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信号电源培训 一 概论二 信号电源屏三 不间断电源系统四 电源维护及设备故障 一 概论 1 信号设备对供电的基本要求 可靠 稳定和安全 1 可靠性 信号电源为一级负荷 由第一类电源供电 a 电源按可靠程度分为三类 第一类电源 能取得两路可靠的独立电源 供电容量满足信号设备的最大用电量 电压 频率的波动在容许范围之内 或电压波动虽较大但能稳压 第二类电源 只能取得一路电源 但质量较好 供电容量 电压和频率的波动情况与第一类电源相同 第三类电源 不能满足第一 二类电源条件的其他电源 可靠电源 能昼夜连续供电 因维修和事故的停电有一定限制的电源 有关规定为 因维修的计划停电 第一类电源每路每月一次 每次不超过4h 第二类电源每月一次 每次不超过10h b 按因事故停电造成的后果 可将信号供电的负荷等级划分如下 I凡发生停电就会造成运输秩序混乱的负荷 一级II凡偶而短时停电不会马上打乱行车计划 但停车时间长也会影响运输秩序的负荷 二级 III其他 三级 C 各级负荷对应的电源要求一级负荷 由第一类电源供电时 一般不需另设备用电源 但要求自动或手动转换两路电源时 供电中断时间不长于0 15S 以免在电源转接过程中使原吸起的继电器落下而影响行车 在第二类电源地区需结合电源情况综合考虑 可用二类电源作为主电源 但需设备用电源 二级负荷可用第二类电源供电 但也需设置备用电源 第三类电源原则上不用作一级负荷的电源 交流供电电压波动 一般在380V供电母线上为 10 因一般供电变压器输出为400V 所以实际上允许的交流供电电压波动范围为420V 360V 直流供电电压波动 一般为 10 但对于电子设备 还必须采用专用的稳压设备 频率波动为 0 5Hz 2 稳定性 负荷功率因素不低于0 85 信号设备的导线截面应经计算确定 以免导线压降过大使设备电压不足而不能正常工作 对于信号电源设备 因其由电网供电 负荷的变化将引起供电电压的波动 故须设有稳压装置 以保证电压稳定在规定的范围之内 a 信号电源输出应按照信号系统冗余的要求 进行相应地配置 由于信号设备供电种类和电压等级较多 必须分路供电 并用变压器隔离 力求发生故障时缩小故障范围 避免故障扩大化 b 信号设备电源要求对地绝缘 防止接地故障时造成电路错误动作 c 必须考虑防雷 防止浪涌电压影响 以及安全接地问题 d 使用电缆供电时要考虑电缆芯线间的分布电容形成串电的问题 必要时应分开电缆供电 3 安全性 2 信号电源组成 输入切换系统实现1路和2路供电的自动和人工切换 输入输出防雷系统为信号电源设备和后级信号设备提供防雷 防浪涌保护 不间断供电系统 UPS 输入电出现故障时后备时间内通过后备电源供电从而保证电源输出的不间断 同时提供纯净稳定的正弦交流电 变压稳压系统拥有稳压 变压 稳流等功能 根据信号设备需要 提供适用 稳定 安全的电源输出 二 信号电源屏 轨道交通信号电源屏技术标准主要参照铁路标准 先后有TB1528 84 信号电源屏技术条件 TB T1528 94 铁路信号电源屏通用技术条件 TB T1528 2000 铁路信号电源屏 等配套标准 目前为TB T1528 1 7 铁路信号电源屏系列标准 铁路信号智能电源屏技术条件 暂行 运基信号 2005 458号 1 输入电源 电源屏应有两路独立的交流电源供电 两路输入电源允许偏差范围 单相电压AC 176 253 V 三相电压AC 304 437 V 频率 49 5 50 5 Hz 三相电压不平衡度 5 电压波形失真度 5 2 输入电压供电方式及转换方式 供电方式 一主一备供电方式可靠性较高的输入电源为主电源 另一路为备用电源 正常时由主电源向电源屏供电 当主电源断电时 备用电源自动投入运行 两路电源应能自动或手动相互转换 两路同时供电方式两路电源同时向电源屏供电 当任一路电源断电时 另一路自动承担全部负荷供电 转换时间无论何种供电方式 两路电源的切换时间 包括自动或手动 不大于0 15S 3 电气参数 额定工作电压电源屏常用的额定工作电压优选值为 