鐵路電力與信號設備供電匹配性分析

徐　凱

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津　300251)

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鐵路電力與信號設備供電匹配性分析

徐凱

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津300251)

摘要：鐵路工程中由于信號電源屏與供電系統開關電流整定不匹配，經常導致事故時開關越級跳閘。通過分析信號負荷的特點及信號、電力兩專業對信號負荷電流的計算過程，發現二者所遵循的標準以及對系數的取值存在差異。電力專業計算結果更接近于實際，而信號專業計算結果偏大，造成電流整定不匹配。通過分析開關的保護特性，提出對于信號負荷占變壓器容量比重較小時，信號機房配電開關采用隔離型，信號電源屏進線開關與變電所開關實現選擇性保護的配電方案；信號負荷占變壓器容量比重較大時，電力供電設遠動功能，便于快速恢復供電。此方案已在多個工程中采用。

關鍵詞：鐵路信號；供電；信號電源屏；開關電流；匹配

1概述

在新建客運專線鐵路及普速鐵路工程的竣工驗收[1]過程中，經常發現信號系統電源屏進線開關與上一級供電的變電所或電力配電箱開關電流整定值不匹配的問題，即：供電側開關電流整定值小，而用戶側信號電源屏進線開關電流整定值大。由于出現這種“倒置”現象，信號設備一旦出現過載或短路故障，就會導致信號電源屏內的開關不跳閘，而上一級供電側電力配電箱或變電所開關“越級”跳閘的現象，無法滿足配電保護的選擇性[2]。為日后信號設備的運行、維護及排除故障帶來很大的麻煩。

出現電流整定值“倒置”的原因是因為信號專業與電力專業在對信號電源屏額定電流的計算過程中所遵循的標準[3-5]不同，在一些系數的取值方面存在差異，導致信號專業計算的結果偏大。

以客運專線鐵路信號電源屏為例，通過分析電源屏的組成及信號負荷的運行特點，找出信號專業與電力專業在計算過程中存在的差異及產生不同計算結果的根源，研究相關系數取值的合理性，總結出可行的配電匹配方案。

2信號電源屏進線電流值的計算

信號電源屏是鐵路信號機房內專為信號設備供電的電源裝置，一般由兩路輸入電源轉換單元、輸入配電單元、電源變換及穩壓模塊單元(電源模塊)、輸出配電單元、智能監測系統等部分組成。客運專線鐵路信號電源屏配置雙UPS系統[6]，為信號負荷提供備用電源。2套UPS裝置并機運行，正常工況下各分擔約50%的用電負荷；當一套UPS故障時，由另一套UPS承擔全部用電負荷。

信號電源屏一般由生產廠家成套提供。屏內設置進線主開關，其主開關的電流整定值在出廠時已由廠家根據電源屏電流值的計算結果進行整定。

電源屏由電力專業提供兩路交流電源供電[7-8]。電力專業在進行配電設計時，也要根據信號專業提供的電源屏所帶用電設備情況進行負荷計算，以便對電力配電箱及變電所開關進行電流整定。但由于計算過程中所遵循的標準不同，在一些系數的取值方面存在差異，導致計算的結果存在較大偏差。以下對用戶側(即：電源屏)與供電側的計算過程及對開關的電流整定進行分析。

2.1用戶側電流計算及開關整定

以客運專線鐵路信號中繼站為例，信號電源屏所承擔的信號設備主要包括微機聯鎖、信號點燈電源[9]、道岔表示[10]、25 Hz軌道電源、微機監測電源、CTC、列控中心等。其負荷配置如表1所示。

表1　客運專線鐵路信號中繼站電源配置

從信號中繼站電源屏系統配置看出，用電負載不是單一的設備組合，而是多種不同特性用電設備組合而成的混合負載。

電源屏容量由3部分構成，其一為輸出容量，即各負載容量之和；其二為UPS充電容量，即UPS電池組充電時產生的附加用電容量；其三為電源屏損耗，即電源屏工作時，各內部模塊，包括UPS(含整流、逆變、電池組)、24 V DC模塊、25 Hz模塊等的損耗。

