铁路信号电源供电系统

铁路信号电源稳定性解析与思考主讲人：CONTENTS目录铁路信号电源系统概述1智能电源屏工作原理4智能电源屏特点及主要功能23智能电源屏的可靠性、稳定性、安全性不间断供电单元（UPS）5第一部分铁路信号电源系统概述1.1铁路信号电源系统设备组成铁路信号电源系统设备组成如下图所示：主要由输入配电箱、信号电源屏、不间断电源（UPS）单元、蓄电池组等功能单元组成。1.1铁路信号电源系统设备组成UPS蓄电池电源屏。1.1铁路信号电源系统设备组成1.2铁路信号电源的三大基本要求1.3铁路信号电源供电的基本标准1.4铁路信号电源屏的发展（四个阶段）60年代自耦变压器式70年代感应调压器式21世纪智能电源屏90年代无触点补偿式第一代出现于20世纪60年代后期，一般采用工频变压器加相控整流器来完成电气隔离和电压变换任务。特点：简单实用，满足当时供电需求，但系统大且笨重，转换效率低，动态响应速度慢，无抗干扰能力。第三代90年代,采用微电子补偿式(无触点自动补偿稳压器)来进行调压,通过“多路全桥功率电路”来控制多个无触点开关的通断取得正负补偿电压。特点：可靠性高,整个补偿系统无触点,无机械传动。响应速度快且稳压精度高。第二代70到80年代,，采用自动补偿稳压器、铁磁谐振稳压，利用非线性元件对电路中的电压和电流进行调整,实现输出电压稳定。特点：稳压精度高，但响应速度慢。第四代90年代后期起,针对其制式单一、种类繁杂,不适应铁路信号新装备技术的发展,多家企业和研究所于开始论证,开发和研制了铁路信号智能化电源屏,2000年第一套智能化电源屏通过了原铁道部技术鉴定。2005年12月22日印发了《铁路信号智能电源屏技术条件》(暂行),统一了标准,规范了功能,提高信号设备供电的可靠性,便于电务维护与管理。1.4.1第一代智能电源屏

第一代智能屏优点：1）采用电力电子技术，从工频技术转向高频开关技术，交流采用交直交变换，直流采用高频开关电源，提高了产品的技术含量和功率密度。2）采用工业计算机/单片机为核心的智能监测系统进行智能监测和数据记录，网络传输。3)整机进行模块化设计，模块采用热插拔技术，便于扩容、系统配置灵活，便于设备的快速维修和故障处理。4)电源模块采用"1＋1"或"n＋1"冗余方式热机备用。提高了系统的安全性，稳定性。1.4.1第一代智能电源屏

第一代智能屏缺点：1）没有统一的、确切的定义，没有统一的、有针对性的设计规范和标准。2）盲目追求高新技术，技术冒进，在设计生产中大量使用未经验证的技术，造成后续大面积的故障和隐患。3)生产工艺不过关，致使各种参差不齐的技术和质量的信号电源产品上道使用。4)智能化电源屏制式种类繁多，工作原理各异，外形结构五花八门，高度尺寸不一，颜色眼花缭乱。各厂家各自独立、互不交流，产品不能互换使用。5）故障事故频发，严重的造成延时、停车，甚至出现火灾险情。为行车安全带来重大事故隐患1.4.2第二代智能电源屏（统一标准）

第二代智能屏随着智能电源屏的大量上道使用、经验与问题的积累，2015年铁道部发布《运基信号【2005】458号<铁路信号智能电源屏技术条件>（暂行）》统一了智能电源屏的设计生产标准，统一了各厂家同功能模块的互换使用要求，规定了与微机监测设备之间的接口，对设计生产单位提出了相应的要求、配套行政许可制度，规范了设计生产厂家。经过各厂家的多年努力，采用的技术不断改进提高，技术及生产工艺越发成熟，使得智能电源屏制式趋于统一，不同厂家之间的部分模块具备互换使用的能力，减小了现场维修及备件压力，产品的故障率显著下降。1.4.3高铁时代智能电源屏

