导致输入电源无法送到电源屏上。在实际使用中，曾多次发生信号设备发热及被烧损的故障。

当地方电源供电时，由于其上级电源为地方公共电网，供电质量相对于动力变已有大幅改善。但仍然存在诸如断电、电压过高或过低、电压瞬间跌落、减幅震荡、高压脉冲、谐波失真、杂波干扰、频率波动等许多问题，这些供电的不良情况随时都可能对信号设备产生影响。

3.2 失压后，配电所自动重合闸时限大于双电源切换时限

朔黄铁路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2所示，此时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，此时自闭一一旦失压，配电所自动重合闸启动，自动重合闸时间为0.5 s，大于双电源切换时限0.15 s的要求，会造成双电源切换装置瞬时两路失压。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。

3.3 失压后，配电所备自投时限大于双电源切换时限

如图2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，会启动备自投，由西配电所自闭二向信号变供电。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。

这样，从东西配电所来看，表面上相当于四路电源在保障信号系统的用电。但由于时限的不匹配，根本无法满足信号系统不间断供电的要求。

3.4 自闭、贯通两路电源同时停电

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，很难在短时间内恢复。如果出现两路电源同时停电，区间UM71设备按照设计要求需重启检查，第一趟发往区间的列车必须开放调车信号，利用绿色许可证发车，方能恢复区间设备重新运行。这样就会严重扰乱行车组织，影响运输生产任务的完成，此类故障在管内已经多次发生。

目前，朔黄线即将开行2万t列车，如果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。

3.5 双电源切换装置本身存在问题

3.5.1 双电源切换装置存在闪断问题

由于电源屏内的双路切换装置是由两个交流接触器组成的。所以在一路电和二路电互换时，电源屏的主输入电源会产生一个闪断，这个闪断会造成电源屏内的各个供电模块瞬间断电，这样一来信号设备就会出现误动作或其他问题。

3.5.2 电源屏质量检测存在误差

当电源屏主用的一路电源不稳定，电压在临界值之间剧烈波动时，会造成电源屏监测电源质量出现误差，不会自动切换至另一路电源。但电源的波动会造成电源屏瞬间断电，出现已经开放的信号关闭、电码化瞬间中断以及信号机瞬间灭灯。

3.5.3 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。

4 解决方案

4.1 解决方案概述

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一路电不掉电。方案中电源屏二路电不做改动，当UPS电源出现故障并退出运行时，电源屏仍然可以使用二路电源继续工作。

如图3所示，信号Ⅰ路电源和Ⅱ路电源，经过双电源切换装置后接入UPS电源，经过UPS电源后给信号电源屏供电。

UPS电源的工作原理如图4所示。

UPS（Uninterruptible Power System ）是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。当外电输入正常时，UPS将交流电整流稳压后形成直流电，一部分向机内蓄电池充电，一部分进入逆变器，经逆变器将直流转成交流向负荷供电；当外电中断时， UPS立即将机内电池的电能，通过逆变器转变为交流电继续为负载供电。

4.2 方案实施

4.2.1 UPS电源功率选择

选择UPS容量一般是以额定电压和额定电流为计算依据，如果仅以此来计算，则会使UPS容量选得偏低，有可能造成UPS因过载或操作过电压而引起频繁跳转。所以，确定UPS容量时，除了考虑信号负荷平均功率以外，还要考虑非线性负荷的峰值电流及持续时间对电源的影响。重点考虑以下两点。

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信号室为例，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 kVA交流转撤机稳压电源屏（液压转撤机）和10 kVA自动闭塞区间智能屏。为便于表述，将这3块电源屏分别按上述顺序命名为：1#屏、2#屏和3#屏。

如图5所示，3块电源屏的供电结构都为双路供电。其中1#屏和3#屏的双路电从同一个配电箱A引入，2#电源屏从另一个配电箱B引入。根据3块电源屏的供电结构，从两个双路配电箱A和B内的输出端测量，即可测得每一个电源屏的功率。1#屏和3#屏的总功率可由配电箱A测得。如表1、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，所有道岔都处于静止状态）

根据以上表格，最大时功率为11 156 W,约11.2 kW。所以，将UPS功率选定为20 kVA。20 kVA 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。

