城市轨道交通信号电源系统分析

渠艳峰

（济南城市轨道交通集团第一运营有限公司，山东 济南 250013）

0 引 言

信号智能电源系统的应用极大地促进了轨道交通信号管理水平的提升，具有实时监测、报警、记录以及故障定位功能，能够给信号负载提供稳定干净的电源。然而在实际工作中仍然存在着各种问题，需要相关工作人员及时发现并进行正确的处理。出现断电故障可能导致信号设备板卡烧损、电源模块故障、交换机数据丢失、服务器工作异常等设备故障，严重制约了行车效率，影响行车安全。

1 信号电源系统介绍

信号电源系统由智能电源屏、稳压器、不间断电源（Uninterruptible Power System，UPS）以及电池组等组成。信号两路电源由供电400 V电源柜引到信号设备室，经防雷箱送给电源屏交流切换控制系统，交流切换控制系统选择一路电源送给UPS市电输入（UPS旁路电源由稳压器提供），经UPS的稳压滤波后，电源送回电源屏输入端，最后经过交直流电源模块及隔离变压器输出给信号各系统供电。

电源屏正常供电的情况下，KM1吸合，KM2断开，第一路输入给各个模块供电。在第一路输入电源不正常时，KM1断开，KM2吸合，这样由第二路输入给各个模块供电。当交流切换系统故障时，可以手动选择第一路直供或第二路直供。

UPS系统主要包括由整流模块和逆变模块组成的AC-DC-AC变换主回路、由反向并联可控硅组成的旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器、逆变静态开关以及蓄电池组等。空气断路器Q1控制主路交流电源输入，整流模块进行交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）变换，逆变模块进行直流/交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）变换，经过隔离变压器后由断路器Q5输出。当输入断电时，蓄电池组进行电池逆变供电，输入电源也可以通过旁路静态开关从旁路回路向负载供电。另外，要求负载不间断供电对UPS内部进行维修时，可使用维修旁路开关Q3BP[1]。

2 电源系统故障场景及应急措施

2.1 电源屏交流切换系统故障及应急措施

电源屏两路市电正常，但是两路电源不能正常供电或一路电源故障无法正常转到另一路电源工作。

无法及时恢复时，为避免电池耗尽设备断电，应及时进行直供供电。切断电源屏两路输入QF1、QF2开关，选择电网质量较好的I路（II路）进行直供；将I路（II路）直供选择开关由OFF状态转到交流I路直供状态或交流II路直供状态；将1QS3正常工作开关断开，1QS4直供开关闭合，完成电源直供，恢复正常供电时按相反顺序恢复正常供电。运营结束后，在电源直供状态下（QF1、QF2开关必须是落下状态）更换交流切换控制板或交流接触器。

2.2 电源屏直流电源模块故障及应急措施

同一负载的电源模块都是并联冗余的，单独一块故障不影响运营，可运营结束后进行更换，但同一负载的电源模块同时故障影响运营时需立即更换。

TE1、TE2模块更换步骤：（1）将备用模块的地址码按故障模块进行设置；（2）关闭故障模块输入空开，将故障模块拆下更换备用模块；（3）闭合输入空开，检查模块工作状态及均流情况。

更换TE3模块时为保证两模块并联均流，需要将两模块电压调一致，相同束电压不超过0.2 V，具体步骤如下：（1）关闭故障TE3模块输入空开，记录正常工作TE3模块的4束电压值；（2）用备品将故障模块换下；（3）闭合更换模块的输入空开，将原正常模块的输入空开断开，让更换的模块单独带载并对其4路输出电压进行调整，调整到与先前记录的4束电压一致；（4）闭合原正常工作的TE3模块输入空开，使两模块并联均流输出；（5）调看两模块4束输出电流是否基本一致，均流效果是否良好，并检查负载是否工作正常，电源屏监控单元告警是否恢复。

2.3 电源屏采集监控故障及应急措施

电源屏监控单元报某模块通信中断或某一路输出电源断，通过实际检查测试设备正常。这种不影响设备正常使用的采集监控故障可在运营结束后处理，主要检查采集线、FM模块、采集转接板及监控CPU板，考虑采集电路有无断线、接触不良或采集板卡自身故障。

2.4 电源输出故障及应急措施

多束电源输出故障时，考虑模块故障或变压器故障，应及时进行更换。单束电源故障时，考虑空开故障或负载有无短路、过载，用万用表测量空开上端有电下端无电，则代表空开故障，需对其进行更换，若不能立即更换则可临时借用相同电源的备用电源紧急供电。若负载存在短路故障，则需进一步查找处理。

