国外工程信号UPS供电方案的应用与探讨

1UPS方案的提出

　　国外市郊电气化铁路工程全程共43km,11个车站。依据合同要求,各车站信号设备采用一路三相四线制交流电源经UPS供电,当市电停电时,电池组应保证延迟2h不间断供电;当市电恢复时,自动转为市电供电;电池组经8h充电应达到额定容量的90%以上。沈阳稳压电源供配电系统如图1所示。

　　图中UPS输出侧是信号电源屏,包括交流电源屏、直流电源屏、25Hz电源屏,按照一主一备用运行方式(为简化起见,图中未标出备用电源屏)。信号电源屏的功能是为不同电压制式、不同电压等级、不同工作频率的信号设备提供可靠电源。信号电源屏电路结构中含有变压器、整流器、分频器、变阻器等线性元件和非线性元件。如何使UPS在各种设备条件下保证可靠供电,是设计方案的关键问题。

　　2确定UPS电源方案时的设计思想

　　首先,将国外工程的UPS电源与国内自闭供电电源做了如下比较(见表1)。

　　通过分析比较,明确了几个观点:

　　(1)技术先进

　　UPS方案要采用代表国际上世纪九十年代UPS最新技术的设备,要达到或接近有关国际标准。

　　(2)经济合理

　　UPS方案要根据当地实际情况,以满足合同要求为目标,保证UPS在各种工作状况下,对信号负荷的可靠用电,不得一味求高求全。

　　(3)投资控制

　　该工程是承包项目,工程费用是限定的,所以在满足合同的条件下,选择性价比高的设备。

　　(4)数据准确

　　弄清信号负荷的有关技术数据。对重要的信号设备,如三相电液转辙机需要通过做试验来掌握准确数据资料。

　　(5)信守合同

　　与各设备厂家签定技术协议书作为合同附件,以确保设备质量。

　　3UPS方案实施

　　工程设计人员经过多方技术咨询,查阅国内外大量相关资料,方案比较,确定该工程信号UPS供电方案如下:

　　3.1UPS主机采用三相在线式大容量UPS

　　其具有下述特点:

　　(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3ms(国内信号电源切换时间150ms),切换过程均能锁相。

　　(3)UPS能承受150%过负载、持续1min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。

　　3.2蓄电池组

　　针对当地气候高温干燥,夏季室外温度高达43℃的气侯条件,选用国产碱性中倍率镉镍蓄电池组。

　　选择理由

　　1)充放电特性好。除用标准充电电流外,还可以用较大电流(0.5CA)或较小电流(0.05CA)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。

　　由于国产电池的价格仅为国外电池的三分之一,仅此一项节约工程造价300万元。经联机试验证明,镉镍电池的性能完全满足合同要求。

3.3新型信号电源屏

　　包括交流电源屏、直流电源屏、25Hz电源屏。

　　为了适应UPS的供电方式以及该工程的特点,工程设计人员与天津铁路信号工厂技术人员共同研究,决定对原有信号电源屏进行如下改造:

　　(1)由于UPS具备稳压功能,故取消各电源屏上的稳压器件。

　　(2)信号设备按电压制式重新组合成交、直流电源屏。

　　(3)选用具有短路及过负荷保护功能的低压断路器作为各信号电源屏中进、出线回路开关,各级间低压断路器应协调配合具有选择性。

　　(4)对新型信号电源屏中的测量仪表、指示灯、接触器、继电器等元器件要积极慎重地选用具有国际国内先进水平的新产品、新工艺、新结构。

　　(5)将三相电液转辙机同时启动改为按顺序启动,以降低电动机启动时瞬时电流对UPS主机的冲击。

　　(6)主、备用信号电源屏转换时,不允许整屏转换,应按回路逐一投入。

　　按照以上的设想,信号电源屏进行改造后基本符合了UPS供电方式的要求,信号设备的用电质量明显提高。

　　3.4召开专题会议解决UPS系统接口问题

　　(1)UPS与电池之间存在着充电机对电池组如何进行充放电的问题

　　通俗地讲,要使电池充满(8h充电达90%的额定容量),出力足(2h连续放电)。通过计算,充电机充电范围在162～329V,充电方式为恒流恒压自动转换方式。

　　(2)UPS与信号电源屏之间保护配合问题

　　保护功能是UPS供电系统安全可靠运行的关键指标。沈阳山特UPS主机中保护开关是高频开关,动作时间以微秒计;原信号电源屏是国内二十年一贯制的老产品,保护开关采用的是刀闸、熔断器,动作时间以秒计;显然,当信号电源屏中某个支路发生故障时,高频开关动作要快于支路保护开关动作,这是不允许的。通过保护整定计算,一方面使信号电源屏的各级间开关具有选择性,另一方面适当增大UPS的容量,提高其稳定性,既保证了系统可靠运行,还兼顾了灵敏性。