输入回路AC220V 380V 输出回路AC380V 220V 110V 24V DC24V 48V 220V 额定功率电源屏常用的额定功率优选值为 2 5 5 10 15 20 25 30 50 60 KV A 额定工作制正常情况下 继电器电源 信号机点灯电源 轨道电路电源 道岔表示电源 稳定备用电源 不稳定备用电源为不间断工作制 电动转辙机电源为短时工作制 闪光电源为周期工作制 4 悬浮供电及隔离供电 电源屏的交流 直流输出电源应采用对地绝缘的悬浮供电 输出电源端子对地绝缘电阻应符合要求 电源屏的各种采用隔离供电的方式 并应根据系统要求合理分束 分别提供各路供电电源 5 三相电源供电及相序检测 电源屏供给各种负荷的容量应合理分配 当输入为三相交流电源时 各相的负荷应力求平衡 当车站装有三相交流转辙机时 电源屏的三相交流输出电源供电 必须设置相序检测装置 在三相断相或错相时发出报警信号 6 不间断供电对于有不间断供电要求的场合 应设置不间断供电电源 一般要求为半小时 7 温升电源屏的绝缘 元器件 端子 操作手柄的温升不应超过规定的限值 8 噪声在额定输入电压及额定负载的条件下 电源屏的整机噪声不超过65dB 9 过流 短路保护 电源屏的各供电回路电源 各功能模块必须具有过流及短路保护功能 电源屏的雷电防护应满足以下要求 电源屏防雷元件的选择应考虑将雷电感应过电压限制到被电源屏的冲击耐压水平以下 防雷元器件不应影响被防护电源屏的正常工作 采用多级防护时 多级防护元件要合理配置 被保护电源屏与防护元件间的连线应尽量短 防护电路的配线与其他配线应分开 其他设备不应借用防雷元件的端子 电源屏防雷系统应统筹考虑 雷电防护器件可设在电源屏外 10 保护接地 电源屏的变压器铁心 电流互感器的二次回路 电机以及其他金属外壳部件应在电气上相互连接 并连接至保护接地端子 电源屏的保护电路可由单独设置的保护导体或可导电的结构件构成 接地端子与各保护接地的接触电阻值应 0 1 所有电路元件的金属外壳须用金属螺钉与已经接地的金属构件良好搭接 保护导体应能承受设备的运输 安装时所受的机械应力 在短路故障时所产生的机械应力和热应力 其接地连续性不能破坏 保护接地端子应设置在便于接线之处 不得兼作他用 并且当外壳或任何可拆卸的部件移去时应保持电器与保护接地导体之间的连接 保护接地端子螺钉应不小于M6 保护接地端子不允许连接到三相电源的中性线上 11 介电性能 绝缘电阻在温度为15 35 相对湿度为45 80 的气候条件下 电源屏输入 输出端子对地的正常绝缘电阻应不小于25M 电源屏额定冲击耐受电压应按规定执行 工频耐压试验电压应按规定的要求进行 12 指示灯 指示仪表 报警 指示灯 电源屏应设置清晰可见的指示灯 包括两路电源有电表示 两路电源中工作电源表示 主屏工作表示和备用屏电表示 采用主备屏工作方式的电源屏 各种输出电源正常工作状态指示 输出电源故障指示 指示灯应安装在电源屏前面板或模块前面板显著位置 指示灯的颜色规定为 白色 输入回路工作 工作状态显示 输出回路工作 红色 输入有电 电源故障 指示仪表电源屏应设置两路电源输入电压 整机输入电流 各主要回路输出电压电流的指示仪表 仪表应安装在电源屏前面板显著位置 仪表精度不低于2 5级 报警电源屏应设灯光 音响报警 对于两路输入电压转换报警是向控制台提供主副电源工作状态 对输出电源故障 三相电源断相 三相电源错序 有相序要求的输出回路 稳压 调压 装置故障设音响报警 13 智能化检测智能化电源屏应具备 电源屏实时测试数据 故障信息处理 事故追忆 声光报警及紧急呼叫 电源屏输入 输出电压变化的日 月 年曲线 日常报表管路及历史数据保存 监测系统的远程组网及故障诊断 模块工作状态等基本监测功能 14 寿命和可靠性电源屏内的关键部件 如接触器 继电器 断路器 开关等 其机械寿命和电寿命应负荷GB T14048中和相应产品标准的规定 变压器的电寿命应为15年 UPS的MTBF 平均无故障时间 为3000h 高频开关电压的MTBF为65000h 15 冗余及维护 电源屏各供电电压必须设有备用 当任一模块回路出现故障或进行维修时 