通信電源配套ATS高可靠改造與展望

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通信電源配套ATS高可靠改造與展望

鐵路系統(tǒng)因調(diào)度、通訊、信號的需要，對電源要求嚴苛，不僅配了雙市電自動切換（優(yōu)選質(zhì)量好的那路，兩路都正常則選第一路），而且后備蓄電池組（切換期間或切換失敗供電），并為電源適配器配置了后臺監(jiān)控（發(fā)現(xiàn)問題及時排查）；
依據(jù)歷史數(shù)據(jù)，兩路市電同時停電的概率極小（基本可以忽略不計），配的蓄電池也主要是為了兩路交流電相互切換間隙的供電、故障期間供電；
這樣的配置，表面上是非常可靠，但一些歷史教訓(xùn)證明這樣的高可靠是偽命題！本文討論鐵路電源適配器存在的缺陷并提出優(yōu)化方案（本文拋開其他因素，僅從電源適配器本身尋求優(yōu)化）。
二 ATS原理
2.1 ATS功能
熟悉配電系統(tǒng)的都知道，兩路交流輸入因相位、電壓、頻率不同步，是不能直接并聯(lián)的，兩路交流電送入系統(tǒng)后會經(jīng)過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic transfer switching equipment，簡稱ATS）的裝置進行切換，將負載電源適配器從一路輸入自動換接至另一路電源適配器，以確保重要負荷連續(xù)、可靠運行，ATS常常應(yīng)用在重要用電場所，其產(chǎn)品可靠性尤為重要；

圖2.1 ATS系統(tǒng)原理
2.2 ATS分類
ATS分PC級、CB級、CC級三種
2.2.1 PC級：雙電源適配器切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快（120ms—250ms）、安全、可靠等優(yōu)點，但需要配備短路保護電器，價格在萬元級。
2.2.2 CB級：由兩臺斷路器+機械連鎖+驅(qū)動組成，配備過電流脫扣器，具有短路保護功能，相對PC級價格低，適合切換時間要求不高場合，價格在千元級；
2.2.3 CC級：由兩個交流接觸器、機械互鎖機構(gòu)、檢測與控制電路板組成的一個系統(tǒng)，用于設(shè)備級小功率場合，沒有過流保護功能，可靠性較低，切換時間也較長，價格在百元級；
2.3 當前使用ATS可靠性分析
目前基站開關(guān)電源適配器內(nèi)置ATS，如果非訂制產(chǎn)品，基本為CC級的；
2.3.1 先分析一下CC級ATS用的交流接觸器；
功率觸點：因接通與斷開觸點瞬間會產(chǎn)生電弧，電弧對觸點有一定燒蝕，因此觸點操作次數(shù)是有一定壽命的，使用時間越長越易損壞；
線圈：原理類似繼電器，由線圈產(chǎn)生磁場吸合鐵芯從而使端子吸合，為了產(chǎn)生足夠的磁力，需要通過一定能量的電流，通過紅外掃描會發(fā)現(xiàn)線圈部分溫升很高，長期工作溫度可能達20度甚至30度（參考圖2.3.1），溫升會加速內(nèi)部活動部件失油、會讓功率觸點加速氧化、會使線圈絕緣狀況惡化，因此本身可靠性就不高；

圖2.3.1 對運行接觸器紅外熱成像掃描
2.3.2 控制電路：對ATS可靠性至關(guān)重要，直接決定切換成功與失敗，依據(jù)以往維護經(jīng)驗，故障率很高，特別是用在山上（雷擊）、海邊區(qū)域（腐蝕）；
2.3.3 機械互鎖機構(gòu)：雙電源適配器ATS兩個交流接觸器拼裝而成，為了防止誤動作（同時吸合），兩接觸器中間有一個機械互鎖裝置，在長期高溫環(huán)境中，易缺油卡死；
2.3.4 電氣互鎖機構(gòu)：為了充分保證可靠性，兩接觸器還有電氣互鎖功能：一個交流接觸器的線圈控制電壓需經(jīng)過另外一個交流接觸器的常閉觸點，也就是說，如果要接觸器1吸合，接觸器2必需處于斷開狀態(tài)（也就是說常閉觸點閉合），如果接觸器2常閉觸點氧化或其他原因斷開，則接觸器1永遠無吸合可能（參考圖2.3.4）；從圖2.3.4也可看出，CC級ATS接線較復(fù)雜，互鎖裝置裝配有難度，所以因故障導(dǎo)致的維護時間也會較長，對維護人員技術(shù)水平要求也高，直接結(jié)果是故障恢復(fù)時間長；

圖2.3.4 交流接觸器組成CC級ATS接線圖
2.3.5 采樣電路：ATS控制電路會依據(jù)采樣電路送來信號對交流電源適配器進行判斷，決定使用哪路交流電，因此送來的采樣信號對ATS工作也有很大影響；
2.4 可靠性分析（只分析相關(guān)部分，對其余配電因素不考慮）
發(fā)現(xiàn)有配一組蓄電池組的站點，我們以配一組蓄電池配ATS與配兩組電池不配ATS分析可靠性差異；
2.4.1 由上面分析可知，CC級ATS本身就是一個精密控制系統(tǒng)，有采樣電路、控制電路、互鎖機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)，任一個部件有問題都會導(dǎo)致切換失敗（切換失敗直接結(jié)果就是：有電不能用），假設(shè)交流接觸器線圈本身可靠度為R1、機械互鎖機構(gòu)可靠度為R2、電氣互鎖機構(gòu)可靠度為R3、控制電路可靠度為R4、采樣電路可靠性為R5，假設(shè)每個的可靠性均為0.98，則ATS系統(tǒng)可靠性為：
Rats=R1*R2*R3*R4*R5=0.99*0.99*0.99*0.99*0.99=0.95099
2.4.2 一組與兩組蓄電池可靠性分析

圖2.4.2 兩組蓄電池可靠性模型
假設(shè)單蓄電池組可靠性為0.99，則兩組并聯(lián)可靠性：
R=【1-(1-R1)*(1-R2)】=1-(1-0.99)*(1-0.99)=0.9999
可見通過電池并聯(lián)，可大大提高系統(tǒng)可靠性，所以在配置時，建議選配兩組蓄電池；
2.4.3 以配ATS&配一組蓄電池分析，假設(shè)整流模塊組的可用性為0.9999，系統(tǒng)模型：

圖2.4.3 CC級ATS配單組蓄電池系統(tǒng)可靠性模型
Ra=0.95099*0.9999*0.99=0.94134
2.4.4 以不配ATS&配兩組蓄電池分析，整流模塊組可用性仍為0.9999，系統(tǒng)模型：

圖2.4.4 不配ATS并配兩組蓄電池系統(tǒng)可靠性模型
Rb=0.9999*0.9999=0.9998
2.4.5 兩組方案不可靠度對比
（1-0.94134）/(1-0.9998)=0.05866/0.0002=293倍
可算出采用ATS與配一組蓄電池與不采用ATS配兩組蓄電池的不可靠性相差293倍，依據(jù)以往的維護經(jīng)驗，ATS在實際應(yīng)用中間也確實是存在不少問題，需要投入大量的人力與物力（配后臺監(jiān)控等），在極端情況下：兩路市電都正常，ATS損壞，模塊不能工作，蓄電池組放電，電池組異常導(dǎo)致來不及搶修而宕站；
對于蓄電池組的配置，不再深入討論（增配即可），下面主要討論一下CC ATS的優(yōu)化問題；

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| 發(fā)布時間：2018.06.25 來源：電源適配器廠家

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