國外工程信號UPS供電方案的應用與探討

1UPS方案的提出

　　國外市郊電氣化鐵路工程全程共43km,11個車站。依據(jù)合同要求,各車站信號設備采用一路三相四線制交流電源經(jīng)UPS供電,當市電停電時,電池組應保證延遲2h不間斷供電;當市電恢復時,自動轉為市電供電;電池組經(jīng)8h充電應達到額定容量的90%以上。沈陽穩(wěn)壓電源供配電系統(tǒng)如圖1所示。

　　圖中UPS輸出側是信號電源屏,包括交流電源屏、直流電源屏、25Hz電源屏,按照一主一備用運行方式(為簡化起見,圖中未標出備用電源屏)。信號電源屏的功能是為不同電壓制式、不同電壓等級、不同工作頻率的信號設備提供可靠電源。信號電源屏電路結構中含有變壓器、整流器、分頻器、變阻器等線性元件和非線性元件。如何使UPS在各種設備條件下保證可靠供電,是設計方案的關鍵問題。

　　2確定UPS電源方案時的設計思想

　　首先,將國外工程的UPS電源與國內自閉供電電源做了如下比較(見表1)。

　　通過分析比較,明確了幾個觀點:

　　(1)技術先進

　　UPS方案要采用代表國際上世紀九十年代UPS最新技術的設備,要達到或接近有關國際標準。

　　(2)經(jīng)濟合理

　　UPS方案要根據(jù)當?shù)貙嶋H情況,以滿足合同要求為目標,保證UPS在各種工作狀況下,對信號負荷的可靠用電,不得一味求高求全。

　　(3)投資控制

　　該工程是承包項目,工程費用是限定的,所以在滿足合同的條件下,選擇性價比高的設備。

　　(4)數(shù)據(jù)準確

　　弄清信號負荷的有關技術數(shù)據(jù)。對重要的信號設備,如三相電液轉轍機需要通過做試驗來掌握準確數(shù)據(jù)資料。

　　(5)信守合同

　　與各設備廠家簽定技術協(xié)議書作為合同附件,以確保設備質量。

　　3UPS方案實施

　　工程設計人員經(jīng)過多方技術咨詢,查閱國內外大量相關資料,方案比較,確定該工程信號UPS供電方案如下:

　　3.1UPS主機采用三相在線式大容量UPS

　　其具有下述特點:

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

　　(2)市電/電池之間切換時間不大于3ms(國內信號電源切換時間150ms),切換過程均能鎖相。

　　(3)UPS能承受150%過負載、持續(xù)1min的過載能力。

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

　　(5)當發(fā)生短路、長時間過載等異常情況時,能快速地保護UPS主機并發(fā)出報警音響,當事故解除自動恢復供電。

　　(6)先進的狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng),操作簡單,存貯信息量大。

　　3.2蓄電池組

　　針對當?shù)貧夂蚋邷馗稍?夏季室外溫度高達43℃的氣侯條件,選用國產(chǎn)堿性中倍率鎘鎳蓄電池組。

　　選擇理由

　　1)充放電特性好。除用標準充電電流外,還可以用較大電流(0.5CA)或較小電流(0.05CA)進行充電,并能耐過充或過放電。(2)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。

　　由于國產(chǎn)電池的價格僅為國外電池的三分之一,僅此一項節(jié)約工程造價300萬元。經(jīng)聯(lián)機試驗證明,鎘鎳電池的性能完全滿足合同要求。

3.3新型信號電源屏

　　包括交流電源屏、直流電源屏、25Hz電源屏。

　　為了適應UPS的供電方式以及該工程的特點,工程設計人員與天津鐵路信號工廠技術人員共同研究,決定對原有信號電源屏進行如下改造:

　　(1)由于UPS具備穩(wěn)壓功能,故取消各電源屏上的穩(wěn)壓器件。

　　(2)信號設備按電壓制式重新組合成交、直流電源屏。

　　(3)選用具有短路及過負荷保護功能的低壓斷路器作為各信號電源屏中進、出線回路開關,各級間低壓斷路器應協(xié)調配合具有選擇性。

　　(4)對新型信號電源屏中的測量儀表、指示燈、接觸器、繼電器等元器件要積極慎重地選用具有國際國內先進水平的新產(chǎn)品、新工藝、新結構。

　　(5)將三相電液轉轍機同時啟動改為按順序啟動,以降低電動機啟動時瞬時電流對UPS主機的沖擊。

　　(6)主、備用信號電源屏轉換時,不允許整屏轉換,應按回路逐一投入。

　　按照以上的設想,信號電源屏進行改造后基本符合了UPS供電方式的要求,信號設備的用電質量明顯提高。

　　3.4召開專題會議解決UPS系統(tǒng)接口問題

　　(1)UPS與電池之間存在著充電機對電池組如何進行充放電的問題

　　通俗地講,要使電池充滿(8h充電達90%的額定容量),出力足(2h連續(xù)放電)。通過計算,充電機充電范圍在162～329V,充電方式為恒流恒壓自動轉換方式。

　　(2)UPS與信號電源屏之間保護配合問題

　　保護功能是UPS供電系統(tǒng)安全可靠運行的關鍵指標。沈陽山特UPS主機中保護開關是高頻開關,動作時間以微秒計;原信號電源屏是國內二十年一貫制的老產(chǎn)品,保護開關采用的是刀閘、熔斷器,動作時間以秒計;顯然,當信號電源屏中某個支路發(fā)生故障時,高頻開關動作要快于支路保護開關動作,這是不允許的。通過保護整定計算,一方面使信號電源屏的各級間開關具有選擇性,另一方面適當增大UPS的容量,提高其穩(wěn)定性,既保證了系統(tǒng)可靠運行,還兼顧了靈敏性。

