國外工程信號UPS供電方案的應(yīng)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(shè)備采用一路三相四線制交流電源經(jīng)UPS供電,當(dāng)市電停電時,電池組應(yīng)保證延遲2h不間斷供電;當(dāng)市電恢復(fù)時,自動轉(zhuǎn)為市電供電;電池組經(jīng)8h充電應(yīng)達(dá)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(cè)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(biāo)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(shè)備提供可靠電源。信號電源屏電路結(jié)構(gòu)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(shè)備條件下保證可靠供電,是設(shè)計方案的關(guān)鍵問題。

　　2確定UPS電源方案時的設(shè)計思想

　　首先,將國外工程的UPS電源與國內(nèi)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(shù)先進(jìn)

　　UPS方案要采用代表國際上世紀(jì)九十年代UPS最新技術(shù)的設(shè)備,要達(dá)到或接近有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。

　　(2)經(jīng)濟(jì)合理

　　UPS方案要根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H情況,以滿足合同要求為目標(biāo),保證UPS在各種工作狀況下,對信號負(fù)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(shè)備。

　　(4)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確

　　弄清信號負(fù)荷的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。對重要的信號設(shè)備,如三相電液轉(zhuǎn)轍機(jī)需要通過做試驗來掌握準(zhǔn)確數(shù)據(jù)資料。

　　(5)信守合同

　　與各設(shè)備廠家簽定技術(shù)協(xié)議書作為合同附件,以確保設(shè)備質(zhì)量。

　　3UPS方案實施

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

　　3.1UPS主機(jī)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(nèi)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(nèi)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(fù)載、持續(xù)1min的過載能力。

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

　　(5)當(dāng)發(fā)生短路、長時間過載等異常情況時,能快速地保護(hù)UPS主機(jī)并發(fā)出報警音響,當(dāng)事故解除自動恢復(fù)供電。

　　(6)先進(jìn)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(dāng)?shù)貧夂蚋邷馗稍?夏季室外溫度高達(dá)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(biāo)準(zhǔn)充電電流外,還可以用較大電流(0.5CA)或較小電流(0.05CA)進(jìn)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(jī)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(yīng)UPS的供電方式以及該工程的特點,工程設(shè)計人員與天津鐵路信號工廠技術(shù)人員共同研究,決定對原有信號電源屏進(jìn)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(shè)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(fù)荷保護(hù)功能的低壓斷路器作為各信號電源屏中進(jìn)、出線回路開關(guān),各級間低壓斷路器應(yīng)協(xié)調(diào)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(nèi)先進(jìn)水平的新產(chǎn)品、新工藝、新結(jié)構(gòu)。

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

　　(6)主、備用信號電源屏轉(zhuǎn)換時,不允許整屏轉(zhuǎn)換,應(yīng)按回路逐一投入。

　　按照以上的設(shè)想,信號電源屏進(jìn)行改造后基本符合了UPS供電方式的要求,信號設(shè)備的用電質(zhì)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(jī)對電池組如何進(jìn)行充放電的問題

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

　　(2)UPS與信號電源屏之間保護(hù)配合問題

　　保護(hù)功能是UPS供電系統(tǒng)安全可靠運行的關(guān)鍵指標(biāo)。沈陽山特UPS主機(jī)中保護(hù)開關(guān)是高頻開關(guān),動作時間以微秒計;原信號電源屏是國內(nèi)二十年一貫制的老產(chǎn)品,保護(hù)開關(guān)采用的是刀閘、熔斷器,動作時間以秒計;顯然,當(dāng)信號電源屏中某個支路發(fā)生故障時,高頻開關(guān)動作要快于支路保護(hù)開關(guān)動作,這是不允許的。通過保護(hù)整定計算,一方面使信號電源屏的各級間開關(guān)具有選擇性,另一方面適當(dāng)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(shè)計人員考慮了以下幾點:

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

　　(2)當(dāng)負(fù)荷側(cè)發(fā)生過載或短路時,UPS保護(hù)動作應(yīng)有選擇性。

　　選擇電源設(shè)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(zhuǎn)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(fù)荷失電,不能正常工作。比如:三相電液轉(zhuǎn)轍機(jī)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(dá)額定電流10倍以上!所以,確定UPS容量時,除了考慮信號負(fù)荷平均功率以外,還要考慮非線性負(fù)荷的峰值電流及持續(xù)時間對電源的影響。當(dāng)然,對25Hz分頻器這類感性負(fù)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(shù)協(xié)議書

　　工程設(shè)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(shù)協(xié)議書,使設(shè)備質(zhì)量處在受控狀態(tài)。

　　4UPS方案驗證聯(lián)機(jī)試驗

　　由于第一次搞信號UPS設(shè)計,又是國外工程,影響之大,責(zé)任之重。工程設(shè)計人員組織了一次UPS方案驗證聯(lián)機(jī)試驗。為本次試驗專門編寫了試驗大綱,由提供設(shè)備的各廠家攜帶樣機(jī)共同參加。從1997年6月5日～12日,在某工廠進(jìn)行了試驗。按照試驗大綱的內(nèi)容,盡可能模擬現(xiàn)場實際情況,完成了20余項試驗課題,達(dá)到了預(yù)想效果。試驗結(jié)果證明:UPS方案整體設(shè)計是合理的,能夠滿足在各種復(fù)雜的工況下,均能保證信號負(fù)荷的正常用電;UPS主機(jī)、鎘鎳蓄電池組、信號電源屏均能滿足技術(shù)協(xié)議書的要求;其部分技術(shù)指標(biāo)超過技術(shù)協(xié)議書的要求;例如:UPS過載能力要求達(dá)到過載150%、持續(xù)1min,實際測試為過載200%、持續(xù)1min;轉(zhuǎn)轍機(jī)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(fù)24個循環(huán),UPS不旁路不跳閘。UPS的充電機(jī)經(jīng)試驗調(diào)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(yīng)了鎘鎳電池高電壓充電要求,8h充電可達(dá)到額定容量的90%以上。蓄電池組帶全部穩(wěn)定負(fù)荷和沖擊負(fù)荷進(jìn)行2h放電試驗,實測結(jié)果2小時后電池電壓仍高于電池終止電壓。

　　聯(lián)機(jī)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(shè)想

　　經(jīng)過工程設(shè)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(shù)審查階段,一次順利通過驗收。但是工程設(shè)計人員認(rèn)為:這個方案還有不少需要改進(jìn)的地方。例如

　　1)采用電子式變頻技術(shù)代替田字型鐵芯變頻器刻不容緩。聯(lián)機(jī)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(jié)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(yán)重時滯后90°)。由此看出,這種惡劣的負(fù)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(jì)不合理的。(2)國內(nèi)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(shè)備造價高,占地面積大,設(shè)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(dāng)市電斷電,電池組供電,轉(zhuǎn)換時間不大于3ms,對信號負(fù)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(shè)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(luò)化提供了良好的擴(kuò)展條件。

　　隨著鐵路建設(shè)的飛速發(fā)展,鐵路信號已進(jìn)入微機(jī)化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化高科技領(lǐng)域,對信號供電的要求越來越高,信號UPS供電方式如何適應(yīng)國內(nèi)自動閉塞的要求,并使其標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，還需要做進(jìn)一步的調(diào)查研究，相信信號UPS供電方式將發(fā)揮越來越大的作用。