高铁时代智能屏随着铁路客运专线的大批建设，信号电源屏前置大功率UPS方式，在铁路客运专线信号电源系统中得到广泛应用。其中前置大功率UPS并接、直流模块并联冗余输出、交流模块单元主备转换输出以及交直流模块(三相转辙机电源除外)完全实现不间断供电等，成为客运专线信号电源屏系统的主要特征。普铁智能电源屏客专电源屏第二部分智能电源屏特点及主要功能2.1铁路信号智能电源屏特点重量轻具有智能监控功能易扩容易调试稳定性强功耗低体积小与传统的电源相比,开关电源具有体积小、重量轻、节能、功率因素高、便于集中监控、噪声小和扩容容易、调试简单等优点。节能噪声小功率因素高2.3铁路信号智能电源屏结构一览输入配电单元及内部元件模块单元输出配电单元及内部元件输入、输出防雷单元（在设备背部）监测单元输出端子回路指示灯输出断路器输入断路器电压传感器采集板2.4铁路信号智能电源屏常见负载及输出电压第三部分智能电源屏的可靠性、稳定性、安全性3.1可靠性保障可靠性是评价产品质量的一项重要指标，它是指产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。3.2稳定性保障对于智能电源屏的稳定性要求，必须满足信号设备供电电压的允许波动范围及交流电源的频率波动范围；三相交流供电时各相负载应力求平衡，以提高供电效率和设备利用率，减小电压波形的畸变。措施主要从以下几方面考虑：·系统方案方面：采用并联、降额、冗余等措施，减少串联方式。·对于机柜、电缆、变压器、断路器等长寿命器件，在选型时充分考虑到长时间使用的因素：机柜的强度、表面处理进行严格控制，机柜支撑部件选2.5-3mm的冷轧钢板，机柜整体采用镀彩锌、磷化、喷塑处理；接线端子上的电线不小于2mm；变压器的铁芯、铜线、绝缘耐压都有严格的要求。·对于无源器件，主要考虑功率足够大，且散热方式好。·对于维护要求，通过模块化设计使维修过程简单化且时间极大缩短。·对于专业技术服务，提供厂家咨询、技术指导、操作培训、软硬件支持（包括软件修改、硬件维修及更换），也是稳定性的一种保障。第四部分智能电源屏工作原理4.1铁路信号智能电源屏工作条件温度高度湿度电气参数周围空气温度上限为+40℃，而且24H内平均值不超过＋35℃；周围空气温度下限为－5℃；（-20℃模块应能正常开机）空气相对湿度在最高温度为＋40℃时不超过50％；在较低的温度下可允许有较高的相对湿度，最湿的月平均温度不超过＋20℃，该月的月平均最大相对湿度不超过90%，但应考虑到由于温度的变化，有可能偶然产生的凝露。安装地点的海拔不超过3000m；海拔过高会影响电源屏的散热、绝缘等性能。4.2铁路信号智能电源屏工作框图（并联冗余配电构架）4.2铁路信号智能电源屏工作框图（双总线冗余配电构架）双总线冗余配电架构应符合以下规定：a）电源系统除监测单元及交流转辙机外其余单元可组成2个相互独立的A、B系统；两系统互为冗余；b）两个系统（含内部静态开关、总开关，电源模块、不间断电源单元容量等）都应能独立满足负载供电最大供电容量。4.2铁路信号智能电源屏工作框图（双总线并联冗余配电构架）双总线并联冗余配电架构应符合以下规定：a）电源系统除监测单元及交流转辙机外其余单元可组成2个相互独立的A、B系统；两系统互为冗余；b）两个系统（含内部静态开关、总开关，电源模块、不间断电源单元容量等）都应能独立满足负载供电最大供电容量。c）A、B系统内的不间断供电单元应按1+1并联冗余设置。4.2铁路信号智能电源屏工作框图（交流集中稳压配电构架）4.2铁路信号智能电源屏工作框图（交流分散稳压配电构架）4.4两路输入切换原理“H”型切换“Y”型切换根据铁标要求，两路交流电切换时间要求保证在150ms以内，目前业内存在的典型的切换方式常见有“H”型切换和“Y”型切换两类。“H”型切换系统是两路输入电源同时使用互为主备，“Y”型切换系统，则是使用一路，另一路电源备用，当使用电源故障时则自动切换至另路电源工作。可以确保输入切换时主备模块总有一个模块输入不间断供电由于有优先级切换，当其中一路输入电源故障恢复时，会增加一次切换。两路互为主备，自动切换系统切换时，模块输入瞬间掉电两路互为主备，自动切换，但切换后需要手动恢复由于属于无主切换，不会引起反复切换的可能4.4.2“Y”型切换原理“Y”型切换原理

