關于鐵路通信電源系統配置選型的研究

劉海建

*鐵道第三勘察設計院集團有限公司 助理工程師，300251 天津

為保證鐵路通信系統正常工作，一個安全、高效、可靠的通信電源系統是必不可少的。一旦通信電源發生故障，將對通信系統產生較大影響，甚至會造成通信中斷，更嚴重的將導致鐵路行車事故，威脅人身安全。因此，鐵路通信系統的外供電源必須十分可靠、安全。在外供電源停電時，應使用備用蓄電池為通信系統暫時供電。

鐵路通信電源系統是獨立的供電系統，由交流供電系統和直流供電系統構成。其中，交流供電系統由電源輸入輸出線纜、不間斷電源UPS及其后備電池組等構成;直流供電系統由電源輸入輸出線纜、高頻開關電源及其后備蓄電池組等構成。

為使鐵路通信系統正常工作，在鐵路設計中，應確保鐵路通信電源系統的先進性、可靠性和可擴展性，必須科學配置通信電源系統的設備容量和合理選擇通信電源系統的輸入輸出線纜。

1 直流電源設備容量配置分析

通信直流電源設備主要由高頻開關電源及其后備電池組構成，配置通信直流電源設備，也就是對高頻開關電源及其后備電池組進行配置。高頻開關電源及其后備電池組容量配置方法依據以下幾點。

1．蓄電池組一般配置1或2組。

2．整流器備份一般采用N+1備份方式。

3．充電系數α，一般選擇0.1～0.15;如果停電頻度較高且持續時間較長，電池的充電系數可以選擇0.15～0.2;對于電網較好的通信站或車站，可以選擇0.1。

4．擴容考慮，如果通信站或車站近期負荷小、終期負荷大，為了減小近期投資額，可以按照近期負荷容量進行設計。

與直流電源容量相關的因素主要有負載設備的總功率、電池均充電流和未來擴容情況等。根據負載設備的總功率WL和負載設備工作電壓VL(一般通信設備的直流基礎工作電壓為48V)，利用公式(1)可以求得設備負載工作電流IL

根據規范，客運專線設計中通信站及車站的直流電源后備電池組為2組，備用時間為1h;區間點的直流電源后備電池組為2組，備用時間為3h。后備電池組的容量C(Ah)為

其中，IL為設備負載工作電流(A)，VL為負載設備工作電壓(V)，T為設計備用時間(h)，μ為溫度系數(一般取值為0.006～0.01)，K為蓄電池放電效率。當放電時間為T=1～2h，K=0.55～0.6;T=3 ～5h，K=0.75 ～ 0.8;T=5 ～ 10h，K=0.85 ～ 1;T ＞ 10h，K=1。

已知蓄電池組容量C和充電系數α，可得電池均充電電流IC

電源輸出總電流I為設備負載工作電流IL與電池均充電電流IC之和。

由于電源輸出總電流是由N個整流模塊并聯輸出得到，整流器采用N+1備份保護設計，可得整流模塊數目

其中，IM為模塊額定電流，CEIL()表示向上取整。

例如某個車站直流通信設備功率為3.3kW，并且市電情況較好，要求備用電池組供電時間為1h，利用公式(1)～(5)可以得:

通信設備工作電流IL:3300/48=69 A

備用電池組容量 C:69×1×1.25/0.55=157 Ah

根據實際電池規格，可選2組100Ah蓄電池，共200 Ah，電池均充電系數取0.1，則電池均充電電流為:200×0.1=20A

電源需輸出的最大電流為:69+20=89A

根據整流模塊的規格，可選額定電流為30A的整流模塊，該種型號的整流模塊數目為(89/30) +1=3.9，取整后為4。

所以，最終應該為該車站的通信系統配置為由4個額定電流為30A的整流模塊構成的總輸出電流為120A的直流電源系統，并選2組容量100 Ah的蓄電池構成后備電池組。對于一般情況，鐵路通信直流電源設備容量配置分析見表1和表2。

