轨道交通信号系统用不间断电源技术要求探究

前言： 

当前我国轨道交通正处于蓬勃发展态势，目前已有30个城市共计140多条线路开通了轨道交通，运营线路总长度已超过5000公里，仅珠江三角洲城市已开通十八条轨道交通线路。此外，目前已有58个城市的城轨线网规划获批通过立项，到2025年，我国轨道交通线路将达到7500公里以上。以后轨道交通线路站点密度将不断增加，列车运行不断提速，对行车的安全性和可靠性也将提出更高要求。

在此，针对地铁信号电源系统维护、升级改造、新线建设的技术条件要求进行简单探究，希望能为轨道交通系统的安全运行提供一些参考。

一、概述

（一）轨道交通信号系统简介 

1、轨道交通信号自动控制系统（ATC）主要由自动监控系统（ATS）、自动防护系统（ATP）、自动驾驶系统（ATO）组成,是保证列车运行安全，实现行车调度指挥和运行高效自动化的重要系统，必须满足“局部故障——系统安全”的铁路设计、建设要求。

2、信号电源设备为信号系统运营提供高可靠的供电保障，信号系统供电电源必须按一级负荷供电，在每个地铁站点均设置两路不同市电线路同时给信号系统电源供电，有效提高电力供电的安全保障。我国早期地铁信号系统电源设备均依赖国外厂商提供及建设。

3、轨道交通项目明显区别于国家铁路项目，对供电系统切换时间、切换频繁度的要求更高，运营中不允许电源供电系统由于设备故障或设备切换出现短时停电情况，目前繁忙的北京地铁一二号线列车进出站的时间间隔已缩短至每趟2-3分钟，根本不允许有任何设备切换的停电空间。 

4、不间断电源系统在传统意义上主要有三大功能：后备供电、输出稳压和滤波净化作用，近年来随着电力供电环境的不断改善、各类运营自动控制设备的日益增加，不间断电源在轨道交通信号系统所体现重要作用的次序也逐步发生改变。 

1）首先是滤波净化作用，不间断电源可以消除电网带来的雷击浪涌突波、瞬间高低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量，为信号系统提供高质量的供电电源。 

2）其次是稳压/稳频作用，不间断电源通过逆变方式将整流器直流电源变换成稳压/稳频的交流电输出，为信号系统提供高精度的稳压/稳频电源； 

3）最后才是后备供电作用，当市电停电后不间断电源通过电池逆变保持输出供电，维持信号系统可以继续工作一段时间，完成必要的列车运行自动控制功能并安全疏导旅客。  

（二）信号系统电源设备故障分析 

1、在轨道交通信号系统每年发生的故障当中，据统计不间断电源设备故障所占比例超过40%，电源设备发生故障时往往会造成信号系统设备断电并停止正常运行，当电源设备由于过流、过热、爬电跳火可能会出现冒烟、着火现象，严重的还会造成设备机房发生火灾的重大事故，导致地铁车站需立即关闭停止使用。 

2、在信号系统设备发生故障的原因当中，也有超过40%以上是由于电源设备工作异常或者未能有效起到应有的供电保护作用而导致的，主要是防雷击、抗干扰等保护措施不到位、不完善，外来的强干扰信号容易窜入信号系统中干扰信号设备的正常运行，会出现错误报码造成交通指挥信号出错导致列车运营事故的发生。 

3、不间断电源一般是按照条件良好的通信计算机机房环境而设计，不能适应轨道交通线路比较恶劣的外部环境，特别是在高低温、高湿热、高海拔的工作场所，电源设备往往会由于超范围工作而出现频繁保护或发生电源供电故障，会影响到信号控制设备的正常运行，导致信号控制系统（ATC）需应急采取人工调度、人工驾驶列车方式进行运行。 

4、信号系统重大事故案例回顾

1）1995年11月5日，某地铁2号线发生重大追尾撞车事故，造成35人受伤，两辆列车严重损毁报废，事故造成二号线全线停运5小时及巨大经济损失。事故发生原因：由于信号设备发生故障，前方列车在行车区间停车等待放行信号，当后上列车发现停车信号时刹车不及，造成两辆列车追尾剧烈撞击的重大安全事故。

2）2007年12月8日，某地铁2号线雍和宫站发生火灾，事故造成信号系统设备烧坏，雍和宫站封站停运2天抢修恢复，造成重大经济损失。事故发生原因：由于信号电源设备电气线路局部绝缘击穿导体相碰发生打火现象，引起设备内部电缆燃烧，导致信号机房电源设备、蓄电池组及相关控制设备严重烧毁。

3）2009年12月22日，某地铁1号线发生列车侧向相撞事故，造成十几人受伤，列车车头、车身严重损坏。事故发生原因：由于信号系统电源发生断电故障，地铁应急采取人工调度、人工驾驶方式继续运营，又因列车驾驶员违规变换道岔驶入对向路轨，刹车不及撞上另一辆正常行驶列车酿成本次重大事故。

