轨道（中职）轨道交通信号设备维护项目5UPS和信号电源系统的认知与维护课件

项目5UPS和信号电源系统的认知与维护（1）了解高速铁路的相关定义。近年来，中国城市轨道交通发展迅猛，已逐渐成为城市公共交通的骨干。城市轨道交通中的信号系统则是保证列车运行安全，实现行车指挥和列车运行现代化，提高运行效率的关键设备。在运营重要性和安全等级上，信号系统远高于其他弱电系统，而为其提供电力保障的信号电源系统则更需要在安全、稳定、可靠性方面给予高度重视。通过本项目的学习，认识城市轨道交通不间断电源的工作原理及运行维护、信号电源系统的组成、工作原理及运行维护，理解不同UPS及信号电源系统的工作原理，熟练掌握UPS和信号电源系统的维修模式及维修方式。重点难点（1）UPS的工作原理。（2）UPS的日常维护与故障处理。（3）信号电源系统的组成及工作原理。（4）信号电源系统的日常维护与故障处理。目录CATALOGUPS的认知与维护信号电源系统的认知与维护21任务5.1UPS的认知与维护知识目标（1）掌握UPS的基本工作原理及实际应用。（2）掌握UPS的运行与维护流程。任务5.1UPS的认知与维护技能目标（1）能够掌握各类UPS的工作过程。（2）能够完成UPS的操作与维护。城市轨道交通的出现为人们的日常出行提供了非常大的便利，在列车运行中，信号系统可以说是实现列车安全、稳定运行的一项重要保证，为了能够使其更为稳定地开展工作，非常重要的一个因素就是能够具有一套稳定、优质的供电系统。在这种情况下，UPS得到了引入，成了轨道交通信号系统建设的重要内容。5.1.1UPS的认知UPS是一种含有储能装置（蓄电池组）、以逆变器为主要元件、能够实现两路电源之间不间断地相互转换的电气装置。1.主要作用及要求（1）UPS的主要作用。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载（设备）使用；当市电中断或其他故障时，UPS立即由蓄电池负载提供电源，使设备仍能持续工作一段时间，保证设备的正常运行，避免因市电故障造成影响。城市轨道交通信号系统的主要部件是计算机网络系统。为保证计算机网络系统或其电力电子设备对供电质量的要求，UPS应具有以下作用：①两路电源之间的无间断相互切换。5.1.1UPS的认知②隔离作用。将瞬间间断、谐波、电压波动、频率波动及电压噪声等电网干扰阻挡在负载之前，既使负载对电网不产生干扰，又使电网中的干扰不影响负载。③电压变换作用。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用；当市电中断或其他断电故障时，UPS相当于一台交流式电稳压器，通过逆变的转换方法向负载继续供电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。④频率变换作用。输入频率不等于输出频率，以满足设备正常的工作要求。⑤提供一定的后备时间。UPS的蓄电池储存一定的能量，当市电中断（事故停电）时，UPS立即将蓄电池的电能通过逆变器向负载继续供应220V交流电一段时间，后备时间可按用户的要求设定。5.1.1UPS的认知（2）UPS的参数要求。表征UPS性能的重要参数，决定了其对负载的保护能力和对市电的利用率，性能越好，保护能力越强。01输出稳定波形畸变率03功率因素02电压输出稳定度04输出电压切换时间5.1.1UPS的认知（3）负载大小与UPS容量计算。根据负载总容量，UPS一般可按以下公式选择：UPS容量≥负载容量÷0.8，即负载容量应为UPS额定容量的80%以下。选择80%负载主要是考虑到负载启动的冲击电流及用户今后扩容的需要。5.1.1UPS的认知2.UPS的分类和工作状态（1）UPS的分类。①按功率大小分类。可分为小功率UPS（＜10kV•A）、中功率UPS（10~100kV•A）、大功率UPS（＞100kV•A）。②按输出波形分类。可以分为方波UPS、梯形波UPS和正弦波UPS。③按输入/输出方式分类。可以分为单相入单相出UPS、三相入单相出UPS和三相入三相出UPS。④按工作原理分类。可以分为动态UPS和静态UPS。5.1.1UPS的认知（2）UPS的工作状态。根据市电出现的各种情况，UPS常见的工作状态有以下5种：①正常工作状态②市电停电（超限）状态③市电恢复正常（充电）状态④过载或故障状态⑤旁路维修状态5.1.1UPS的认知3.各式UPS的工作原理及性能特点（1）后备式UPS。①工作原理。如图5-1所示，如果市电供给交流电源，它直接通过UPS传输到所连接的负载。蓄电池充电器把输入的交流电转换成直流电，维持蓄电池充电。如果市电故障，逆变器将蓄电池的直流电转换成交流电供给负载。逆变器在大多数时间里运行在后备方式，充电器仅保持蓄电池充电状态的功率。一旦市电出现超出规定范围的变化，逆变器将从蓄电池获得电能，直到蓄电池电能被耗尽。②性能特点。后备式UPS对市电利用率高，可达98%以上。输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。输出能力强，对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格限制，转换时间一般为4~10ms。一般来说，后备式UPS具有运行效率高、噪声小、价格较低等优点。在市电停电情况下，常见的小型后备式UPS可向满负载提供的供电时间一般在12~15min。5.1.1UPS的认知5.1.1UPS的认知（2）在线互动式UPS。①工作原理。在线互动式UPS采用变压器或电感器串联在市电电源和负载之间，如图5-2所示。这种串联式电感器提供一定程度的电压调节，使UPS逆变器能够同输入电源“相互作用”（互动式名称的由来）。