应能转换至备用供电回路 继续保持供电 可采用如下备用方式 1 1主备方式每一供电电压均设有一条备用回路 n 1主备方式n个供电回路共用一条备用回路 电源屏应便于维护 易于在线维修及更换故障部件 信号电源屏的发展 信号电源屏主要随着交流稳压器的发展而发展的 早期的电源屏曾采用过饱和电抗器 自藕变压器式稳压器等交流稳压设备 它们或因稳压性能较差 或因可靠性不高 而于20世纪70年代改用感应调压器进行交流稳压 20世纪90年代又采用参数稳压器 无触点补偿式稳压器 在稳压性能方面有所改进 信号电源屏内采用的控制电路由最初的铁磁三倍频率器改用晶体管分立元件组成的差动放大电路 进而改用由集成运算放大器组成的比较放大电路 有CJ10型交流接触器改为交流电源转换接触器 西门子或施耐德接触器 中间继电器改为电源屏用信号继电器 20世纪90年代还用断路器代替熔断器 用隔离开关代替闸刀开关 大大提高了可靠性 电源屏在结构 工艺方面也不断有所改进 最重大的发展是 从2000年开始 出现了智能型电源屏 它采用微型计算机技术 完成对电源系统的自动监测 并可远程监控 引入高频电力电子技术 对各种输入 输出单元和交 直流电源进行模块化 提高了供电质量和可靠性 实现了无维修化 使信号电源技术有了突破性的发展 以满足不断发展的信号设备的供电需要 智能型信号电源屏 智能型信号电源屏 是指运用计算机技术 具有对铁路信号电源设备系统的运行状态 运行故障 参数进行实时监测 显示 记录 存储 故障报警和管路功能的电源屏 智能型信号电源屏的最主要技术特征是设有监测模块 具有自动监测功能 实现电源系统的实时状态和故障监测及远程监控和管理 智能电源屏实现模块化 即将各种交 直流电源按用途设计成不同的模块 用户根据需要选择模块 构成供电系统 智能型电源屏广泛采用电力电子技术 指由电子电路高频调制对电能进行变换的技术 包括无触点切换技术 逆变技术 锁相技术 软开关技术 功率因数补偿技术 并联均流冗余技术 安全防范技术等 以保证供电系统的可靠性 智能型电源屏稳压方式 可分为不间断供电 分散稳压 集中与分散稳压相结合三种类型 不间断供电方式两路电源经转换 整理 滤波后为直流母线电源 然后通过DC AC逆变和DC DC开关电源分别向各交流 直流负载供电 直流母线电源同时给蓄电池充电 两路输入电源转换或停电时由蓄电池供电 对于计算机联锁的微机电源采用UPS 其稳压在逆变器 开关电源 UPS中实现 该方式因有蓄电池 可基本实现输出电源的不间断供电 但造价高 并需经常维护 分散稳压方式两路电源经转换后对各模块供电 交流电源模块采用参数稳压器稳压 直流电压模块采用开关电源稳压 即稳压分散于各模块之中 该方式的部分分散稳压提高了系统的可靠性 但参数稳压器功率因素低 空载时温升高 对于三相供电系统易发生共振 而且输出电压不易根据实际需要调整 集中与分散稳压相结合的方式两路电压经转换后对各模块供电 交流部分采用无触点补偿式稳压器稳压 再对各交流模块供电 直流电压模块采用由开关电源供电 该方式交流部分集中稳压 效率高 功率因素低于1 输出交流回路可根据实际需要调整 但对交流稳压器的可靠性有较高要求 三 UPS 不间断供电系统又称不间断电源或不停电电源 英文缩写为UPS UninterruptiblePowerSystem 是一种现代化电源设备 两路电源转换过程中至少要中断供电几十毫秒 这对一般的继电设备没有严重影响 但对于计算机系统及计算机控制的负载 它们对供电的质量和可靠性有着更严格的要求 不允许有3 5ms的中断供电 否则 计算机正在处理的信息便会丢失或发生错误 此外 供电电压 频率 波形的变动 也会使计算机造成错码 漏码而无法正常共振 计算机已越来越广泛地应用于铁路信号领域的各个方面 对于应用计算机的各信号系统 必须配备UPS 以保证不间断供电 使系统正常工作 UPS额定功率单位为VA 一般地铁使用有5KVA 10KVA 30KVA等 1 UPS UPS的主要功能有两路电源无间断切换 隔离干扰 电压变换 频率变换和后备功能 两路电源的无间断切换两路电源可通过UPS实现无间断切换 隔离干扰在UPS中 