高速铁路客运专线信号机械室UPS的环流分析

杨 勇 上海铁路局上海高铁维修段

高速铁路客运专线信号机械室UPS的环流分析

杨 勇 上海铁路局上海高铁维修段

讨论高速铁路客运专线信号机械室UPS在并机运行中的环流及降低环流的措施以及UPS环流检查的标准。

客运专线；环流；UPS

随着我国高铁事业的不断发展，高铁信号技术也日新月异的产生着变化，高铁信号设备控制也正在由继电式联锁逐步向微机联锁设备转变，电子设备逐步的增加，例如CTC设备、列控设备、联锁设备、监测设备等等，他们都是用计算机来控制运行的，利用通信技术传输大量的信息。但是大家同时也注意到，由于计算机和通信设备等非线性负载再运行过程中所产生的谐波污染造成当今电网的供电质量的普遍恶化，大量的实践说明，电网的电压和频率的急剧波动，供电的瞬时和长期中断，在电网上面出现的各种人们无法预料的控制的干扰和高能浪涌，都有可能造成计算机硬件的损坏或导致计算机计算错误和数据丢失。所以在信号系统当中应用了UPS系统，一是应急使用，防止电网突然断电而影响正常工作，给计算机系统造成损害；二是消除电网上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、暂态过电压、电线燥声和频率偏移等电源污染改善电源质量，微计算机系统提供高质量的电源。但是如何提高UPS自身的稳定性？例如在南翔北线路所和常州城际就各发生过一次UPS设备的损坏造成的设备故障。其实根本原因还是环流“惹的祸”。

1 蓄电池环流的产生及影响

客运专线的UPS系统是由两套40块电池组串联成组后后并接起来使用的，当UPS蓄电池组并连组数过多后，在使用过很长一段时间后，电池内阻会发生变化，由于所有的电池不可能性能参数完全相同，所以各电池的内阻在经过长时间使用后，内阻值会出现较大差值，电动势随即不同。因此电池组之间的电动势可能会相差更大。组数越多，这种差异增大的机率越大。

在此时，电动势大的电池组会对电动势小的电池组放电。在并连的电池组间形成环流。当进行充电或放电时，由于内阻、电动势的不同，因此，充放电时单组电池组的电动势的变化速度也不一样，因此，在充放电过程中，这种组间环流一直存在。当组数过多后，充放电时，由于电动势的差值增大的机率较大，因此这程环流存在于每个电池组中，个别电池组产的环流极大。同时大的环流会引起发热、引起电动势较大的电池加速老化等问题。严重情况下可以造成UPS不能正常工作，从而导致空气开关跳闸和自动旁路等等故障。

2 客专信号使用的UPS产生环流分析

铁路客运专线的信号供电系统是由UPS两台并联运行的。其基本思想是每台UPS去总负载的二分之一，减轻了每台UPS的负载，相对满载运行可靠性有所提高；当一台UPS损坏时自动退出，另一台承担全部负载，又提高了整体的可靠性。这种联接方式被称为热冗余。

两台UPS并机运行中的环流历来是困扰电源稳定运行的难题。假定两台UPS输出存在相位差T，就某一瞬间t1，U1>U2。两UPS同时向同一负载供电，假设两台UPS的内阻一样的大，即Z1=Z2=Z，I1为主机的电流，I2为并机的电流，Z3为负载的电阻，I3为负载的电流，U1为主机输出的电压，U2为并机输出的电压。

可以得到方程组：

由上述公式可知：

（1）空载时I3=0,I2=-(U1-U2)/(Z1+Z2)。因为U1>U2，I2<0。I2为负说明实际方向与标定方向相反，也就是说不是流向负载，而是流向内部，形成环流。环流破坏电源的稳定性，严重时会使损坏。

（2）当负载较轻，即较小，或两电源差较大，也会出现负值，形成环流。同时，当电源阻抗较小时，环流有增大的趋势，这就是大功率电源轻载运行时环流问题十分突出的原因。

（3）当U1=U2时，I2=I3Z1/（Z1+Z2），两电源均匀向负载供电，不存在环流。

（4）当两电源差固定，若负载电流增大到一定量时，I2为正，说明U2向负载供电，环流为零。公式说明，增大负载可有效地抑制环流。

（5）仅仅是由于两电源的输出电压（两电源的相同差为0）引起的环流，总是保持一个方向；而由于相位差所造成的环流是相互的。UPS当电源阻抗为0.1倍负载阻抗时，由于相位差引起的环流规律见表1。

表1 相位差变化导致环流变化情况统计表

表1中，电压差可由余弦定理推算出。

理论和实践均证明，由于相位差引起的两机电位差4 V时，环流占额定负载的9%，也就是说，必须加10%以上的负载，才能使系统进入稳态。

3 客专信号降低UPS环流的措施

降低环流的主要措施是降低两台UPS的输出电压差，我们高铁段为了减少电池老化带来的影响，已经对全线的UPS电池组合电容进行了更换，努力做到UPS两台机器的电压差降到最小。并且在苏州新区站试点进行安装电池监测系统，在线监测电池的容量和内阻等参数指标。

利用UPS检修调试工作减少并机输出的相位差，要求主机正常后，闭合主机输出开关，在从机输出开关上下口测量从机相位，并调整其相位，使两机输出电压差在3 V以内。由于环流是快速的电流涌动，最好用指针表测量，以便更好地观察到变化趋势。如果旁路电压稳定，两机的同步电压可在2 V以内。

每台UPS与外电的同步要尽可能小，一般应在3 V以内。如果旁路电压稳定，通过仔细调整同步电压可在1 V以内。这是因为UPS每一定时间要对电池进行检测，即要关断可控硅，用电池供给负载能量。若此时输出电压发生变化会引起环流。

空载时，两台UPS的输出电压差在0.5 V以内（此项为单独测量每一台UPS，不考虑相位）。在额定负载时，输出电压应与空载时一致。

4 加强对日常检修的监测工作，判定UPS系统是否稳定，发现问题及时处理

通过观察UPS的报警屏显示可以发现设备是否正常，一般来讲系统是否稳定主要由以下几个方面来判定：UPS环流在2 A以内；所有UPS在电池检查时，环流不应有大的变化；由于空载时直流电压的变化全面地反映了环流的涌动状态。其原因是，环流是能量的反馈，接受能量的UPS将接收的交流电压通过与IGBT并联的二极管整流，形成直流电，向滤波电容充电，使直流电压升高。由于并机用于高铁信号行业，机内装有反向二极管，反馈能量不可能被电池吸收，因此，直流电压的变化是十分明显的。通过检修时的测试要求空载时直流电压瞬时突变不应越到275 V以上。

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2015-12-03