　　3.5UPS系統(tǒng)容量的確定

　　在確定UPS容量時,工程設計人員考慮了以下幾點:

　　(1)各車站信號負荷數(shù)據(jù)需準確;信號負荷的工作特性要清楚;例如:ZYJ7型電液轉轍機的工作電流及啟動電流;25Hz分頻器的工作條件等;

　　(2)當負荷側發(fā)生過載或短路時,UPS保護動作應有選擇性。

　　選擇電源設備容量一般是以額定電壓與額定電流為計算依據(jù),如果以此來計算UPS容量則會使容量選得偏低,有可能造成UPS因過載或操作過電壓而引起頻繁跳轉旁路由市電供電,由于市電電源未經(jīng)過穩(wěn)壓過程而可能因沖擊電流太大造成跳閘斷電,使信號負荷失電,不能正常工作。比如:三相電液轉轍機啟動電流是額定電流的4～5倍,25Hz分頻器空載投入時的啟動電流可達額定電流10倍以上!所以,確定UPS容量時,除了考慮信號負荷平均功率以外,還要考慮非線性負荷的峰值電流及持續(xù)時間對電源的影響。當然,對25Hz分頻器這類感性負載還需采取其他措施來減弱對UPS的沖擊。本工程各車站UPS容量為中小站信號電源屏容量的2～3倍(該工程中小站信號電源屏容量一般為5～10kVA),從而使UPS的穩(wěn)定性、耐沖擊能力大大增加。

　　蓄電池的容量除了考慮上述因素,還要根據(jù)鎘鎳電池的放電特性曲線,滿足延遲2h不間斷供電的要求來確定電池容量。

　　3.6簽定產(chǎn)品技術協(xié)議書

　　工程設計人員與供貨廠家簽定了UPS、鎘鎳蓄電池組、信號電源屏產(chǎn)品技術協(xié)議書,使設備質量處在受控狀態(tài)。

　　4UPS方案驗證聯(lián)機試驗

　　由于第一次搞信號UPS設計,又是國外工程,影響之大,責任之重。工程設計人員組織了一次UPS方案驗證聯(lián)機試驗。為本次試驗專門編寫了試驗大綱,由提供設備的各廠家攜帶樣機共同參加。從1997年6月5日～12日,在某工廠進行了試驗。按照試驗大綱的內容,盡可能模擬現(xiàn)場實際情況,完成了20余項試驗課題,達到了預想效果。試驗結果證明:UPS方案整體設計是合理的,能夠滿足在各種復雜的工況下,均能保證信號負荷的正常用電;UPS主機、鎘鎳蓄電池組、信號電源屏均能滿足技術協(xié)議書的要求;其部分技術指標超過技術協(xié)議書的要求;例如:UPS過載能力要求達到過載150%、持續(xù)1min,實際測試為過載200%、持續(xù)1min;轉轍機沖擊性試驗按每間隔5min沖擊一次,持續(xù)時間約10s,連續(xù)重復24個循環(huán),UPS不旁路不跳閘。UPS的充電機經(jīng)試驗調整后,確定為更加合理的限流限壓限時方式,充電范圍在261～306V之間,完全適應了鎘鎳電池高電壓充電要求,8h充電可達到額定容量的90%以上。蓄電池組帶全部穩(wěn)定負荷和沖擊負荷進行2h放電試驗,實測結果2小時后電池電壓仍高于電池終止電壓。

　　聯(lián)機試驗中發(fā)現(xiàn)的一些問題得到及時解決,比如UPS中的電源變壓器容量偏低的問題,25Hz電源屏投入運行沖擊太大的問題。為該工程信號電源系統(tǒng)順利開通,創(chuàng)造了良好的條件。

　　5存在問題及設想

　　經(jīng)過工程設計人員的不斷實踐和努力工作,國外工程信號UPS方案取得成功。在外方技術審查階段,一次順利通過驗收。但是工程設計人員認為:這個方案還有不少需要改進的地方。例如

　　1)采用電子式變頻技術代替田字型鐵芯變頻器刻不容緩。聯(lián)機試驗時,用示波器抓測25Hz分頻器啟動峰值電流、電壓及相位,測試結果:ich=50A(比原來掌握的峰值電流數(shù)據(jù)高出5倍!),t=100～120ms,cosφ=0.3,電流滯后電壓相位45°(嚴重時滯后90°)。由此看出,這種惡劣的負載對UPS的安全可靠運行十分不利,假如以提高UPS的容量來滿足25Hz電源屏投入的要求,顯然是不經(jīng)濟不合理的。(2)國內信號電源屏采用“用一備一”的運行方式,該工程信號UPS方案也采用了“用一備一”運行方式。其優(yōu)點是便于維修比較安全;缺點是設備造價高,占地面積大,設備使用效率低。目前國際上廣泛流行的“N+1”備用方式可以彌補“用一備一”方式的不足。

　　盡管信號UPS方案還有不足之處,但是這種供電方式的優(yōu)勢卻越來越明顯。其一,UPS允許外電源有很寬的電壓波動范圍,而輸出電壓穩(wěn)壓精度為±1%。其二,當市電斷電,電池組供電,轉換時間不大于3ms,對信號負荷幾乎沒有影響。其三,可減少占地面積,降低工程造價。其四,可降低設備維修率,減少工程人員勞動強度。其五,為今后信號供電自動化、信息化、網(wǎng)絡化提供了良好的擴展條件。

　　隨著鐵路建設的飛速發(fā)展,鐵路信號已進入微機化、信息化、網(wǎng)絡化高科技領域,對信號供電的要求越來越高,信號UPS供電方式如何適應國內自動閉塞的要求,并使其標準化、系列化，還需要做進一步的調查研究，相信信號UPS供電方式將發(fā)揮越來越大的作用。