交流输入电源经整理后由逆变器对负载供电 可将电网电压的瞬时间断 谐波 电压波动 频率波动 噪声等各种干扰与负载隔离 使电网的干扰不影响负载 而且负载也不干扰电网 电压变换通过UPS 可将输入电源的电压变换成所需要的电压 频率变换通过UPS 可将输入电源的频率变换成所需要的频率 后备UPS中的蓄电池储存有一定能量 市电间断时蓄电池通过逆变器继续供电 1 后备式UPS市电正常时 市电经滤波后送给负载 同时给蓄电池充电 市电断电时 逆变器将蓄电池的直流电转换为交流电送给负载 转换时间由继电器动作时间和逆变器启动时间决定 一般要求在10ms以内 后备式UPS的优点是电路简单 价格较低 但由于存在转换时间 输出电压易受电网波动的影响 供电质量不够高 2 在线式UPS市电正常时 输入的交流电先经输入滤波器滤除电网中的污染 再经整流滤波 给蓄电池充电 也给逆变器供电 由逆变器输出稳压稳频的交流电供给负载 市电断电时 逆变器将蓄电池提供的直流电变换为交流电供给负载 实现不间断供电 正常工况 在正常工作状况下电能由市电进入整流器 供给逆变器和电池 保证电池的满充状态 逆变器将产生一个完全独立的输出正弦波供给负载 电器设备 市电失败 市电一旦失败 这是指市电中断或不正常 系统将用电池储备的能源来逆变为交流电 一旦市电中断时间过长 当电池的电耗尽时 逆变器将停止工作 这时 UPS将无法对所连的设备供电 市电恢复时 逆变器将又由整流器供电 电池也将继续充电 以备下一次市电失败之需 电子旁路 如果逆变器无法工作 过载 过热 旁路会自动将负载切换到市电 如果切换由过载引起 当负载降到100 以下时 负载将自动切换回逆变器 如果切换由过热引起 只有其温度降到警报温度以下时 负载才被自动切换回逆变器 如果出现严重的过载或短路 电磁旁路断路器将跳开以保护UPS 如果电流的大小不足以启动断路器 UPS将由软件关断 以保护UPS及其所连的设备 当正常工况恢复时 软件或短路器将自动复位 负载将无延时地切换回逆变器 在旁路操作状态下 如果能源供给中断 将无法对负载供电 如果UPS处于过载工况下 他将无法保护负载 手动旁路 位于后板的手动旁路能手动将系统手动地切换到旁路 他有两个位置 1 是正常位置 2 是维修位置 这时 负载将直接被连到市电 这样 不用切掉负载 就可以进行检修 2 蓄电池 UPS 不间断电源 之所以能够在断电后 继续为计算机等设备供电 就是因为它的里面有一种储存电能的装置在起作用 这种储能的装置就是蓄电池 其主要功能是 当市电正常时 将电能转换成化学能储存在电池内部 当市电故障时 将化学能转换成电能提供给逆变器或负载 蓄电池能把电能变为化学能储存起来 使用时再把化学能转变为电能放出来 电能变为化学能的过程 称为蓄电池的充电 化学能变为电能的过程 称为蓄电池的放电 其充放电过程 可重复多次 按电解液性质的不同 分为酸蓄电池和碱蓄电池 铅酸电池有一百多年的历史 由于它具有电压稳定 供电可靠 原料丰富 造价较低 电气性能良好的优点 得到广泛应用 但普通铅蓄电池在使用过程中 需要经常加水 补酸 还会产生腐蚀性气体 污染环境 损伤人体和设备 其使用受到很大限制 目前主要使用阀控铅蓄电池 阀控铅蓄电池密封好 无泄漏 无污染 能确保安全 而且在整个使用过程中无需任何维护 得到广泛应用 铅蓄电池的容量 标志着储存电量的多少 一般用安时 AH 表示 电池容量的大小由 安时数 AH 这个指标反映 其含义是按规定的电流进行放电的时间 相同电压的电池 安时数大的容量大 相同安时数的电池 电压高的容量大 通常以电压和安时数共同表示电池的容量 如12V 7AH 12V 24AH 12V 65AH 12V 100AH 在规定工作条件下 蓄电池能放电的最低容量称为额定容量 它是以充足了电的蓄电池 放电至规定的终止电压的电量 在特定的放电电流 电解液温度和放电终了电压等条件下 蓄电池实际放出的电量称为实际容量 影响蓄电池容量的主要因素是放电电位 电解液的温度和浓度 同一铅蓄电池在不同放电率下 放出的容量不同 放电率越高 蓄电池放出的容量较小 反之 则放出的容量就大 为避免深度放电 放电率低于正常放电率时 