4）2011年7月23日，动车线路某路段发生动车追尾撞车特大事故，事故共造成40人死亡、100多人受伤，并造成非常巨大的经济损失。事故发生原因：由于线路感应雷击浪涌电压造成信号系统监控设备故障，引起行车区间闭塞控制信号失效，导致后上列车未及时得到正确停车信号继续前行，追尾撞击前面未及时撤离列车，最终酿成本次罕见的特大交通事故。

5） 2011年7月28日，某地铁10号线发生匪夷所思的列车反向行驶事故，本应开往航中路方向的列车，却反方向朝着虹桥火车站方向开出，并造成整条线路列车延误。事故发生原因：因10号线信号系统实施CBTC信号后受到电源供电干扰发生信息阻塞故障，导致列车自动驾驶系统（ATO）发出反向错误信号，列车按照此信号自动反方向行驶。

6）20011年9月27日，某地铁10号线发生列车追尾撞车重大事故，造成270多人受伤及重大经济损失，也是我国地铁运营历史上受伤人数最多的一次安全事故。事故发生原因：主要是由于信号系统不间断电源设备发生断电故障，造成信号控制系统（ATC）停止工作，在应急采取人工调度、人工驾驶列车方式进行运营时，由于相关人员人为疏忽刹车不及导致追尾猛烈撞击前面未及时撤离列车并造成重大事故。

（三）轨道交通信号系统不间断电源选用情况 

1、 高频UPS和工频UPS的区别

表1  高频UPS和工频UPS优缺点比较表（仅供参考）

2、带输出隔离变压器的工频UPS在轨道交通信号系统中的突出优点：

1） 降低输出零地电压，优化UPS输出末端供电网络。

由于隔离变压器的副边绕组采用Y型接法，中性点接地后产生新的零线，从而达到降低输出零地电压的目的，信号系统因为要保证高可靠性的监测及数据处理信号传输能力，都会对零地电压有极高的要求，因此，降低零地电压就能满足这类信号设备的要求。

2） 滤除输出负载端谐波，提高输出供电质量。

采用电源隔离变压器，可以有效抑制串入交流电源中的噪声干扰及雷波冲击，消除干扰，提高设备的电磁兼容性能。 

3）增强输出过载保护能力，有效安全保护负载设备。

UPS在正常工作过程中，如果遇到较大的短路性冲击电流，变压器会产生反向电动势，延缓短路电流对负载以及逆变器的冲击破坏，达到有效保护负载设备与UPS主机的作用。 

4）“通交流隔直流”作用，在逆变器故障时有效保护负载设备。

对于高频机，由于无输出隔离变压器，一旦逆变桥臂的IGBT被击穿短路后直流母线上的高压将会直接加到负载上，危及负载设备的安全，输出隔离变压器具有的“通交流阻直流”的能力，可以解决此类问题，在逆变器发生故障时高压直流不会冲击负载设备。

实际上，工频机和高频机都各有不同的特点，孰优孰劣很难一概而论，可以说各有利弊，轨道交通信号系统应根据运营线路站点的供电环境、负载设备特性要求来配置合适的不间断电源供电保障系统。

二、信号系统供电不间断电源技术要求分析 

 （一）环境适应性基本要求 

环境适应性是信号系统设备的重要质量特性，在其使用寿命周期内在各种极端环境条件下实现其所有预定功能的能力，当工作环境条件变劣并超出不间断电源设备的最大承受能力时，电源系统的稳定性会显著下降，设备故障率也会上升，导致信号系统容易发生安全事故。应按照信号系统工程环境的要求，从技术设计、材料选用、生产质量和建设施工等各个环节严格管控，提高不间断电源的环境变化适应能力，才能有效保障信号系统设备的安全运行。

我国不间断电源行业主要执行《GB-T 14715-1993信息技术设备用不间断电源通用技术条件》（国家标准）及《YD/T1095-2008通信用不间断电源》（行业标准）这两个标准，其中行业标准技术要求高于国家标准，在此以行业标准作为信号系统的参考技术标准进行分析。

表2   轨道交通信号系统用不间断电源环境适应性能表

（二）电气性能基本要求 

轨道交通信号系统用不间断电源主要目的是为信号系统设备提供高可靠的不间断供电及足够的保护保障，应对电源的设计、材料、结构、试验、技术、使用条件提出了严格的要求，在轨道交通运营条件下能满足信号系统正常使用的电气性能要求。 

表3 轨道交通信号系统用不间断电源主要电气性能表

（三）主要功能要求

轨道交通信号系统用不间断电源应提供完善的监测、保护功能，采用智能化、网络化高效管理模式，当系统出现故障时马上发出告警信息并及时处理消除各种安全隐患。

表4 轨道交通信号系统用不间断电源主要功能表

作者：李振强

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