城市轨道交通交流转辙机双UPS双母线供电切换方案研究

刘平

（中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070）

0 引言

信号电源系统设备为信号系统提供安全、可靠的交直流电源，在信号系统中处于重要地位。同时，转辙机作为道岔转换、锁闭和保证行车安全的核心设备，对提高运输效率，改善行车人员的劳动强度起着非常重要的作用。因此，对于核心信号设备正常运行必须有效防止供电侧和负载侧异常导致的损坏和停止工作。特别是在设备供电侧发生故障时能不依靠人工介入处理，通过信号系统实现快速无缝切换，最大限度地降低故障恢复时间，保障信号设备能够稳定可靠运行，为信号系统提供可靠的电力保障。

1 概述

信号系统电源由两路相互独立的交流TN-S 制一级负荷经电源屏切换单元后输出至UPS，再经UPS 稳压、整流、滤波后输出至各个输出模块，通过交、直流模块输出至负载。但所有交流电均须通过隔离变压器与负载隔离，所以UPS 可靠性对整个信号系统的正常工作起到至关重要的作用。

国内城市轨道交通信号系统UPS 较早采用单UPS 单电池系统连接方式，为了提高系统的可靠性和更好地适应全自动无人驾驶、智能运维相关需求，需在外电网断电或电源设备本身故障时，缩短故障恢复时间，保障列车的正常安全运营。双UPS 双母线供电系统已经得到了广泛的应用，与UPS 配套的蓄电池也需要按照冗余配置以构成完整的双母线架构。而对于交流转辙机电源通过交流模块输出有两种方式：一是直接由两路输入切换单元输出至交流模块而不经过UPS；二是由两路切换单元经UPS 后至交流模块输出。为更好地保障转辙机正常运转，并满足信号设备的后备时间不宜小于30 分钟相关要求，大多数线路已经将转辙机动作电源纳入UPS 供电。在采用双UPS双母线和转辙机动作电源纳入UPS 供电的情况下，势需要重点考虑转辙机供电在双母线间的切换问题。

2 双UPS 双母线架构

目前主流双UPS 电源系统均由2 台高可靠性的UPS 给信号电源屏供电，经防雷、配电后输出进入交流输出配电单元，或输入相应电源模块，模块输出进入交、直流输出配电单元。交流输出需经隔离变压器隔离后输出给信号设备供电，直流输出需经模块内部高频隔离后输出给信号设备供电。在输出端有多种保护监控功能单元，为全面保护信号设备安全。

双母线供电架构可有效预防供电系统单点故障隐患（见图1）。正常工作时，两套UPS 系统虽然完全独立运行，但是共同分担所有电源负载，并各自带载50%，即便一套系统完全失效或者需要检修，另一段母线所对应的UPS 系统会不间断地承担起所有负载的正常运行，即通过消除系统中的“单点故障瓶颈”获得系统供电可靠性的极大提高。

图1 双母线供电架构示意图

双母线供电架构最大的益处是解决了单母线结构可能出现的单点故障瓶颈隐患，属于容错型系统，不会因为一段母线的人为操作失误或自然故障导致负载供电中断。在供电可靠性得到显著改善的同时，由于正常运行时系统均分电源负载，也实现了系统容量的备份，在将来一定量级的负载容量增加时系统既有容量也已经足够，一定条件下无需再扩容。当负载增长真正需要扩容时，扩容和升级也会显得十分方便，因为任何时候均可将其中的一套系统完全下电进行扩展处理。双母线供电架构的设计有着优秀的开放性和良好的前瞻性。

对于单电源负载，系统通过“1+1”模块备份模式为其供电，“1+1”模块分别取电于UPS1、UPS2。对于双电源负载，当任一台UPS 或母线出现故障时，如主路电源发生故障，主路电源负载会停止工作，但是备用电源负载工作正常，因此故障不会影响末端电源负载的正常运行。而对于交流转辙机的双电源负载，当主用UPS 或供电母线发生供电故障时，为保障交流转辙机在双UPS 双母线架构下的供电可靠性，只能通过在双母线处设置的转换开关，经过隔离变压器、输出防雷保护器隔离输出给转辙机设备供电，实现双UPS间的切换。而目前各个城市轨道交通的交流转辙机UPS 供电均采用较为成熟且应用广泛的手动切换方式。转辙机供电纳入双UPS 双母线供电架构下在双母线间设置手动转换开关，当母线发生故障时，通过人工介入现场处理，可实现较为快速的故障恢复，但对于越来越多的全自动无人驾驶线路，从减员增效、智能维护、较少人工干预等方面考虑，手动切换方式已不再适应当前的运营需要，应重点考虑向自动切换方式进行转变（见图2、图3）。