在多数情况下，这种“双向的”转换器是恒定的电压装置，它用改变输出相位角去调节负载的变化，由于相位角不能够快速变化，需要蓄电池提供功率差，因此会导致蓄电池使用寿命的缩短。在线互动式UPS的另一个限制是如果不由蓄电池供电运行，它不能完全地使输入电源隔离负载。公用电源的干扰、频率上的干扰和其他电源的异常情况，可能直接传送到关键负载上，因为它不是完全的电气隔离。5.1.1UPS的认知5.1.1UPS的认知②性能特点。同后备式UPS相比，由于在线互动式UPS的逆变器和输出总是处于连通状态，因而它能对电源起到滤波及削波作用。当市电存在时，市电利用率高，可达98%以上。输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。对负载电流波峰系数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格的限制。其逆变器具有稳压、调压作用，当电压过低时，UPS自动切换到蓄电池供电方式，因而这种UPS在电源质量很差的地方照样能正常运行。逆变器的设计使得即使它发生故障，仍然能由交流输入电源直接提供输出，消除了“一处失灵，全局崩溃”的隐患，有效地提供了两个独立的电源通道。应该说，在线互动式UPS效率很高，而且很可靠；它同时还具有很优越的电源保护功能，市电断电时，输出虽有转换时间但比后备式要短。5.1.1UPS的认知（3）在线式UPS。①工作原理。如图5-3所示，当输入、负载和UPS本身都正常工作时，UPS电源将输入的交流市电先通过整流器变成直流电，然后通过逆变器将直流电逆变成交流电，输出标准、稳定、纯净的正弦波电源，即在一切都正常的情况下，负载得到的是由逆变器输出的高质量正弦波电源。5.1.1UPS的认知②性能特点。在线式UPS与后备式UPS相比，在线式UPS的供电质量明显优于后备式UPS，因为它可以实现对负载的稳频、稳压供电，可以向负载提供精度高、频率稳定、波形失真度小、无干扰的瞬态响应特性好的高质量交流电。当在线式UPS的输出端承受100%的加载或减载时，它的输出电压波动不但小于5%，而且即便是这样小的瞬态电压波动也会在20ms内恢复到正常稳压值。当市电供电中断时，在线式UPS中的逆变器利用蓄电池所提供的直流电来维持负载的正常运转，由于不存在从市电供电到逆变器供电的转换过程，因此就不存在转换时间长短的问题。可以向用电设备提供高质量的电流，这是在线式UPS的最大优势。不论市电正常与否，负载都由逆变器供电，所以在市电发生故障的瞬间，UPS的输出电压不会产生任何间断，且由市电供电转换到蓄电池供电的转换时间为0。5.1.1UPS的认知4.蓄电池UPS要求所选用的蓄电池必须具有在短时间内输出大电流的特性，目前常见的蓄电池主要有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池和锂离子蓄电池等，而铅酸蓄电池由于具有较高性价比而得到最为广泛的应用。目前，UPS普遍使用的铅酸蓄电池基本上有防酸隔爆铅酸蓄电池和阀控式密封铅酸（valveregulatedleadacid，VRLA）蓄电池两种。（1）铅酸蓄电池的原理。铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。5.1.1UPS的认知（2）主要蓄电池。①防酸隔爆铅酸蓄电池。这种蓄电池在早期的UPS系统中使用得较多，具有较长的使用寿命，但由于在运行中有大量的电解液水分散失，需要经常性地测量电解液的温度、密度，并往电池内部添加蒸馏水，维护工作量极大，因此现在的UPS系统中已很少使用。②VRLA蓄电池。VRLA蓄电池分为吸附式玻璃纤维棉（absorbedglassmat，AGM）电池和胶体（GEL）电池两种。AGM电池采用AGM作为隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作。GEL电池采用SiO2作为凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。5.1.1UPS的认知（3）蓄电池容量（A•h）。蓄电池容量（A•h）是指在标准环境温度下，每2V电池单体在给定时间至1.80V终止电压时，可提供的恒定电流值（单位：A）与持续放电时间（单位：h）的乘积。给定持续放电时间为10h的容量称为10h率容量，用符号C10来表示。蓄电池容量可用20h率、10h率、8h率、5h率、3h率、1h率、0.5h率等多种方法表示，一般采用C10作为蓄电池的额定容量来标称蓄电池。额定容量是蓄电池的主要参数，具有相同额定容量的不同品牌蓄电池不能互相替换使用。不同品牌的蓄电池具有相同的额定容量只表示它们在相同持续放电时间段内的放电性能一致，但在不同时间段（如10min、30min、1h、3h等）内可提供的恒功率值和恒电流值则可能差异较大，而UPS后备时间通常不会与蓄电池的持续放电时间一致，所以应根据所保护设备的需求合理选择UPS所配用蓄电池的容量。5.1.1UPS的认知（4）蓄电池的充电。①常规充电法。常规充电制度是依据“安培小时规则”，即充电电流安培数不应超过蓄电池待充电的安时数来设计的。实际上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现象对蓄电池充电所必需的最短时间具有重要意义。常规充电法有以下3种：•恒流充电法。恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法。