2 交流電源設備容量配置分析

通信交流電源設備主要由不間斷電源UPS及其后備電池組構成，配置通信交流電源設備，也就是對不間斷電源UPS及其后備電池組進行配置。

首先，通過交流通信設備的總功耗WH可得不間斷電源UPS輸出視在功率W0為:其中，PF為負載輸入功率因數，一般取0.8。

表1 鐵路通信直流電源分析——負荷 W

表2 鐵路通信直流電源分析——系統容量

對于不間斷電源UPS，當輸出視在功率W0為UPS的額定輸出視在功率W的60%～80%時，UPS工作在最佳運行狀態

根據規范，客運專線設計中通信站及車站的不間斷電源UPS后備電池組為1組，備用時間為1h;區間點的不間斷電源UPS后備電池組為1組，備用時間為3h。UPS蓄電池組的容量C(Ah)為

其中，PL為負載功率(W)，Vf為蓄電池額定電壓(V) (Vf=n×V單體電池，n為電池數量，一般V單體電池=12V)，T為備用時間(h)，η為UPS電池逆變效率(一般取0.92)，K為蓄電池放電系數。當備電時間T=1～3h，K=0.6;當備電時間T=3～5 h，K=0.8;當備電時間T=5～10 h，K=0.85;當備電時間T ＞10h，K=1。

例如通信站交流設備的交流總功耗為14.6kW，負載輸出功率因數為0.8時，不間斷電源UPS的輸出視在功率W0為14600/0.8=18250VA，UPS的額定視在功率W為18250/0.8=22813 VA，根據產品的型號類型，可以選擇容量為30 kVA的UPS。

對于一般情況，鐵路通信交流電源設備容量配置分析見表3和表4。

不間斷電源UPS的容量為30kVA，利用公式(8)可得負載功率PL=30×1000×0.8×0.8，UPS電池組容量C:

C=(30×1000×0.8×0.8)×1/(360×0.92×0.6)=97(Ah)計算得UPS蓄電池組容量為97 Ah。選擇由30只電池單體12V電池組成的容量為120 Ah的蓄電池組。

表3 鐵路通信交流電源分析——負荷 VA

表4 鐵路通信交流電源分析——系統容量(UPS輸出/輸入功率因數按0.8計算)

3 電源線纜選型

3.1 交流電源線纜

根據IEC60950-1999要求，連接到交流電網電源上的軟線應符合表5。

3.2 直流電源線纜

對于直流電源線纜的選擇需要考慮:電纜允許的通流量的大小;70 mm2以下的電纜按照4 A/mm2的通流量計算;90 mm2以上的電纜按照2.5 A/mm2的通流量計算;應選擇銅芯電纜。

電池電纜和直流負載電纜的選擇:在YD5040-1997/2005《通信電源設備安裝設計規范》中，應考慮從電池組側電池連接端子到用電負載側輸入端子壓降不超過3.2V(一般不超過3V)，其中直流配電屏內壓降不超過0.5 V。

電池電纜和直流負載電纜的截面積A(mm2)關系

其中，ΣI為流過導線的總電流(A)，L為導線回路長度(m)，△U為導線上允許壓降，K為導線的導電系數(K銅=57，K鋁=37)。

根據公式(9)，可對導線進行選型。例如，銅導線上總電流為200A，導線回路長度40 m或100 m，允許壓降3V。當L為40 m時，A=200×40/57/3=46.8 mm2，即選擇截面積不小于50 mm2的電源電纜。當L為100 m時，A=200×100/57/3=117 mm2，即選擇截面積不小于120 mm2的電源線纜。

考慮到通信電源系統的供電方式不同，在對通信設備供電電源線纜的選型時，應該逐段進行分析計算，逐段確定電源線纜的型號。

表5 交流導線截面計算法匯總表

4 結束語

近年來，隨著控制技術、電池技術和計算機技術的發展，鐵路通信電源系統正呈現出用高頻開關電源取代相控電源、用閥控式密封鉛酸蓄電池組代替防酸式蓄電池、用計算機集中監控代替人工控制等特點。通過從體制、規范、維護、產品標準等多方面的研究實踐，鐵路通信電源系統不斷引進新技術、新產品，為我國鐵路通信系統的發展奠定了堅實的基礎。

［1］YD5040－1997/2005.通信電源設備安裝設計規范［S］．

［2］王海燕．大準鐵路通信電源狀況分析［J］．科技與經濟．2006．

［3］伍素琦．通信電源［M］．北京:中國鐵道出版社．