图2 双UPS 双母线不含稳压器（转辙机电源未纳入UPS）

图3 双UPS 双母线含稳压器（转辙机电源纳入UPS）

电源屏的监控系统采用三级集散式监控方式，交、直流配电和模块内均设有CPU 监控板，负责对各自状态进行监测和告警，并与系统的监控模块之间通信。监控模块通过RS485 接收交、直流配电和模块的运行信息并进行相应的处理，其还可通过RS485、RS232、RJ45 等方式连接本地计算机，并可通过RJ45网口连接监控中心，实现信号电源的集中监控组网[1]。

3 自动切换方案分析

考虑到存在不同的运营管理模式，部分站点无长期驻守维保人员，一旦发生供电母线故障中断电源故障，采用手动切换开关的转辙机供电会造成一定的延误影响。因此，将双母线间的手动切换开关更改为自动切换方式（采用交流接触器实现）可较好解决上述问题，通过交流接触器实现切换功能。交流接触器本质是一个线圈，加电会吸合使电路导通，通过切换控制板，使其具有高压吸合、低压保持的特性，实现开关电气互锁，当此切换开关正常工作的时候，只有一个可以闭合，当其中任一路闭合都会有电流向下输出。

在双母线间设置交流转辙机供电转换开关SA（见图4），电源系统正常时，输入端开关QS11、QS12 闭合，供电转换开关SA 处于“正常”位置，转辙机供电由交流接触器自动切换供电，当切换交流接触器自身出现故障时，可手动将供电切换开关SA 转至由“UPS1直供”或由“UPS2 直供”，保障转辙机正常供电。交流转辙机自动切换组件，使用2 台交流接触器及1 只交流继电器，相互电气互锁完成2 路电源自动切换。KM1 与KM2 两个接触器实现电气互锁，当UPS1 母线先得电时，KA1 继电器线圈的电吸合，由于KM1 电路中串接KA1 节点，继而KM1 接触器线圈的电吸合，转辙机通过UPS1 母线供电。当UPS1 母线故障时，KM1 接触器与KA1 继电器均落下，使得KM2 接触器线圈的电吸合，转辙机切换到UPS2 母线供电。此时，若UPS1 母线供电恢复正常，因KA1 互锁继电器线圈不能得电，转辙机继续由UPS2 母线供电，不再切换回UPS1 母线供电，反之亦然（见图5）[2]。

图4 自动切换接线示意图

图5 自动切换原理图

方案中设置KA1 交流继电器是为了防止KM1 与KM2 同时吸起的现象出现，选用吸合时间为30～35ms 的接触器和动作时间小于20ms 的交流继电器。当UPS1 先上电或与UPS2 母线同时上电时，交流继电器的动作时间小于接触器的动作时间，因此KA1 先吸起，KM1 接触器动作吸合，转辙机由UPS1 母线供电.当UPS2 先上电时，交流接触器先得电，此时KM2 接触器动作吸合，转辙机由UPS2 母线供电。以上两种情况均不会出现KM1 与KM2 同时吸起，杜绝了短路故障的发生。同时，将接触器纳入电源和智能运维监测系统，接触器在动作的同时可向监测单元发出状态信息，由监测单元实时掌握转辙机供电状态，当转辙机由UPS1 母线供电时，监测单元显示“转辙机UPS1供电”，当转辙机由UPS2 母线供电时，监测单元显示“转辙机UPS2 供电”[3]。

此外，设计时考虑到维修旁路的需要，当UPS1 母线需要维护时，可先手动按下SB1 转换按钮，将转辙机切换至UPS2 母线供电。当UPS2 母线需要维护时，手动按下SB2 转换按钮，将转辙机切换至UPS1 母线供电（见图6）。

图6 操作界面示意图

4 结语

随着城市轨道交通信号设备的不断更新迭代，电源系统也逐步向更智能化、模块化方向转变，适用性、可靠性、可维护性进一步提升。双UPS 双母线供电架构下的交流转辙机供电由手动切换向自动切换方式的转变，契合了当前智能运维和全自动无人驾驶的需要，最大限度地减少了电源侧设备故障引起的转辙机失电无法动作的情况，同时选用合理的接触器和继电器，确保了电路短路故障的发生，对后续无论是新建工程还是改造工程都具有一定的参考应用意义。