QF1～QF2为断路器，KM1、KM2为交流接触器，KM1、KM2具有电气和机械互锁特性。正常供电的情况下，KM1吸合，KM2断开，由第一路输入给后续模块供电。在第一路输入不正常时，KM1断开，KM2吸合，由第二路输入给后续模块供电。在KM1、KM2切换的过程中，模块输入端由于交流接触器的切换有短时间的断电，但因为电源模块在设计时采用了PFC技术，使得模块具有短时的记忆存储功能，保证了模块的对外输出不间断。在切换系统故障时直供开关K1、K2可以实现第一路输入或第二路输入直供供电。4.5稳压原理铁磁谐振稳压（磁饱和稳压器、恒压变压器、参数稳压器）是利用电磁原理进行稳压，由非线性电感与电容组成串连或并联电路，通过改变外加电压使得电路达到谐振，线圈的铁芯就处于深度饱和状态，对外电压的变化十分“迟钝”，利用这种特性进行稳压。优点：抗干扰能力强，安全系数高缺点：噪音大、损耗大、温升高、谐振电容需要频繁更换等自动补偿稳压（机械调压型稳压器、感应调压器稳压器）其稳压方案主要是以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的绕组滑动面上移动，以改变Vo对Vi的比值，以实现输出电压的调整和稳定。优点：结构简单，造价低，输出波形与输入波形一致缺点：碳刷移动接点易产生电火花，造成电刷损坏以致烧毁而失效；电压调整速度慢，故障率高微电子补偿式稳压（无触点自动补偿稳压器）是在相线中串入升降压变压器，由智能单元在模块输出端采样输出电压，判断输出电压是否超出设定电压范围，过低则将适当的变压器同相开关打开在次级得到适当的与输入电源同相位的电压叠加于相电压上，从而提升输出电压；过高则将适当的变压器反向开关打开在次级得到适当的与输入电源相位相反的电压叠加于相电压上，从而降低输出电压。优点：成本低、可靠性高、单机容量大、效率高缺点：响应慢、不能连续稳压、自身带来电源扰动开关电源稳压（PFC）采用整流技术、逆变技术、PFC（功率因数校正）、PWM（脉宽调制）变换技术、电子锁相技术、DSP等技术使电源完成交流-直流-交流的变换过程。由于其有交流-直流的变换过程，所以其输出电源不受输入电网的波动、突变等的影响，输出稳定可靠，成为信号智能电源屏的主流稳压方式。自动补偿稳压铁磁谐振稳压微电子补偿式稳压开关电源稳压因铁路电网供电质量不高，电源屏作为为设备供电的设备，要求能起到稳压的作用，以满足信号设备供电质量的稳定/安全/可靠性的要求，其发展如下：4.5.2开关电源稳压原理（交流-交流）

采用PFC技术（有源功率因数校正），功率因数大于0.99

具有短路回缩特性，可以长时间短路交流模块主备工作，切换间断时间小于150ms

自然冷却，长寿命无尘设计内置监控板，工作状态实时监测

EMC技术开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。4.5.3开关电源稳压模块特点开关电源稳压模块模块采用“1+1”热备份，可靠性高；模块的智能化可以自身监控模块内部整流、滤波、PFC、逆变等各个环节，便于用户维护电磁兼容，可以有效阻止静电放电的发生；模块内部PFC电路可有效提高功率因数，同时也避免供电与设备之间的相互干扰缺相保护，系统内部有电压检测电路，当输入电源缺相时，能自动报警并切换到另一路，且没有相序要求，相序可以随意互换具有过欠压保护，系统内部监控模块可以设置输入电源过欠压告警点和过欠压点，超过设置点系统分别会进行声光报警和自动切换电源操作全电子化设备，体积小、重量轻、无噪声，效率高、空载电流小、备用模块耗电小，输出精度高，动态响应快，工作电压范围广（220V±30％）4.5.4开关电源模块组成4.5.5几种常见的开关电源模块4.6监测采集工作原理监测采集系统由监测模块、采集单元、传感器组成。监测采集系统采集的电源屏数据信息模拟量两路外电网输入电源电压、电流、频率、相位；各束输出回路电压、电流；25Hz轨道、局部频率、相位差；（中继站没有25Hz电源）开关量电源屏各模块状态输入防雷单元开关状态UPS维修旁路开关状态接收UPS上传数据UPS工作状态UPS输入输出模拟量数据UPS工作告警信息具备功能：实时监测系统的输入输出参数、运行状态；故障自诊断、故障定位、故障信息记录、声光告警；环境模拟量监测，包括温度、烟雾、水浸、门禁等。4.6监测采集工作原理监测单元实时显示电源屏的运行情况，存贮历史信息；发生故障时，在本地报警提示，并上传到微机监测系统4.7防雷系统电源屏中的防雷按照LZP2区设置输入防雷输出防雷4.7防雷系统第五部分不间断供电单元（UPS）5.1UPS电源的基本原理5.1UPS电源的基本原理其电气原理如图，由四大部分组成。整流逆变旁路电池5.2UPS的工作模式主路模式主路模式为UPS正常工作模式，主要工作过程为：AC输入电压经过整流器整流，转换为DC电压；DC电压经PFC电路升压为母线（BUS）电压后，一部分经DC-DC电路，给电池充电，另一部分再经逆变器逆变，由DC又转换为AC电压输出。经由两级变换以后，能得到精度和质量都较高的输出电压，有效防止输入谐波、