　　3.5UPS系统容量的确定

　　在确定UPS容量时,工程设计人员考虑了以下几点:

　　(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:ZYJ7型电液转辙机的工作电流及启动电流;25Hz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。

　　选择电源设备容量一般是以额定电压与额定电流为计算依据,如果以此来计算UPS容量则会使容量选得偏低,有可能造成UPS因过载或操作过电压而引起频繁跳转旁路由市电供电,由于市电电源未经过稳压过程而可能因冲击电流太大造成跳闸断电,使信号负荷失电,不能正常工作。比如:三相电液转辙机启动电流是额定电流的4～5倍,25Hz分频器空载投入时的启动电流可达额定电流10倍以上!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。当然,对25Hz分频器这类感性负载还需采取其他措施来减弱对UPS的冲击。本工程各车站UPS容量为中小站信号电源屏容量的2～3倍(该工程中小站信号电源屏容量一般为5～10kVA),从而使UPS的稳定性、耐冲击能力大大增加。

　　蓄电池的容量除了考虑上述因素,还要根据镉镍电池的放电特性曲线,满足延迟2h不间断供电的要求来确定电池容量。

　　3.6签定产品技术协议书

　　工程设计人员与供货厂家签定了UPS、镉镍蓄电池组、信号电源屏产品技术协议书,使设备质量处在受控状态。

　　4UPS方案验证联机试验

　　由于第一次搞信号UPS设计,又是国外工程,影响之大,责任之重。工程设计人员组织了一次UPS方案验证联机试验。为本次试验专门编写了试验大纲,由提供设备的各厂家携带样机共同参加。从1997年6月5日～12日,在某工厂进行了试验。按照试验大纲的内容,尽可能模拟现场实际情况,完成了20余项试验课题,达到了预想效果。试验结果证明:UPS方案整体设计是合理的,能够满足在各种复杂的工况下,均能保证信号负荷的正常用电;UPS主机、镉镍蓄电池组、信号电源屏均能满足技术协议书的要求;其部分技术指标超过技术协议书的要求;例如:UPS过载能力要求达到过载150%、持续1min,实际测试为过载200%、持续1min;转辙机冲击性试验按每间隔5min冲击一次,持续时间约10s,连续重复24个循环,UPS不旁路不跳闸。UPS的充电机经试验调整后,确定为更加合理的限流限压限时方式,充电范围在261～306V之间,完全适应了镉镍电池高电压充电要求,8h充电可达到额定容量的90%以上。蓄电池组带全部稳定负荷和冲击负荷进行2h放电试验,实测结果2小时后电池电压仍高于电池终止电压。

　　联机试验中发现的一些问题得到及时解决,比如UPS中的电源变压器容量偏低的问题,25Hz电源屏投入运行冲击太大的问题。为该工程信号电源系统顺利开通,创造了良好的条件。

　　5存在问题及设想

　　经过工程设计人员的不断实践和努力工作,国外工程信号UPS方案取得成功。在外方技术审查阶段,一次顺利通过验收。但是工程设计人员认为:这个方案还有不少需要改进的地方。例如

　　1)采用电子式变频技术代替田字型铁芯变频器刻不容缓。联机试验时,用示波器抓测25Hz分频器启动峰值电流、电压及相位,测试结果:ich=50A(比原来掌握的峰值电流数据高出5倍!),t=100～120ms,cosφ=0.3,电流滞后电压相位45°(严重时滞后90°)。由此看出,这种恶劣的负载对UPS的安全可靠运行十分不利,假如以提高UPS的容量来满足25Hz电源屏投入的要求,显然是不经济不合理的。(2)国内信号电源屏采用“用一备一”的运行方式,该工程信号UPS方案也采用了“用一备一”运行方式。其优点是便于维修比较安全;缺点是设备造价高,占地面积大,设备使用效率低。目前国际上广泛流行的“N+1”备用方式可以弥补“用一备一”方式的不足。

　　尽管信号UPS方案还有不足之处,但是这种供电方式的优势却越来越明显。其一,UPS允许外电源有很宽的电压波动范围,而输出电压稳压精度为±1%。其二,当市电断电,电池组供电,转换时间不大于3ms,对信号负荷几乎没有影响。其三,可减少占地面积,降低工程造价。其四,可降低设备维修率,减少工程人员劳动强度。其五,为今后信号供电自动化、信息化、网络化提供了良好的扩展条件。

　　随着铁路建设的飞速发展,铁路信号已进入微机化、信息化、网络化高科技领域,对信号供电的要求越来越高,信号UPS供电方式如何适应国内自动闭塞的要求,并使其标准化、系列化，还需要做进一步的调查研究，相信信号UPS供电方式将发挥越来越大的作用。