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(gè)車(chē)站。依據合同要求,各車(chē)站信號設備采用一路三相四線(xiàn)制交流電源經(jīng)UPS供電,當市電停電時(shí),電池組應保證延遲2h不間斷供電;當市電恢復時(shí),自動(dòng)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(yáng)穩壓電源供配電系統如圖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(jiǎn)化起見(jiàn),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(xiàn)性元件和非線(xiàn)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(guān)鍵問(wèn)題。

　　2確定UPS電源方案時(shí)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(jiàn)表1)。

　　通過(guò)分析比較,明確了幾個(gè)觀(guān)點(diǎn):

　　(1)技術(shù)先進(jìn)

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

　　(2)經(jīng)濟合理

　　UPS方案要根據當地實(shí)際情況,以滿(mǎn)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(mǎn)足合同的條件下,選擇性?xún)r(jià)比高的設備。

　　(4)數據準確

　　弄清信號負荷的有關(guān)技術(shù)數據。對重要的信號設備,如三相電液轉轍機需要通過(guò)做試驗來(lái)掌握準確數據資料。

　　(5)信守合同

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

　　3UPS方案實(shí)施

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

　　3.1UPS主機采用三相在線(xiàn)式大容量UPS

　　其具有下述特點(diǎn):

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

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

　　(3)UPS能承受150%過(guò)負載、持續1min的過(guò)載能力。

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

　　(5)當發(fā)生短路、長(cháng)時(shí)間過(guò)載等異常情況時(shí),能快速地保護UPS主機并發(fā)出報警音響,當事故解除自動(dòng)恢復供電。

　　(6)先進(jìn)的狀態(tài)監控系統,操作簡(jiǎn)單,存貯信息量大。

　　3.2蓄電池組

　　針對當地氣候高溫干燥,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(jìn)行充電,并能耐過(guò)充或過(guò)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(jià)格僅為國外電池的三分之一,僅此一項節約工程造價(jià)300萬(wàn)元。經(jīng)聯(lián)機試驗證明,鎘鎳電池的性能完全滿(mǎn)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(diǎn),工程設計人員與天津鐵路信號工廠(chǎng)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具備穩壓功能,故取消各電源屏上的穩壓器件。

　　(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(guò)負荷保護功能的低壓斷路器作為各信號電源屏中進(jìn)、出線(xiàn)回路開(kāi)關(guān),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?jì)x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(jìn)水平的新產(chǎn)品、新工藝、新結構。

　　(5)將三相電液轉轍機同時(shí)啟動(dòng)改為按順序啟動(dòng),以降低電動(dòng)機啟動(dòng)時(shí)瞬時(shí)電流對UPS主機的沖擊。

　　(6)主、備用信號電源屏轉換時(shí),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(jìn)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(zhì)量明顯提高。

　　3.4召開(kāi)專(zhuān)題會(huì )議解決UPS系統接口問(wèn)題

　　(1)UPS與電池之間存在著(zhù)充電機對電池組如何進(jìn)行充放電的問(wèn)題

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

　　(2)UPS與信號電源屏之間保護配合問(wèn)題

　　保護功能是UPS供電系統安全可靠運行的關(guān)鍵指標。沈陽(yáng)山特UPS主機中保護開(kāi)關(guān)是高頻開(kāi)關(guān),動(dòng)作時(shí)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(kāi)關(guān)采用的是刀閘、熔斷器,動(dòng)作時(shí)間以秒計;顯然,當信號電源屏中某個(gè)支路發(fā)生故障時(shí),高頻開(kāi)關(guān)動(dòng)作要快于支路保護開(kāi)關(guān)動(dòng)作,這是不允許的。通過(guò)保護整定計算,一方面使信號電源屏的各級間開(kāi)關(guān)具有選擇性,另一方面適當增大UPS的容量,提高其穩定性,既保證了系統可靠運行,還兼顧了靈敏性。

　　3.5UPS系統容量的確定

　　在確定UPS容量時(shí),工程設計人員考慮了以下幾點(diǎn):

　　(1)各車(chē)站信號負荷數據需準確;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(dòng)電流;25Hz分頻器的工作條件等;

　　(2)當負荷側發(fā)生過(guò)載或短路時(shí),UPS保護動(dòng)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,如果以此來(lái)計算UPS容量則會(huì )使容量選得偏低,有可能造成UPS因過(guò)載或操作過(guò)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(guò)穩壓過(guò)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(dòng)電流是額定電流的4～5倍,25Hz分頻器空載投入時(shí)的啟動(dòng)電流可達額定電流10倍以上!所以,確定UPS容量時(shí),除了考慮信號負荷平均功率以外,還要考慮非線(xiàn)性負荷的峰值電流及持續時(shí)間對電源的影響。當然,對25Hz分頻器這類(lèi)感性負載還需采取其他措施來(lái)減弱對UPS的沖擊。本工程各車(chē)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,還要根據鎘鎳電池的放電特性曲線(xiàn),滿(mǎn)足延遲2h不間斷供電的要求來(lái)確定電池容量。

　　3.6簽定產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議書(shū)

　　工程設計人員與供貨廠(chǎng)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(shū),使設備質(zhì)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(zhuān)門(mén)編寫(xiě)了試驗大綱,由提供設備的各廠(chǎng)家攜帶樣機共同參加。從1997年6月5日～12日,在某工廠(chǎng)進(jìn)行了試驗。按照試驗大綱的內容,盡可能模擬現場(chǎng)實(shí)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(mǎn)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(mǎn)足技術(shù)協(xié)議書(shū)的要求;其部分技術(shù)指標超過(guò)技術(shù)協(xié)議書(shū)的要求;例如:UPS過(guò)載能力要求達到過(guò)載150%、持續1min,實(shí)際測試為過(guò)載200%、持續1min;轉轍機沖擊性試驗按每間隔5min沖擊一次,持續時(shí)間約10s,連續重復24個(gè)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(shí)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。蓄電池組帶全部穩定負荷和沖擊負荷進(jìn)行2h放電試驗,實(shí)測結果2小時(shí)后電池電壓仍高于電池終止電壓。

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

　　5存在問(wèn)題及設想

　　經(jīng)過(guò)工程設計人員的不斷實(shí)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(guò)驗收。但是工程設計人員認為:這個(gè)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)機試驗時(shí),用示波器抓測25Hz分頻器啟動(dòng)峰值電流、電壓及相位,測試結果:ich=50A(比原來(lái)掌握的峰值電流數據高出5倍!),t=100～120ms,cosφ=0.3,電流滯后電壓相位45°(嚴重時(shí)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(lái)滿(mǎn)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(diǎn)是便于維修比較安全;缺點(diǎn)是設備造價(jià)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(lái)越明顯。其一,UPS允許外電源有很寬的電壓波動(dòng)范圍,而輸出電壓穩壓精度為±1%。其二,當市電斷電,電池組供電,轉換時(shí)間不大于3ms,對信號負荷幾乎沒(méi)有影響。其三,可減少占地面積,降低工程造價(jià)。其四,可降低設備維修率,減少工程人員勞動(dòng)強度。其五,為今后信號供電自動(dòng)化、信息化、網(wǎng)絡(luò )化提供了良好的擴展條件。

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