国外特殊电网信号电源系统技术方案研究

姜海峡

(天津铁路信号有限责任公司，天津 300300)

随着中国铁路的迅速发展，铁路装备和技术也快速发展起来，中国高铁作为一张国家名片正在走向世界。但是由于各国的铁路标准及现场基础条件有较大的区别，铁路设备及技术方案也需要根据实际要求进行适应性设计，对国内的设备供应商提出了各种各样的挑战。本文根据中国承建的某国外标准的铁路信号工程项目（以下简称本项目），通过对现场外电网和信号设备的调研，结合国内信号设备供电情况，提出本项目对信号电源系统的需求，并根据该需求设计本项目信号电源系统技术方案，解决了国内外电网不同所带来的系列问题。

1 本项目信号电源系统供电需求

本项目两路外电网Ⅰ路为三相主用电源400/230 V，50 H z；Ⅱ路为单相电源，来自于接触网25/0.23 k V，50 H z，即外电网为三相和单相电源混合冗余供电方式。这和国内铁路车站外电网大部分为两路三相电源互相冗余、少部分为两路单相电源互相冗余供电的情况不同，需要对电源系统架构进行适应性设计，以满足三相电网长时间无电状态下，单相电网能够保证长时间供电的要求。

本项目工程设计最高时速200 k m，信号电源系统需使用UPS 后备电源，以保证铁路信号设备供电的可靠性和安全性。

因站场需要采用三相交流转辙机转换道岔，即设备需要三相交流电源供给，因此在三相外电网断电仅由单相外电网供电时，需要信号电源系统仍能输出三相交流电源，以保证信号设备的可靠运行。此需求与国内电网两路三相备用供电方式不同，需要转辙机负载设置在UPS 稳压之后，并将单相电源转换成三相电源。

由于现场外电网不稳定，要求两路外电网均断电后，信号电源系统仍应继续为信号设备提供3 ～8 h 以上稳定、可靠的电源。这与国内要求的有人值守站0.5 h，无人值守站2 h 的后备时间要求不同，并且现场机械室面积有限，需要方案设计时考虑周全。

信号电源系统中的模块及UPS 等设备，宜采用国内成熟技术及设备，以保证国外信号电源系统的备件供应、老化管理，提高现场电源系统设备的可用性和可维护性。

2 本项目信号电源系统方案设计中需要解决的问题

2.1 UPS选型的问题

为保证稳压系统的可靠性，U PS 冗余架构宜采取国内客专电源系统中双机并联的方式。由于现场三相和单相的混合电网条件以及输出三相交流电源的要求，U PS 只能选择单进三出或三进三出制式，而目前国内生产单进三出的UPS 厂家极少，多为定制机，不易选型，这对后期设备维护极其不利，如果混合使用单进三出和三进三出的U PS，将无法实现并机冗余工作方式，因此应尽量选择三进三出的UPS，此制式的UPS 在国内信号电源系统中应用最普遍，已经有了大量的现场运用经验，且此类U PS在输入、输出、转换时间等特性上也能满足铁路信号设备供电的要求。

2.2 两路电网工作转换模式的问题

国内信号电源系统大部分采用两路外电网互为主备转换的“Y”型电路，即当一路外电网正常时，其为所有负载供电；当其异常时，系统所有负载切换至另一路备用电源供电。国内信号电源系统少部分采用两路电网同时为负载供电的“H”型电路，当其中一路异常时，将其承担的部分负载切换至另一路由其全部承担。由于两路外电网异常的几率远大于一路异常的几率，尤其一路外电网不稳定时，“H”型电路会频繁切换，造成设备较多的问题及安全隐患，目前各站场已基本改造为“Y”型电路。但本项目为两路不同相数的外电网，U PS 宜选取常用的三进三出制式的U PS，因此国内普遍使用的实现两路电网转换的“Y”型电路无法在本工程中使用，否则仅有单相电网时，三进三出制式的UPS 将无法正常使用。如果使用“H”型电路，单相电网侧UPS 仍然无法工作，因此需要考虑其他方案解决此问题。