控制方法简单，但由于蓄电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，使出气量过多，因此在实际应用中常选用阶段充电法。•阶段充电法。阶段充电法包括二阶段充电法和三阶段充电法。a.二阶段充电法。二阶段充电法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法。首先，以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电压就是第二阶段的恒电压。5.1.1UPS的认知b.三阶段充电法。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少，但其作为一种快速充电法使用，受到一定的限制。•恒压充电法。充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的数值，随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压快速充电，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少，因此只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池的使用寿命造成了很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时才采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。5.1.1UPS的认知②快速充电法。目前使用较多的快速充电方法有脉冲式充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法、变电压间歇充电法和变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法。•脉冲式充电法。首先是用脉冲电流对蓄电池充电，然后让蓄电池停充一段时间，如此循环。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经化学反应产生的O2和H2有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而降低了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。•ReflexTM快速充电法。ReflexTM快速充电法是美国的一项专利技术，它主要面对的充电对象是镍镉蓄电池。由于它采用了新型的充电方法，解决了镍镉蓄电池的记忆效应，因此大大缩短了蓄电池的快速充电时间。•变电流间歇充电法。这种充电方法建立在恒流充电和脉冲充电的基础上，其特点是将恒流充电段改为限压变电流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电电流，获得绝大部分充电量。5.1.1UPS的认知充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将蓄电池恢复至完全充电状态。通过间歇停充，使蓄电池经化学反应产生的O2和H2有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而降低了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。•变电压间歇充电法。这种充电法与变电流间歇充电法不同之处在于第一阶段的不是间歇恒流，而是间歇恒压。在每个恒电压充电阶段，由于是恒压充电，充电电流自然按照指数规律下降，符合蓄电池电流可接受率随着充电的进行逐渐下降的特点。•变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法。综合了脉冲式充电法、ReflexTM快速充电法、变电流间歇充电法及变电压间歇充电法的优点，变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法得到发展应用。脉冲式充电法充电电路的控制一般有两种：脉冲电流的幅值可变，而脉宽调制（pulsewidthmodulation，PWM）信号的频率是固定的；脉冲电流幅值固定不变，PWM信号的频率可调。5.1.1UPS的认知（5）蓄电池性能的均一性。从理论上讲，蓄电池的电压、内阻、寿命等性能应该是一致的，可以无限多组数地进行并联，以达到所要求的容量。但在实际生产过程中，由于所用材料纯度、生产工艺、工作人员、生产环境温度等存在差异，即使同一品牌、同一型号、同一天生产的蓄电池，性能也不可能做到完全一致。工程中通常采用便宜的小容量多组蓄电池并联来达到UPS要求的较大蓄电池容量，如果将性能均一性较差的多组蓄电池并联，则性能差、电压低的蓄电池组就会将性能好的蓄电池组拖垮，导致整套UPS蓄电池系统提前失效。一般蓄电池并联组数不应超过4组，为防止整套蓄电池系统的提前失效，在选择蓄电池时，应该在性能均一性方面提出要求。当确定了蓄电池型号之后，在一套UPS系统中最好使用同一批次的蓄电池产品，以减小性能方面的差异。同样的道理，不同品牌或新旧程度不同的蓄电池，由于存在较大的性能差异，建议不要混合使用。5.1.1UPS的认知（6）蓄电池的维护。VRLA蓄电池从一开始便被称为免维护蓄电池，而且很多蓄电池标称的使用寿命也很长（大多数都达到10年），这就给维护人员造成一种误解，似乎VRLA蓄电池既耐用又不需要维护，但事实上，UPS电源内部的蓄电池长期闲置不用或使蓄电池长期处在浮充状态而不放电，会导致电池中大量的硫酸铅吸附到电池的阴极表面，形成所谓的电池阴极板的“硫酸盐化”。