通信电源配套ATS高可靠改造与展望

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通信电源配套ATS高可靠改造与展望

铁路系统因调度、通讯、信号的需要，对电源要求严苛，不仅配了双市电自动切换（优选质量好的那路，两路都正常则选第一路），而且后备蓄电池组（切换期间或切换失败供电），并为电源适配器配置了后台监控（发现问题及时排查）；
依据历史数据，两路市电同时停电的概率极小（基本可以忽略不计），配的蓄电池也主要是为了两路交流电相互切换间隙的供电、故障期间供电；
这样的配置，表面上是非常可靠，但一些历史教训证明这样的高可靠是伪命题！本文讨论铁路电源适配器存在的缺陷并提出优化方案（本文抛开其他因素，仅从电源适配器本身寻求优化）。
二 ATS原理
2.1 ATS功能
熟悉配电系统的都知道，两路交流输入因相位、电压、频率不同步，是不能直接并联的，两路交流电送入系统后会经过自动转换开关电器（Automatic transfer switching equipment，简称ATS）的装置进行切换，将负载电源适配器从一路输入自动换接至另一路电源适配器，以确保重要负荷连续、可靠运行，ATS常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要；

图2.1 ATS系统原理
2.2 ATS分类
ATS分PC级、CB级、CC级三种
2.2.1 PC级：双电源适配器切换的专用开关，具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快（120ms—250ms）、安全、可靠等优点，但需要配备短路保护电器，价格在万元级。
2.2.2 CB级：由两台断路器+机械连锁+驱动组成，配备过电流脱扣器，具有短路保护功能，相对PC级价格低，适合切换时间要求不高场合，价格在千元级；
2.2.3 CC级：由两个交流接触器、机械互锁机构、检测与控制电路板组成的一个系统，用于设备级小功率场合，没有过流保护功能，可靠性较低，切换时间也较长，价格在百元级；
2.3 当前使用ATS可靠性分析
目前基站开关电源适配器内置ATS，如果非订制产品，基本为CC级的；
2.3.1 先分析一下CC级ATS用的交流接触器；
功率触点：因接通与断开触点瞬间会产生电弧，电弧对触点有一定烧蚀，因此触点操作次数是有一定寿命的，使用时间越长越易损坏；
线圈：原理类似继电器，由线圈产生磁场吸合铁芯从而使端子吸合，为了产生足够的磁力，需要通过一定能量的电流，通过红外扫描会发现线圈部分温升很高，长期工作温度可能达20度甚至30度（参考图2.3.1），温升会加速内部活动部件失油、会让功率触点加速氧化、会使线圈绝缘状况恶化，因此本身可靠性就不高；

图2.3.1 对运行接触器红外热成像扫描
2.3.2 控制电路：对ATS可靠性至关重要，直接决定切换成功与失败，依据以往维护经验，故障率很高，特别是用在山上（雷击）、海边区域（腐蚀）；
2.3.3 机械互锁机构：双电源适配器ATS两个交流接触器拼装而成，为了防止误动作（同时吸合），两接触器中间有一个机械互锁装置，在长期高温环境中，易缺油卡死；
2.3.4 电气互锁机构：为了充分保证可靠性，两接触器还有电气互锁功能：一个交流接触器的线圈控制电压需经过另外一个交流接触器的常闭触点，也就是说，如果要接触器1吸合，接触器2必需处于断开状态（也就是说常闭触点闭合），如果接触器2常闭触点氧化或其他原因断开，则接触器1永远无吸合可能（参考图2.3.4）；从图2.3.4也可看出，CC级ATS接线较复杂，互锁装置装配有难度，所以因故障导致的维护时间也会较长，对维护人员技术水平要求也高，直接结果是故障恢复时间长；

图2.3.4 交流接触器组成CC级ATS接线图
2.3.5 采样电路：ATS控制电路会依据采样电路送来信号对交流电源适配器进行判断，决定使用哪路交流电，因此送来的采样信号对ATS工作也有很大影响；
2.4 可靠性分析（只分析相关部分，对其余配电因素不考虑）
发现有配一组蓄电池组的站点，我们以配一组蓄电池配ATS与配两组电池不配ATS分析可靠性差异；
2.4.1 由上面分析可知，CC级ATS本身就是一个精密控制系统，有采样电路、控制电路、互锁机构与执行机构，任一个部件有问题都会导致切换失败（切换失败直接结果就是：有电不能用），假设交流接触器线圈本身可靠度为R1、机械互锁机构可靠度为R2、电气互锁机构可靠度为R3、控制电路可靠度为R4、采样电路可靠性为R5，假设每个的可靠性均为0.98，则ATS系统可靠性为：
Rats=R1*R2*R3*R4*R5=0.99*0.99*0.99*0.99*0.99=0.95099
2.4.2 一组与两组蓄电池可靠性分析

图2.4.2 两组蓄电池可靠性模型
假设单蓄电池组可靠性为0.99，则两组并联可靠性：
R=【1-(1-R1)*(1-R2)】=1-(1-0.99)*(1-0.99)=0.9999
可见通过电池并联，可大大提高系统可靠性，所以在配置时，建议选配两组蓄电池；
2.4.3 以配ATS&配一组蓄电池分析，假设整流模块组的可用性为0.9999，系统模型：

图2.4.3 CC级ATS配单组蓄电池系统可靠性模型
Ra=0.95099*0.9999*0.99=0.94134
2.4.4 以不配ATS&配两组蓄电池分析，整流模块组可用性仍为0.9999，系统模型：

图2.4.4 不配ATS并配两组蓄电池系统可靠性模型
Rb=0.9999*0.9999=0.9998
2.4.5 两组方案不可靠度对比
（1-0.94134）/(1-0.9998)=0.05866/0.0002=293倍
可算出采用ATS与配一组蓄电池与不采用ATS配两组蓄电池的不可靠性相差293倍，依据以往的维护经验，ATS在实际应用中间也确实是存在不少问题，需要投入大量的人力与物力（配后台监控等），在极端情况下：两路市电都正常，ATS损坏，模块不能工作，蓄电池组放电，电池组异常导致来不及抢修而宕站；
对于蓄电池组的配置，不再深入讨论（增配即可），下面主要讨论一下CC ATS的优化问题；

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| 发布时间：2018.06.25 来源：电源适配器厂家

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