2.5 UPS故障及应急措施

UPS整流器故障时会自动转为电池逆变供电，电池电能耗尽后会自动转为旁路供电，逆变器故障时也会自动转为旁路供电；当UPS发生内部控制电路故障或电容击穿等短路故障时，会导致UPS输出中断，所有信号设备断电。

对此，当UPS故障自动转旁路供电时，可加强监控，做好应急值守，运营结束后进一步处理；当UPS发生严重断电故障时需将电源屏中的UPS输出和维修旁路开关打到旁路状态，紧急恢复设备供电。

2.6 稳压器故障及应急措施

集中站稳压器断电故障会导致UPS旁路电源异常报警，非集中站稳压器断电故障会导致UPS电池组逆变供电，电池耗尽会导致设备断电。对此，集中站稳压器断电故障可在运营结束后进一步处理，非集中站稳压器断电故障时，将电源屏中的UPS输出和维修旁路开关打到旁路状态，紧急恢复设备供电。

2.7 电池组故障及应急措施

随着使用年限的增加，电池会出现内阻增大、漏液、鼓包以及变形等情况，带载能力逐渐下降。当整组电池失去带载能力时，两路市电同时故障，UPS无法进行电池逆变供电，会导致信号设备断电，两路电源切换也会造成信号设备瞬间断电重启。

首先，加强电池巡视，发现漏液、鼓包以及变形电池后及时更换。其次，通过监测系统发现电池内阻异常增大时，需对电池放电电压进行确认。若单体放电电压短时间内降至10.8 V以下，则说明电池失去带载能力，需要及时更换。最后，若整组电池到达寿命周期，放电时整组电池电压短时间内下降至放电终止电压并转旁路供电，则需要及时更换整组电池。

3 操作不当导致设备断电场景及应急措施

首先，UPS工作在旁路时，两路市电进行切换会导致设备瞬间断电重启，电源屏高频开关模块内部设计有大容量电解电容储能器件的除外。对此，UPS转旁路工作前应先确认供电专业有无倒电作业，供电有倒电作业时，严禁UPS转旁路试验，同时严禁电源屏进行I、II路转换。

其次，维修旁路操作不当，逆变器未关闭时闭合维修旁路开关，或误操作关闭UPS输出空开会导致设备断电。对此应加强培训，熟练掌握维修旁路转换步骤，并在转维修旁路时严格按操作步骤进行，一人操作一人监控，确保操作正确。

再次，维修旁路恢复供电时，操作过快，未等旁路正常工作后关闭维修旁路Q3BP开关会导致设备断电。需要注意的是，维修旁路恢复旁路供电时，闭合Q2与Q5空开后，应等UPS监控面板旁路工作指示灯与UPS输出指示灯绿色常亮，正常工作后再关闭Q3BP开关。

最后，检修作业或故障处理时，操作不慎导致设备短路，会导致设备断电。因此，作业用的工器具要做好绝缘防护，正确选用测试仪表的档位及量程，个人也要做好安全防护，穿绝缘鞋，戴绝缘手套，并且在带电作业时身体不与机壳接触[2]。

4 信号电源系统前端加装漏电保护装置的分析

4.1 漏电保护装置动作原理

漏电保护装置加装在供电400 V电源柜内，由互感器、继电器以及保护开关组成，对漏电流进行检测判断，并动作保护开关。当回路检测到剩余电流超过设点参数值时，接通分离脱扣器断开空开。

4.2 电路分析

供电400 V一般采用三相五线供电，N线与PE线分开设置，同时N线远端接地。供电两路电源经电源屏输入断路器（断A、B、C相不断N线）及切换装置后输出一路给UPS供电，电源屏两路N线短接在一起（共N）；UPS旁路供电时由市电直接供电，如果负载不均衡，三相电中性点偏移，则N线必定有电流产生。由于电源屏共N，供电400 V非共N，供电两路N线都会产生回流，因此漏电保护装置采集的A、B、C、N矢量和不准确，不是真正漏流值，会造成漏保装置误动作，切断空开。