由于硫酸铅是一种绝缘体，它的形成必将对蓄电池的充放电产生极不好的影响。因为在阴极板上形成的硫酸盐越多，蓄电池的内阻就越大，蓄电池的可充放电性能就越差，从而导致蓄电池老化，活性下降，使蓄电池的使用寿命大大缩短，这是VRLA蓄电池的特有故障。因此，应该每隔3~4个月人为地通过中断市电或通过软/硬件控制手段将UPS的整流器/充电器置于关闭状态，让UPS中的蓄电池放电。对于这种为“激活”电池而进行的电池放电操作，它的放电时间应控制在正常放电时间的1/4~1/3。5.1.1UPS的认知尽量避免深度放电。深度放电会造成蓄电池内部极板表面硫酸盐化，导致蓄电池的内阻增大，严重时会使个别蓄电池出现“反极”现象和蓄电池的永久性损坏。蓄电池的实际使用寿命往往只有标定浮充寿命的50%~80%。这是因为蓄电池实际浮充寿命与定义标准环境温度、实际环境温度、电池充电电压、使用维护等众多因素有关，当实际环境温度比定义标准环境温度每升高10℃时，蓄电池会因为内部化学反应速度增加1倍而导致浮充寿命缩短1/2，所以UPS蓄电池机房应配备空调设备。在定义温度值方面，欧洲标准为20℃，中国、日本、美国等国家标准为25℃，温度的绝对上限是55℃，使用中不能超过45℃；20℃的10年浮充寿命的蓄电池如换算到25℃标准，仅相当于7~8年浮充寿命。因此，为不影响UPS系统的保护时间，对达到实际使用寿命的蓄电池及时更换。5.1.2UPS的维护与故障处理1.UPS的主要不安全因素及安全防范措施（1）不安全因素。①维修使用不当造成电缆、电气设备故障短路、放弧。②操作不当造成负载断电。（2）安全防范措施。①操作UPS前应详细阅读UPS的使用说明书，严格按照操作指引操作UPS。②当UPS逆变器处在工作状态时，严禁转动手动维修旁路开关，否则将损坏UPS。③当UPS在运行中，面板上的故障指示红灯时，表示有故障发生，应检查面板上的信息，如果是UPS故障，则应对其进行检查并做好故障记录。④在UPS工作状态下，不能对UPS内部进行检修，以防触电。⑤为使蓄电池工作在最佳状态和延长蓄电池的使用寿命，应每3个月放电一次，方法是将UPS上的电源输入开关断开。⑥放电30min后结束放电维护，闭合电源输入开关后，UPS自动对蓄电池进行充电，要求此后10h市电满足UPS的工作条件。⑦为保证蓄电池正常工作和延长蓄电池使用寿命，建议定期对蓄电池进行保养与维护。5.1.2UPS的维护与故障处理2.UPS操作与维修（1）UPS操作。不同品牌的UPS的操作均有差别，现以Galaxy3000型UPS为例，介绍UPS的各种操作。①开机操作程序。•将手动维修旁路开关由BYPASS位置转到TEST位置，等待10s，显示系统图“旁路状态”。•进入主菜单的“启动过程”栏，选择“启动”命令，按“确认”键。•屏幕显示“将旁路开关转换到NORMAL位置”，将手动维修旁路开关由BYPASS位置转到NORMAL位置。•屏幕显示“闭合主电源开关Q1”，检查市电正常后，合上主电源开关到ON位置。5.1.2UPS的维护与故障处理•屏幕显示“闭合电池开关QF1”，合上电池开关到ON位置。•屏幕显示“按压绿色启动键ON”，按绿色逆变器启动键3s。•屏幕显示“逆变器启动”“负载受到UPS保护”。•显示系统图正常。②关机（切换到维修旁路）操作程序。•进入主菜单的“启动过程”栏，按“确认”键。•选择“转换到手动旁路”栏，按“确认”键。•屏幕显示“按灰色停止键OFF”，按灰色逆变器停止键。•屏幕显示“UPS停止确认”，单击“是”按钮，按“确认”键；蜂鸣器间歇响，黄色指示灯亮。•屏幕显示“断开电池开关QF1”，合上电池开关至OFF位置。5.1.2UPS的维护与故障处理•屏幕显示“断开主电源开关Q1”，合上主电源开关至OFF位置。•屏幕显示“将旁路开关转换到旁路BYPASS位置”，将手动维修旁路开关由NORMAL位置转到BYPASS位置。注意：由NORMAL位置转到TEST位置时需要停1s，再转到BYPASS位置，此时UPS处于维修旁路状态。•UPS停止工作。（2）UPS维修。维修UPS应掌握以下技能：蓄电池放电测试、蓄电池在线核对性放电试验、板件拆装、蓄电池拆装、熟练使用各种工器具和测量仪表、应用UPS的技术图纸查找故障。5.1.2UPS的维护与故障处理•屏幕显示“断开主电源开关Q1”，合上主电源开关至OFF位置。•屏幕显示“将旁路开关转换到旁路BYPASS位置”，将手动维修旁路开关由NORMAL位置转到BYPASS位置。•UPS停止工作。（2）UPS维修。维修UPS应掌握以下技能：蓄电池放电测试、蓄电池在线核对性放电试验、板件拆装、蓄电池拆装、熟练使用各种工器具和测量仪表、应用UPS的技术图纸查找故障。注意：由NORMAL位置转到TEST位置时需要停1s，再转到BYPASS位置，此时UPS处于维修旁路状态。5.1.2UPS的维护与故障处理3.维修工具和测试仪表的使用UPS日常检修所用的主要仪表有万用表、电流钳表、蓄电池内阻测试仪。在此仅对蓄电池内阻测试仪的使用进行介绍。（1）使用准则。为了避免蓄电池内阻测试仪或被测蓄电池受到损坏，应遵循以下准则：①使用前，先检查仪器的外壳是否断裂或缺少配件。特别应注意连接器附近的绝缘。②检查测试针是否导通，如果测试针有损坏或断线现象，应进行更换。③两根测试针不得相接触，以防短路。④切勿在爆炸性的气体、蒸汽、酸性环境或灰尘附近使用蓄电池内阻测试仪。⑤测量时，蓄电池的内阻和电压必须在仪器所测量的范围之内，否则读数不准，超过额定电压会烧坏仪器。⑥通过测量已知电阻的方式确认仪器工作正常。如果仪器工作不正常，应按仪器说明书指定的方法进行校验；如仍有疑问，应把仪器送去维修。