4.2.2 UPS电源电池组选择

1）后备时间的确定

由于信号系统为双路供电，UPS电源只是为了解决两路断电、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太长。后备时间按照铁道部要求，有维护人员值守车站UPS后备供电时间30 min配置蓄电池，无维护人员值守车站UPS后备供电时间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:①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,并能耐过充或过放电。②温度特性好。使用温度范围宽,可在-40～+45 ℃的环境温度下使用。

在本方案中，选择使用12 V 38 Ah电池32只，做为后备电池组，可提供30 min左右后备时间。

4.2.3 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,当事故解除自动恢复供电。

6）先进的状态监控系统,操作简单,存贮信息量大。

5 UPS方案试验效果

5.1 解决了信号电源双路转换中的问题

两路电源进行转换时，需要小于0.15 s的转换时间，采用UPS电源可以消除这个转换时间。

当外电从一路电向二路电转换或二路电向一路电转换时，UPS会检测到外电闪断，在中央处理器调控下，整流器停止工作，电池组立即向外输出直流，电池组向外输出的直流代替了整流器输出的直流，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，这个时间差（约3 ms）内的直流能量就由这个电容组内直流能量来补充。这样就做到了从外电断电到电池组供电的零时间转换。

当外电的闪断结束后，UPS会检测到外电正常，所以UPS马上进入正常状态。这样就彻底解决了上面所述双路切换装置在转换过程中存在的问题，消除了重合闸、备自投和切换装置之间时限不匹配，以及双路切换装置闪断造成的设备隐患。

5.2 解决了信号电源两路停电的问题

当自闭和贯通两条电力线路同时断电，利用UPS电源中配备的电池组，将电池组的直流通过UPS中的逆变器转换成交流电，继续为电源屏等负载供电，保证信号电源屏等设备能持续工作。同时不会因为双路电的瞬间断电，而引起电源屏等设备非正常关机，以及设备的软硬件损坏，最大限度地减少了经济损失，保证了正常的行车安全。

5.3 解决了电源谐波的问题

信号电源经过UPS电源滤波、整流、逆变的交直交变换后，将输入电源的谐波滤掉，给信号系统供应符合要求的三相电源。

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，为解决信号电源两路电源同时停电、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UPS电源，达到了改造的目的，取得了理想的较果。

6 试验中存在的问题及设想

6.1 单台UPS电源的可靠性

在双路电源转换供电系统中，加入UPS电源后，可以解决两路电源存在的诸多问题。但是，从图3所示的供电系统中可以看出，由于只有电源屏一路为UPS输入，二路仍然是靠信号Ⅱ路供电。当单台UPS电源内部故障时会自动转入旁路供电，此时如果二路出现瞬时跳闸或故障，仍然会造成电源屏停电。这样看来单台UPS电源的可靠性稍差一些。为了解决单台UPS电源存在的不稳定性，在此可以将信号室单台UPS的工作方式设计成并联冗余工作方式。

6.2 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，建立一定的通信协议，使多台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，其中一台出现故障时自动退出运行，负载会无间断的转到其他UPS电源上。这台故障的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”并机是指两台UPS并联运行，所带负载总量不能大于其中一台单机的带载能力。“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”主要是为了扩容，可是并联的机子过多，也会产生过多的节点，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，因此，在接触器控制的双电源转换系统中，为了有效解决单台UPS故障，二路电源不稳定的问题，可以在双路切换装置与电源屏之间加入“1+1”并机UPS供电系统。

6.3 并机特点

如图6所示，采用2台UPS并机，成本约为单机费用的2倍。虽然成本有所增加，但是采用2台UPS并联使系统的可靠性得到很大提高。当二路电源断电时，电池组供电，转换时间不大于3 ms，对信号系统几乎是零切换，没有任何影响。单台UPS故障时，维修方便，不影响信号系统不间断供电。允许外部电源有很宽的电压波动，而输出电压精度为±1%。智能电池管理功能，可有效延长蓄电池的使用寿命，为今后信号供电自动化、信息化、网络化提供良好的扩展条件。

7 结束语

随着铁路建设的发展及朔黄运能的要求，对信号供电的要求越来越高，通过对信号系统进行UPS电源改造，成功解决了日常生产中亟待解决的几个问题。同时，为使信号系统供电标准化、系列化，以及UPS在信号系统中的推广应用提供了强大的技术支持，为朔黄线安全营运提供了可靠的电能保障。

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