4.3 电源屏及UPS漏电分析

为了减少电磁干扰，电源屏模块中加入X电容和Y电容，Y电容消除共模干扰，接地就会产生漏电流。不同模块的Y电容规格不同，漏电流不同，配置在不同相线上的漏流也不相同。

零火线对地存在分布电容，分布电容的存在就可能会产生漏电流，下雨、阴天等特殊天气情况时，分布电容产生变化，继而产生的漏电流就不相同。系统的防雷是通过防雷组件接地，当电压有浪涌时，也会对地产生大电流。

4.4 信号电源系统漏电影响

信号电源输入端有电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC）设计，其防护等级为IP20，在接地线完好的情况下，漏电流不会对人身与设备产生安全隐患，并且信号电源属于专业供电设备，需要具备专业知识的人员进行操作。

鉴于电源设备本身属于漏流设备，供电漏保采集装置同时存在误采集情况，而且信号电源系统漏流不会对后端设备和其他设备及人身安全造成影响，为避免漏保装置动作导致信号设备断电，建议漏保装置只监测不动作电路[3]。

5 全站信号设备断电影响

（1）非集中站断电不影响正常运营，自动转换开关（Automatic Transfer Switching，ATS）监视工作站无法监控列车运行，弥散张量成像（Diffusion Tensor Imaging，DTI）无显示。（2）CI集中站设备断电，整个联锁控区灰显，列车紧急制动，需电话闭塞法组织行车。（3）ZC设备所在联锁集中站设备断电，ZC控区内所有列车紧急制动，无法CBTC模式运行，需降为后备模式运行；故障联锁控区灰显，需电话闭塞法组织行车。（4）LC设备所在联锁集中站设备断电，全线列车紧急制动，无法CBTC模式运行，需降为后备模式运行；故障联锁控区灰显，需电话闭塞法组织行车。（5）运行控制中心（Operating Control Center，OCC）设备断电，中央无法正常监控列车运营，通信前置机的相关业务无法正常运行，需转为站控组织运营；运行图下发前断电，中央无法正常监控列车运营，通信前置机的相关业务无法正常运行，需转为站控组织运营，并需要全线排列自动进路组织运营。（6）车辆段设备断电，车辆段联锁控区灰显，若两台网关计算机都在车辆段信号设备房，则车辆段断电还会影响正线ATS与列车自动控制系统（Automatic Train Control，ATC）通信。一是无法与CC通信，车次窗显示有相关报警；二是列车光带为紫色；三是与ZC、LC无法通信，临时限速等相关操作无法进行；四是无法实现跳停功能[4]。

6 提高电源系统稳定的措施

（1）提高班组监测系统调看分析能力，通过调看电源输入输出电压、电流的日、月、年曲线来分析设备运行状态，进行有针对性的维护保养。

（2）加强班组电源设备应急故障处理培训，全员务必掌握紧急直供方法，发生断电故障时及时恢复设备供电。

（3）提高检修质量，按检修要求对电源设备进行功能性试验，确保功能正常。每季度对UPS进行浅放电（模式转换正常），年度进行深放电，放电过程中测试电池组整体电压及单体电压，及时发现故障电池进行更换。利用年检对电源设备进行深度清灰，减少粉尘对设备的影响。电气特性测试后，做好记录并通过电气特性数据来分析设备运行状态。

（4）加强备品、备件管理，科学分析研判设备故障，合理配置备品、备件，定期检查，确保账务一致。年度对关键电源模块及板卡进行上电测试，确保性能良好。

（5）电池安装的环境是决定电池寿命和性能的重要因素，保持温度受控、通风、干燥的室内环境，电池工作对温度的要求极高，需严格控制在20～30 ℃，并避免蓄电池受到阳光直射，通过环境控制提高电池的使用寿命。

（6）为了防止电源模块、电池组、电容组等关键器件因工作磨损失效导致系统故障，对其进行定期检查，并在其预期的寿命年限内进行更换。

（7）针对电池组空开断开无报警，可进行智能运维改造，增加电池空开报警接点，避免电池空开断开未被及时发现引发的设备断电风险。

（8）使用单UPS供电的站点，UPS发生严重故障时无冗余，会导致全站设备终止供电，影响较大。因此，对信号车辆段、控制中心、设备集中站等严重影响行车的站点进行UPS双母线改造，来提高安全性能[5]。

7 结 论

保障轨道交通信号电源系统正常运行的意义重大，相关工作人员应引起重视，尤其是对于电源屏切换系统、交直流模块、UPS等容易出现系统断电故障的环节进行重点关注，出现问题及时处理。