⑦在把接线端子插入仪器端口以前，应先将仪器的电源关闭。5.1.2UPS的维护与故障处理（2）测量方法。①将仪器和测试架放置于水平的工作台上。②将测试接线端子插入仪器面板的插座上。③将仪器电源线插入220V/50Hz的电源插座上。④将蓄电池的正极和负极分别用正极测试针与负极测试针顶住，使蓄电池的中心与测试针的中心保持一致，且使蓄电池与测试针的正负极完全接触。⑤合上仪器的电源开关，显示屏读数会跳动数次，约100ms后，其读数会自动稳定下来。⑥根据所测蓄电池内阻的大小按切换键，选择适当的量程（量程太大或太小，其读数都会不准确），记下准确的读数。（3）仪表维护。蓄电池内阻测试仪在使用一段时间后要送到专门的仪表检修所进行校验、检修，以保证测量数据的准确性。5.1.2UPS的维护与故障处理4.故障处理UPS常见的故障主要有逆变器停止工作、后备时间缩短等，应根据UPS的面板提示结合UPS的工作原理进行分析，进而查出故障原因并进行处理。（1）逆变器停止工作。①现象及分析。某台Galaxy3000型UPS停止工作，自动转到自动旁路工作，面板上显示“逆变器停止，冷却液过低”。根据面板提示，结合Galaxy3000型UPS的工作原理，知道如果冷却系统的冷却液液面过低，冷却系统的液面传感器会断开冷却系统的电源，使冷却系统停止工作。此时UPS为防止IGBT过热，会将负载切换到由空气冷却的旁路静态开关，也就是通常所说的自动旁路（或静态旁路），所以确定可能有两处故障点。5.1.2UPS的维护与故障处理②故障排除。•如果冷却系统的冷却液液面低于液面传感器探头，应补充冷却液使冷却液液面高于液面传感器探头。•如果液面传感器故障，应更换液面传感器。（2）后备时间缩短。①现象及分析。某台UPS的各种工作状态均正常，只是后备时间与以前相比有明显的缩短，此时可确定UPS本身无问题，问题出在影响后备时间的蓄电池上，有两种故障可能性：一是蓄电池已到寿命；二是蓄电池组中的个别蓄电池损坏，影响了整组蓄电池的容量。②故障排除。•更换已到寿命的蓄电池。•测量各蓄电池单元的电池电压和电池内阻，找出有问题的蓄电池单元进行更换。任务5.2信号电源系统的认知与维护知识目标（1）了解信号电源系统的功能。（2）掌握信号电源系统的组成及工作原理。（3）掌握信号电源接口的一般要求。（4）熟悉信号电源系统的主要不安全因素及防范措施。（5）掌握信号电源系统维护的基本流程。任务5.2信号电源系统的认知与维护技能目标（1）能够熟知信号电源系统的组成及工作原理。（2）能够完成信号电源系统的日常维护工作。电源设备是任何一个系统、设备所不能缺少的，它的质量直接影响系统设备的工作状态和运行质量。城市轨道交通信号系统使用的电源尤其重要，是轨道交通系统安全运行的基本保障。5.2.1信号电源系统的认知城市轨道交通信号系统属于一级负荷供电，由两路独立的电源同时供电，并往往同时配有大型在线式UPS，以保证系统稳定运行。信号电源屏由两路独立的交流电源供电，两路电源之间有切换电路，具有自动和手动转换功能。当检测到当前供电的主电源欠压、过压、断相、缺相等故障时，设备可自动将负载接入另一路供电电源上，而且转换过程不会影响设备的供电。1.信号电源系统的功能信号电源屏提供多种标准电源输出，如AC220V、DC60V、DC24V等，保证不间断地供电，并且不受外电网电压波动和负载变化的影响。智能电源屏的输出电源采用模块化，具有稳压滤波作用，输出电压更稳定，并具有自动检测功能，包括欠压、过压、断相/缺相等故障的检测。5.2.1信号电源系统的认知信号电源屏具有较完善的保护功能，当电源或负载发生严重异常情况时，能即时切断输出；并且具有防雷、防火、防触电等措施，从而提高了电源的安全性和可靠性。信号电源屏具有实时输入输出电源的电压、电流等多种电气参数测量功能，并能将其直观地显示出来。智能电源屏有良好的用户界面，能提供更多信息及能根据用户需求进行个性化设置。当发生故障时，信号电源屏能立即发出声光报警。智能电源屏具有更加完善的故障检测系统，能判断故障类别，并能存储多条报警信息；具有远程监控功能，可以对全线各个站点的电源设备进行集中组网监控，实时获取设备状态信息。5.2.1信号电源系统的认知2.信号电源系统的组成及工作原理信号电源系统的结构框图如图54所示，两路380V交流电源进入设备房后接入电源屏，经过两路转换电路选用其中一路做主用输出，之后输出再分为两路，其中一路到UPS设备，经UPS设备处理后的稳定无畸变的380V交流电再次被输入电源屏，然后经各直流或交流电源模块输出，为相应设备提供标准电压；另一路被送到各种不需要UPS支持的设备，其中转辙机的动作电源也是由此路输出的。电源屏监控设备直接测量输入/输出电源的电压和电流，并提供直观显示，当发生异常时能提供声光报警。电源屏保护设备可防止雷电从电源输入端引入。5.2.1信号电源系统的认知5.2.1信号电源系统的认知（1）转换电路。转换电路可以用多种方式实现，在此以其中一种方式为例，说明其转换原理，如图55所示。该转换电路由检测回路（包含电压采样板、转换逻辑控制板、转换驱动板）和动作回路（包含供电线路和4个交流接触器KM1~KM4）组成。5.2.1信号电源系统的认知5.2.1信号电源系统的认知检测回路不间断地对交流Ⅰ路和交流Ⅱ路进行检测，首先由电压采样板完成输入电压采样，并把采样到的输入电压值送给转换逻辑控制板，转换逻辑控制板完成输入过压、欠压判断和转换逻辑的实现并产生转换控制信号，转换控制信号被送到转换驱动板，由转换驱动板驱动相应交流接触器。交流Ⅰ路、Ⅱ路的供电状态与交流接触器的对应状态如表51所示。5.2.1信号电源系统的认知当供电部门输入的两路电源均正常时，交流接触器KM1和KM3闭合，KM2和KM4断开，转换电路选交流Ⅰ路输出，交流Ⅱ路作为备用。