2.3 电池容量选择的问题

由于本项目中要求两路电网均断电后信号电源屏仍要继续正常工作的时间较长，若使用双机并联U PS 工作制式，需要考虑到一台U PS 故障后剩余一台的UPS 仍应保证设备的续流时间，如果按照国内并机使用UPS 各自独立带蓄电池组，则电源系统的电池数量会很庞大，设备成本、施工安装和后期维护工作量都会增加，并且机械室空间占用较大。因此，应在保证设备安全、可靠、满足现场要求的条件下尽量减少电池的使用。

3 本项目信号电源系统技术方案

综合本项目信号电源系统特殊要求及上述问题，电源系统方案设计如图1 所示。电源系统主要包括：单相A C/DC 充电模块、双套U PS、单套电池组、输出配电模块、输出隔离单元、监测单元等。方案具体说明如下。

图1 信号电源系统技术方案框图Fig.1 Technical proposal block diagram of signal power system

对UPS 来说，其电源输入有主路输入、旁路输入、电池输入3 种，而主路与旁路只能为交流三相电源，因此通过主路和旁路输入不可能解决将单相电网变换为三相电输出的问题。而电池输入为直流电源，如果能够将单相电网电源转变为直流电源来模拟电池供给UPS 直流电，当三相电网异常时，使U PS 处在电池工作模式下即可实现此需求。因此这种方案较易实现，只需要使用输出与电池电压匹配的单相输入开关电源模块，即可使单相电网转换成稳定的直流电源。此直流电再通过接入UPS 电池输入端通过UPS 逆变将其变换成稳定、可靠的三相电源输出。

由于电源模块与电池组并联，因此不能再使用U PS 对电池进行充电管理，如果U PS 对电池进行充电管理，并且开关电源模块也同时会对电池组充电，其充电电流将不受控制，并联UPS 之间也会有环流影响，电池组也将被损坏，整个系统会存在较大的不确定风险。因此需在电池的输出端使用二极管，使开关电源模块和U PS 均不能对电池组充电，同时两台U PS 直流端也不会互相影响， U PS 只能在电网断电或UPS 整流器故障后从电池输入口汲取能量。这就需要对电池的充电管理重新设计，即：使用专用充电模块对电池进行管理。考虑到两路电网在任一路正常的情况下都应该能对电池进行充电管理，所以根据电池容量的大小选用适合的单相输入充电模块分别从两路电网取电，输出并联后对电池进行充电。在两路电网均正常时可共同对电池进行充电，而任一路电网异常后均可由另一电网通过充电模块继续为电池充电，保证了电池的有效管理，同时使用一组电池即可实现储能，减少电池的占地面积及施工、维护成本。

此系统方案在两路电网同时正常工作状态下，由三相电网通过U PS 稳压输出为后级负载提供稳定、可靠的三相电源，同时通过充电模块为电池进行充电管理；而单相电网则为单相输入开关电源模块供电，使模块长期处于备用状态，同时单相电网也通过充电模块对电池进行充电管理。当三相电网断电后，单相电网可长期为负载提供能量；而两路电网均断电后，则由充满电的电池组为后级负载继续提供一定时间的能量。从系统工作过程中也可看出，本方案中两路电网既不是国内传统主备转换的“Y”型电路，也与“H”型电路有一定的区别，它是对两种电路进行重新组合，既避免“H”型电路在使用中存在的频繁切换问题，也满足了本线路工程的电网条件。

两路电网工作模式设计完成后，两路外电网、稳压系统均实现了冗余备用的工作方式，既可以在任何条件下输出稳定、可靠的三相电源；充电模块也实现了并联冗余；三相负载设备亦能得到所需要的电源，其他各单相负载可以根据要求配置相关的配电单元模块即可。通过以上方案设计，满足现场需求，实现本项目信号电源系统的可靠性、安全性和可维护性。

4 结束语

本文根据国外铁路工程的电网条件与国内的差别，提出目前国内信号电源屏设计与其不匹配的地方，并提出这种不同导致信号电源屏在设计过程中存在的困难以及可能存在的故障隐患。文章针对这些困难与隐患提出了相应的解决方案，该解决方案充分考虑现场条件和使用需求，系统整体运行稳定、可靠，能够满足预期工作目标。通过本次供电方案的解决，为信号电源系统在不同电网条件下应用提供了新思路，也使国内设备能够更好的适应国外各种不同的环境条件，为中国铁路更好的“走出去”打下了技术基础。