要适当提高放电终了电压 在 15 45 范围内 电解液温度越高 蓄电池放出的容量越大 电解液必须有一定的浓度 才能保证蓄电池有足够的容量 但密度高于1 30 电解液对极板和隔板的腐蚀作用增大 会使蓄电池容量下降 寿命缩短 在外电路断开时 蓄电池容量自然损失 叫自放电 铅蓄电池的自放电较严重 通常每昼夜可损失额定容量的2 左右 铅蓄电池的效率通常为容量效率和电能效率 容量的效率是放出的容量与充电的容量之比 通常在84 93 之间 电能效率是放电时输出的电能与充入的电能之比 通常在71 79 之间 铅蓄电池在使用中 由于活性物质脱落 硫酸化及隔板腐蚀等原因 容量将逐渐降低 容量降低到额定容量的70 80 后 就认为寿命结束了 阀控铅蓄电池寿命一般为10 20年 电池的活化处理活化处理是指对电池的均衡充电 下列几种情况都会导致电池的内阻增大 端电压太低或容量减小 这些电池需要通过均衡充电来恢复其原有的性能指标 1 长时间放置不用 超过静态存储时间的电池 常温环境 一般UPS电池的静态存储时间为9个月 当温度为31 40 时 静态存储时间为5个月 2 放电后未能及时充电的电池 3 长期工作于浮充状态 即UPS长期工作于市电状态 并超过静态存储时间 4 不慎放电 将电池端电压放至低于终止电压 均衡充电电流一般选0 3C或略小于0 3C 额定电压为12V的电池 均衡充电电压一般选14 5V 铅蓄电池 铅蓄电池可放电也可以充电 一般用硬橡胶或透明塑料制成长方形外壳 防止酸液的泄漏 设有多层电极板 其中正极板上有一层棕褐色的二氧化铅 负极是海绵状的金属铅 正负电极之间用微孔橡胶或微孔塑料板隔开 以防止电极之间发生短路 两极均浸入到硫酸溶液中 放电时为原电池 其电极反应如下 负极 Pb SO42 2e PbSO4正极 PbO2 4H SO42 2e PbSO4 2H2O总反应式为 Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O当放电进行时 硫酸溶液的的浓度将不断降低 当溶液的密度降到1 18g ml时应停止使用进行充电 充电时为电解池 阳极 PbSO4 2H2O 2e PbO2 4H SO42 阴极 PbSO4 2e Pb SO42 总反应式为 2PbSO4 2H2O Pb PbO2 2H2SO4当溶液的密度升到1 28g ml时 应停止充电 上述过程的总反应式为 放电Pb PbO2 2H2SO4 2PbSO4 2H2O充电 四 电源设备维护及设备故障 电源设备的日常维护和年检日常维护主要是由现场车间班组根据信号维护规则对电源设备进行日常检查 通过观察 对其外观 运行状态 温度等进行记录 年检是由专业车间按年计划 根据信号维护规则对所用电源设备各个组成部分进行详细地维护保养 1 电源屏主要对输入输出部件 交流接触器 空气开关 端子排等 进行紧固 对各个功能模块进行除尘 对I II路输入电源进行切换功能测试 测量记录输入输出端子 主要的测量输出端子有 24V电源1 2计轴评估器电源1 2非集中站PESB电源1 2PMI电源1 4ACE电源1 2AP电源信号机电源1 2转辙机三相电压ABC计轴室外电源ATCZC机架电源风扇电源 2 UPS蓄电池电压测量 一般不低于12V 正常范围 13 2 13 5V 输入电压电流 输出频率 负载UPS液晶及控制面板检查 开关功能UPS功能转换测试UPS旁路切换试验 正常供电 手动维修旁路操作 内部除尘蓄电池充放电数据记录UPS软件监控 设备故障 影响电源设备正常运行的原因有许多 既有外部的 也有内部的 外部因素主要是外电网的干扰 有电涌 高压尖脉冲 电压下陷 频率偏移 市电中断等 内部的主要是系统中电子元器件的老化 控制电路板故障 器件接触不良等 外部的干扰有时会间接地或直接地影响到系统内部从而引发内部的故障 故障例举 1 电源屏故障稳压滤波单元故障 包括熔断器损坏 或触点氧化导致接触不良 故障现象 稳压滤波单元无法正常工作 导致系统输入电源随电网波动影响后级设备 处理方法 测量稳压滤波单元的输入 确认后旁路故障稳压滤波单元 更换熔断器 擦拭熔断器触点 切