当检测回路检测到交流Ⅰ路出现过压、欠压、断电等情况，交流Ⅱ路供电正常时，交流接触器KM1和KM3断开，KM2和KM4闭合。转换电路选交流Ⅱ路输出。当检测到交流Ⅰ路恢复正常后，转换电路会转换回交流Ⅰ路供电。转换电路支持人工手动转换功能。无论采用何种供电方式，两路电源的转换时间（包括自动或手动）不大于0.15s，以保证转换时不影响设备正常工作，也就是常说的无缝转换。（2）直流模块和交流模块。UPS输出的380V交流电被电源屏接入各直流模块和交流模块中，这些模块可以把220V交流电转换为各种标准的电压（三相输出的模块除外），为使三相供电平衡，这些模块会根据负载情况分别接入U、V、W三相中。5.2.1信号电源系统的认知①直流模块。直流模块使用桥式整流或高频开关电源方式完成从交流电网输入、直流输出的全过程。其中，高频开关电源具有体积小、质量轻、输出功率大、方便监测与控制等优点，因此被智能电源屏采用。开关电源模块的工作原理框图如图56所示。5.2.1信号电源系统的认知其工作原理如下：•输入滤波。其作用是将电网存在的杂波过滤，同时阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。•整流与滤波。将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。•逆变。将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。频率越高，体积、质量与输出功率之比就越小。•输出整流与滤波。根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。•控制电路。一方面，从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后控制逆变器中的开关管，改变其输出的频率或脉宽，达到输出稳定；另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，为整机提供各种保护措施。5.2.1信号电源系统的认知•检测电路。除了提供保护电路中正在运行的各种参数，还提供模块各种状态信息输出，如指示灯、仪表、报警信号等。•辅助电源。提供模块中各板件不同要求的电源。•继电保护动作电路。继电保护动作电路提供电源系统的各种保护。保护方式一是动作于跳闸（KM1~KM4）；二是动作于声光报警信号；三是两者兼有，既动作于跳闸，同时发出声光报警信号。②交流模块。交流模块采用恒压变压器方式稳压，集稳压、隔离、变压于一体，具有双向滤波功能，可消除电网杂波干扰，具有良好的抗干扰能力。5.2.1信号电源系统的认知（3）监控系统。智能电源屏能实时监测到电源系统的各项运行参数、系统及各模块运行状态、告警状态、设置参数、系统配置等数据，并能集中显示出来。监控模块可根据采集到的数据对系统故障进行声、光报警，产生相应的动作，同时上报到后台主机；并可以记录系统的故障或告警信息，方便维修人员查阅和分析；通过网络，还可以把分散在各站的电源屏状态、运行参数、告警等信息集中在监控平台上显示出来。5.2.1信号电源系统的认知（4）保护系统。供电电压大于交流50V、直流120V的必须有接地线，电源系统的防雷接地和保护接地分别用不同的接地体。所有可以触及的、有导电能力的金属部分及外壳，必须使之达到电位平衡。电源系统具有过电压、过电流保护措施。当系统输入电压超出系统输入范围时，系统自动切断该路输入电源，保护电源设备；当模块输出过电压时，自身将处于保护状态，切断对外部的电源供给，保障设备的安全；当模块输出电流超出额定值，即进入限流输出状态时，输出电流仍不能得到抑制，则输出电压被切断。信号电源系统输入端配有防雷元件，甚至有些还配有多级防雷系统，保证系统在雷雨天气下仍然能可靠工作。电源屏的电磁兼容性必须达到国家标准。5.2.1信号电源系统的认知3.接口要求及相关技术参数（1）信号电源系统的接口要求。①电源屏应有两路独立的交流电源供电，并应满足一级负荷供电的可靠性要求。②交流引入有两路单相三线制或两路三相五线制。如果采用两路三相五线制，允许零线互连。③输入线的截面要求。5kV•A、10kV•A系统的输入线的截面为10mm2，15kV•A及以上系统的输入线的截面为16mm2。④地线的截面要求不小于10mm2。5.2.1信号电源系统的认知⑤电源屏能向信号系统提供电源屏相关报警信息，如系统状态（系统正常/故障）、供电状态（Ⅰ、Ⅱ路供电和UPS供电正常/故障）、各路输出状态（正常/故障）等。⑥UPS还可以通过电源屏向信号系统提供UPS工作状态信息，如电子旁路状态、蓄电池供电状态等。⑦电源远程监控接口。不同产品所使用的接口不同。（2）电源屏的主要技术参数。电源屏的主要技术参数有交流输入电压波动范围，频率波动范围，接地电阻值，Ⅰ、Ⅱ路电源转换时间，熔断器的熔断时间，电源转换效率电源转换效率=电压模块提供的瞬时输出功率/输入电源的瞬时功率×100%。等。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理1.主要不安全因素及防范措施（1）主要不安全因素。①高压②短路③雷电④模块的插拔⑤电源屏故障5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（2）安全防范措施。①防高压伤人②防电源电缆连接不正确③防雷电影响④防模块损坏5.2.2信号电源系统的维护与故障处理2.蓄电池的使用和维护蓄电池是UPS系统中的一个重要组成部分，它的优劣直接关系到整个UPS系统的可靠程度，然而蓄电池又是整个UPS系统中MTBF最短的一种器件。