静态转换开关（STS）在铁路信号电源系统中的应用
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静态转换开关（STS）在铁路信号电源系统中的应用
摘 要：《国铁集团工电部关于加强铁路信号电源系统设备技术管理的通知》中要求：高速铁路以及普速铁路大型客运/枢纽车站、驼峰的信号信号电源系统设备，应采用双总线冗余配电架构。静态切换开关（STS）在双总线配电架构中的应用可有效解决单电源信号设备的输入电源冗余问题。本文首先对STS的工作原理进行阐述，重点介绍其器件SCR原理、输入电源切换、互锁机制等，同时结合双总线冗余配电架构对STS静态转换开关在铁路信号电源系统中的应用进行详述。
关键词：铁路信号电源系统 双总线冗余配电架构 静态装换开关 应用
一、简述
静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）是指在两路电源供电系统之间切换的开关电子设备，主要用于两路电源供电切换，为电源二选一自动切换系统。STS在两路交流电源构成的双总线供电系统中承担着检测、切换的重要任务。正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动并迅速切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载自动切换回主电源。通常情况下，静态转换开关可在小于10ms的时间内将电源自动切换到一个稳定的备用电源，不会造成IT类负载断电。STS采用先断后通的切换方式，一路电源出现故障，STS可以继续由另一路可用电源向设备供电。一旦出现短路，STS将确保故障不会延伸影响到备用电源，从而保证继续向设备供电，适合用于UPS与UPS，UPS与发电机，UPS与市电，市电与市电等任意两路电源的不断电转换。因其快速负载切换的特性，STS已经广泛应用于要求极高供电可靠性的高端不间断供电领域，如计算机中心，互联网数据中心、电信、金融数据中心及工业过程控制中心等，利用快速的负载切换功能保证设备能够在主电源发生故障时保障不间断运行，给设备提供稳定的、高质量的交流供电。 二、STS工作原理
1.STS组成
STS的主回路主要由输入开关、输出开关、旁路维修开关以及由可控硅（SCR）构成的静态切换开关组成。STS的核心电子器件是可控硅（SCR），下面详细阐述一下可控硅的工作原理，从而可论述STS的工作原理。
2.SCR原理
可控硅（Silicon Controlled Rectifier）简称SCR，由硅半导体材料制成，是三端四层半导体开关器件，一般由两晶闸管反向连接而成，具有体积小、效率高、稳定性好、寿命长等优点。当交流电（AC）正弦波穿过零点时，SCR的阀门会自动关闭，此时，SCR处于阻断状态，当收到新的门极电压信号时，SCR再次导通。在任何情况下，SCR都不允许有反向电流从阴极流向阳极，故需要将两个SCR反向连接，以保证导通整个正弦波。STS的两路输入电源均通过开关直接连接到SCR中，SCR的控制部分控制SCR的导通与关断，从而确保在同一时刻下，只有一路电源能够接通SCR组并输出为用电设备供电。
3.STS工作模式
STS具有手动切换、自动切换和紧急切换三种电源转换模式。日常运行时是自动切换模式，当优选源发生异常，而备选源正常，则STS自动切换到备选源供电。STS自动切换到备选源供电后，如果优选源又恢复正常，STS会再次回切到优选源供电。手动切换则是指用户直接在用电设备端或者通过远程转换控制软件对STS的SCR控制部分进行控制，实现输入电源的切换以及负载与切换电源的连接。紧急切换是指如果出现当前电源失效或系统检测到了SCR故障，为保证供电的连续性，只要另一路源正常，无论两路源之间的相位差是否在同步窗口范围内，STS都会立即切换到另一路源供电。
STS的两组SCR采用互锁机制，当某一路输入电源发生故障时，STS在切换电源之前会先在短时间内切断一组SCR再接入另一组SCR，这种先关断后导通的模式一方面可以保证STS的两路输入电源之间不会因为同时连通而产生合环回流，对电路产生冲击电流，另一方面STS的切换与连接速度非常快，关断与导通控制在10ms以内完成，可保证用电负载的不间断运行。同时，为了尽可能减少用电负载受到电源切换而带来的电压波动，通常会对主备电源切换时间点加以严格选择，考虑到相电流过零点时刻的电流值为0，通常会选择电流过零点时刻作为电源切换时间点。
三、STS在铁路信号电源系统中的应用
1.铁路信号电源系统概述
铁路信号电源系统双总线冗余配电架构如下图所示，UPS-A和UPS-B两套不间断供电单元送出两路独立的交流电源负责向各种信号设备供电。位于UPS双总线输出端的信号设备可分为三大类：
（a）DC24V、DC24—120V、DC220V、25HZ/AC22O单电源信号设备
此类信号设备包括继电器、ZPW2000轨道电路、闭塞、直流转辙机以及25HZ轨道电路等。如图所示，电源屏通常采用AC/DC模块并联冗余工作方式、1+1热备模块切换工作方式为以上信号设备供电，其中1/2数量模块的输入端接在UPS-A输出总线上，另外1/2数量模块的输入端接在UPS-B输出总线上，以此来解决解该类信号设备的输入电源冗余问题。
（b）DC24V、50HZ/AC22O双电源信号设备
此类信号设备包括CTC、计算机联锁、列控、安全数据网等。如图所示，电源屏将UPS-A和UPS-B的输出电源分别送到此类设备的两个输入端即可。
（c）50HZ/AC22O单电源信号设备
此类信号设备包括信号点灯、道岔表示以及集中监测、缺口监测等监测报警类设备。如图所示，电源屏将UPS-A和UPS-B的输出电源分别送到STS的两个输入端上，信号设备接在STS输出端。当供电电源出现故障时，STS将立即把负载切换到处于正常工作状态下的备用电源上，可消除UPS并机系统输出端与负载之间的“单点瓶颈”故障隐患，从而为信号设备安全可靠运行提供优良电源环境。
铁路信号电源系统双总线冗余配电架构图
2.STS在铁路信号电源系统中的应用
STS主要应用于单电源信号设备前端，其主要电气指标是切换时间内，保证IT类信号设备的正常运行。美国电气与电子工程师协会引用ITIC曲线(计算机设备对供电品质要求的电压-时间曲线)，制定了计算机供电标准IEEE 1100-2005。该标准中规定：计算机供电中断必须<1个周波，对工频50Hz来说就是<20ms。《铁路信号电源系统设备暂行技术规范》规定STS切换时间应小于10ms。因此，STS可保证IT类信号设备的正常运行。
四、经验及总结
通过以上对静态切换开关（STS）原理分析，结合其在铁路信号电源系统中的大量试验、实际应用处理案例情况，总结如下：
1.在STS输出端与信号负载设备输入间配置隔离变压器。
如《铁路信号电源系统双总线冗余配电架构图》所示，实现分束隔离功能，同时单个信号设备负载短路，不会影响STS及其他信号设备负载的正常供电。
2.STS的应用有效减少系统故障点，增加可维护性 如《铁路信号电源系统双总线冗余配电架构图》所示，单电源信号设备采用AC220V电源模块时，模块数量增多、系统庞大，另外，交流电源模块并机工作时，类似于UPS并机工作，目前国铁统计UPS故障时，出线了UPS并机工作时，单机故障影响到另一台UPS无法工作的故障模式，造成全站停电，影响较大，因此国铁近期建议UPS采用双母线架构，而使用交流模块并联工作也会发生并联UPS的故障模式，系统整体故障点增加。STS的应用增加了解决此问题的一种方法。