（1）蓄电池的检查。蓄电池都有自放电现象，如果长期放置不用，会使能量损失掉，因此需定期进行充放电。工程技术人员可以通过测量蓄电池开路电压来判断蓄电池的好坏，以12V蓄电池为例，若开路电压高于12.5V，则表示蓄电池储能还有80%以上；若开路电压低于12.5V，则应该立刻进行补充充电；若开路电压低于12V，则表示蓄电池储能不到20%。免维护蓄电池由于采用吸收式电解液系统，在正常使用时不会产生任何气体，但是如果使用不当，造成蓄电池过充电，就会产生气体，此时蓄电池内压就会增大，会将蓄电池上方的压力阀顶开，严重的会使蓄电池鼓胀、变形、漏液甚至破裂，这些现象都可以从外观上判断出来，如发现上述情况，应立即更换蓄电池。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（2）蓄电池的使用和保养。影响蓄电池使用寿命的因素有以下几点：蓄电池安装环境温度充放电电流充电电压放电深度定期保养0102030405065.2.2信号电源系统的维护与故障处理3.UPS系统使用注意事项（1）UPS主机对环境温度要求不高，在5~40℃的环境温度下都能正常工作，但要求室内清洁、少尘，否则，灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过15~30℃。温度太低，会使储能蓄电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1%。储能蓄电池的放电容量会随着温度的升高而增加，但寿命会随之缩短。如果在高温下长期使用，温度每升高10℃，蓄电池的寿命约缩短1/2。（2）主机中设置的参数，特别是蓄电池组的参数在使用中不能随意改变，否则会直接影响电池组的使用寿命。但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应的调整。通常以25℃为标准，环境温度每升高或降低1℃，浮充电压应增加18mV（相对于12V蓄电池）。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（3）在对无外电依靠的UPS系统自行供电时，应避免带负载启动UPS，应先断开各负载，等UPS系统启动后再开启负载。因负载瞬间供电时会冲击蓄电池，多负载的冲击电流加上所需的供电电流会造成UPS瞬间过载，严重时将损坏转换器。（4）UPS系统按使用要求功率余量不大，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了UPS系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，也会造成主机故障，严重时将损坏转换器。（5）自备发电机输出电压的波形、频率、幅度应满足UPS对输入电压的要求，另外，发电机的功率要远大于UPS的额定功率，如果任意一个条件不满足，将会造成UPS工作异常或损坏。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（6）由于组合蓄电池组电压很高，存在电击危险，因此装卸导电连接条、输出线时应做好安全保障，对工具应采取绝缘措施，特别是输出接点应有防触摸措施。（7）不论是在浮充工作状态还是在充电、放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。过高的电压或电流可能会造成蓄电池的热失控或失水，电压、电流过小会造成蓄电池亏电，这都会影响蓄电池的使用寿命，前者的影响更大。（8）在任何情况下，都应防止蓄电池短路或深度放电，因为蓄电池的循环寿命与放电深度有关。放电深度越深，循环寿命越短。在容量试验或放电检修中，通常放电达到容量的30%~50%即可。（9）对蓄电池应避免大电流充放电，虽说在充电时可以接受大电流，但在实际操作中应尽量避免，否则会造成蓄电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，蓄电池内阻增大，温升较高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理4.日常维护与检修（1）在正常使用情况下，UPS主机的维护工作量很少，主要是防尘和定期除尘。特别是气候干燥的地区，空气中的灰尘颗粒较多，机内的风机会将灰尘带入机内造成沉积。当空气潮湿时，会引起主机控制紊乱，造成主机工作失常，并发出不准确告警；大量的灰尘也会造成器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次UPS主机，除尘时应检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。（2）虽然储能电池组目前都采用了免维护蓄电池，但这只是免除了以往的配比、定时添加蒸馏水的工作。外部工作状态对蓄电池的影响并没有改变不正常工作状态对蓄电池造成的影响，这部分的维护检修工作仍是非常重要的，UPS系统的大量维修检修工作主要集中在蓄电池部分。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（3）当UPS蓄电池系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是UPS系统，是主机还是蓄电池组。UPS主机有故障自检功能，对更换配件很方便，但要维修故障点，仍需做大量的分析、检测工作。另外，如果自检部分发生故障，显示的故障内容则可能有误。（4）对主机出现击穿、熔断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会接连发生相同的故障。（5）当蓄电池组中发现电压反极、压降大、压差大和酸雾泄漏现象的蓄电池时，应及时采用相应的方法进行恢复和修复，对不能恢复和修复的要更换，但不能把不同容量、不同性能、不同厂家的蓄电池连在一起，否则可能会给整组蓄电池带来不利影响。对寿命已过期的蓄电池组要进行及时更换，以免影响到主机。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理5.维修技能及所需工具（1）维修技能。维修技能主要包括掌握控制面板的操作方法，能进行各种电气特性的测量，掌握系统参数的设置方法，掌握板件、模块的清洁方法，掌握查阅图样的方法，掌握板件、分立元件的拆装方法，掌握开、关机的操作方法，掌握冗余转换操作方法和应急旁路操作方法。此外，还要掌握温度检查方法和绝缘测试方法。对设备大功率部件进行温度监测，可以提前发现潜在的安全隐患和掌握系统部件老化情况。用于温度监测的元器件主要有大型变压器、大功率管、大型电容器、供电模块等。使用绝缘电阻测试仪（或兆欧表）测量电缆对地绝缘、变压器绝缘、电缆线间绝缘电阻值，使用绝缘耐压测试仪测量电缆对地绝缘、变压器绝缘、电缆线之间绝缘电阻值。（2）维修工具及仪表。常用的维修工具及仪表有万用表、示波器、钳形表、兆欧表、绝缘电阻测试仪、绝缘旋具、压接钳、扳手、红外线测温仪、试温片等。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理6.故障处理电源常见的故障主要有供电模块故障、电源转换故障、报警回路故障等，这时应根据电源的面板或指示灯提示、设备报警信息、设备供电情况，结合电源的工作原理和图样进行分析，进而查出故障的原因。（1）故障现象：有市电时UPS输出正常，没有市电时UPS蜂鸣器长鸣，没有输出。故障分析：检查蓄电池电压，看蓄电池是否充电不足；若蓄电池充电不足，则要检查是蓄电池本身的故障还是充电电路的故障。若蓄电池工作电压正常，则检查逆变器驱动电路工作是否正常；若驱动电路输出正常，则说明逆变器损坏。若逆变器驱动电路工作不正常，则检查波形产生电路有无PWM控制信号输出；若有控制信号输出，则说明故障在逆变器驱动电路。若保护电路没有工作且工作电压正常，而波形产生电路无PWM波形输出，则说明波形产生电路损坏。上述排除故障的顺序也可倒过来，有时能更快发现故障。5.2.2信号电源系统的维护与故障处理（2）故障现象：UPS蓄电池电压偏低，开机充电10多个小时，UPS蓄电池电压仍充上不去。故障分析：检查充电电路输入/输出电压是否正常。若充电电路输入正常，输出不正常，断开蓄电池再测，若仍不正常，则为充电电路故障。若断开蓄电池后，充电电路输入/输出均正常，则说明蓄电池已因长期未充电、过放或已到寿命期等原因而损坏。（3）故障现象：UPS开机后，面板上无任何显示，UPS不工作。故障分析：从故障现象判断其故障在市电输入、蓄电池及市电检测部分及蓄电池电压检测回路。检查市电输入保险丝是否烧毁；若市电输入保险丝完好，则检查蓄电池保险是否被烧毁，因为某些UPS当自检不到蓄电池电压时，会将UPS的所有输出及显示关闭；若蓄电池保险完好，则检查市电检测电路工作是否正常；若市电检测电路工作不正常且UPS不具备无市电启动功能，则UPS同样会关闭所有输出及显示。技能训练技能训练51UPS日常检查及放电试验训练目的（1）了解UPS的工作过程。（2）掌握UPS日常检查及放电试验的流程。训练设备UPS模拟仿真系统。训练内容1.UPS日常维护的主要内容（1）检查UPS的运行状态为逆变工作状态时对应的正常状态指示灯。（2）检查UPS的前后散热通道是否有足够的空间，至少保持前后1m内无障碍物。（3）检查UPS的散热风扇是否正常运转，有无异响。（4）检查UPS、UPS蓄电池柜的上方的清洁、无异物，禁止在上方放置液体类物品（如矿泉水瓶、茶杯等）。技能训练51UPS日常检查及放电试验（5）检查UPS运行噪声是否异常，与平常比较无明显的噪声加大，无明显的振动加急现象。（6）在UPS“测量画图”上查看负载百分比小于50％。（7）对比两台UPS同相之间的负载百分比不平衡度小于10％。（8）在UPS“测量画图”上查看UPS、整流器、逆变器温度显示小于55℃。（9）在UPS“测量画图”上查看蓄电池浮充电压为（393±1）V。2.UPS日常放电试验操作步骤（1）季度测试。季度测试的主要目的是让长期处于浮充状态的蓄电池通过放电、充电动作来激活蓄电池的性能。如果本季度内未发生过市电中断现象，则可以进行人为蓄电池放电测试。季度测试方法如下：①设定蓄电池放电时间。在UPS菜单中执行“参数设置”→“电池设置”→“放电测试时间”命令，设定时间可以为30min。②手动蓄电池测试。在UPS菜单中执行“系统控制”→“电池手动测试”命令，选择“ON”后确认即可。技能训练51UPS日常检查及放电试验（2）年度测试。年度测试的主要目的是检查蓄电池的容量及性能是否正常。建议选择负载非关键运行时间来完成测试。测试时必须先检查蓄电池设置参数是否正确：在UPS菜单中执行“参数设置”→“电池设置”命令，设置蓄电池低压告警电压为330V，蓄电池终止电压为300V，蓄电池充电限流为蓄电池容量的0.1C（如50A•h蓄电池的充电限流为5A）。年度测试方法如下：①直接断开UPS的整流输入开关，观察UPS“测量画面”中的蓄电池电压。②当蓄电池放电至蓄电池低压告警值为330V时，闭合UPS的整流输入开关。③在UPS“测量画面”中观察充电时的充电限流是否为0.1C的正常值，建议观察10min以上。注意事项（1）分组实验，