電源屏容量(即電力供電最大負載)發生在：外部電源失電一段時間又恢復供電后，電源屏除為負載持續供電外，還為UPS電池組充電。此種狀態為行車中斷后才能發生。

其中，電源屏充電功率S2可通過電池組充電電流計算得來，電池組的充電電流由電源組的容量C(AH)確定，均充時充電電流為0.1C。

根據《客運專線鐵路信號產品標準暫行技術條件—鐵路信號電源屏》(科技運[2008]36號)，電壓降百分比a為75%。

電源屏整機效率η不小于80%。

以上述信號中繼站為例，三相不平衡度為10%，電源屏計算見表2。

表2　信號中繼站電源屏計算

以上述為例，均充充電電流=2套UPS電池總AH數(200)×0.1=20 A。

充電功率(S2)=1.732×0.38 kV×20 A=13.16(kVA)。

綜上計算過程及結果，信號電源屏進線開關電流整定值為80 A。

根據鐵路信號電源屏的技術條件，其進線電流為各種不利條件最大化后并完全疊加的電流，安全系數較大，通常為電源屏常規配電計算電流的1.5～2.0倍。

2.2供電側電流計算及開關整定

電力專業在信號中繼站附近設10/0.4 kV變電所，自10 kV貫通線接引兩路高壓電源[12]。變電所為信號中繼站提供兩路0.4 kV電源，經中繼站內的電力配電箱引至信號電源屏，如圖1所示[13]。

圖1　客運專線鐵路信號中繼站供電示意

從圖1可見，電力供電系統與信號用電系統密切相關，信號用電需求的準確把握是確定電力供電系統低壓開關電流整定、變壓器容量選擇的重要依據。

電力專業根據電源屏所帶用電設備情況進行負荷計算，確定電力配電箱開關電流的整定值。

根據《鐵路電力設計規范》(TB10008—2006)的規定：交流380V電壓偏差應在±5%內。而在實際工程中，尤其是客運專線鐵路，貫通線設置了調壓器，供電質量都比較有保證。一般為信號等負荷供電的變電所均設置在信號房屋附近，電壓偏差[14]很小，多能控制在±2～3%以內。所以，這里將電壓降百分比(a)選為95%，其他參數與前文相同。

電力配電箱低壓開關計算值見表3。

表3　電力配電箱低壓開關計算

從表3可知，信號專業和電力專業在電壓降不同設計標準的情況下，計算出的電流值相差16.33 A。且隨著信號用電負載的增加，兩專業的計算值偏差將進一步擴大。根據上述計算結果，信號中繼站電力配電箱開關電流可整定為63 A。信號電源屏進線開關電流整定值為80 A，而上一級電力配電箱開關整定為63 A，就出現了概述中所說的“倒置”現象，配電保護不具備選擇性的要求。

為了避免出現這種“倒置”現象，電力與信號兩個專業應根據鐵路建設項目供電質量的實際情況，電壓偏差的波動范圍，共同研究，采用更加接近實際的統一標準。信號電源屏進線開關的電流整定值盡量接近實際，這樣才能有利于實現上下級開關的保護配合。

3匹配性解決方案

對于信號、通信等與行車密切相關的設備需由專用變電所供電。所以，單臺變壓器容量一般都不大(約100 kVA左右)。從變電所配電至信號電源屏一般要經過變電所低壓總開關、分開關、信號機房電力配電箱開關及信號電源屏進線開關等幾級開關。為了滿足配電保護的選擇性，避免因開關整定電流逐級增加，導致變壓器容量過大，負載率降低，信號電源屏進線主開關除如前文所述進行合理的電流整定外，還需與上幾級開關之間做好保護的匹配性配合。以實際工程為例，分析各級開關之間匹配性解決方案。

3.1匹配性實現目標

為了便于分析電力與信號兩系統間匹配性的關鍵點，以某工程配電系統[15]為例進行分析，如圖2所示。

圖2　配電系統

在完全理想的情況下，需要實現圖2中所示①②③④ 4把開關之間的匹配性。當發生短路或接地故障F1時，開關①應迅速切斷故障線路，開關②不應動作，即開關①與開關②之間滿足配電保護的選擇性(簡稱：選擇性A)；當發生短路或接地故障F2時，開關②應迅速切斷故障線路，開關③不應動作，即開關②與開關③之間滿足配電保護的選擇性(簡稱：選擇性B)；當發生短路或接地故障F2時，開關②應迅速切斷故障線路，開關④不應動作，即開關②與開關④之間滿足配電保護的選擇性(簡稱：選擇性C)。

開關①(信號電源屏主開關)與開關②(電力配電箱主開關)歸電務部門管理，開關③與開關④安裝在變電所內，歸供電部門管理。為便于運營管理，實現匹配性的最低要求是實現選擇性B和選擇性C，在此基礎上，盡可能實現選擇性A。

3.2低壓開關的保護特性

通過對低壓開關選擇性脫扣原理的分析，要實現完全的選擇性保護，單純的實現過載或低短路電流或高短路電流其中之一較容易實現。但實際工程中，短路電流的故障種類較多，客觀條件復雜。短路發生的情況不是單一的過載、低或高短路情況，而是多種情況都有的。因此，要實現所要求的4把開關配電保護的選擇性，必須兼顧各種短路情況。

在下級開關選定的基礎上實現全選擇性，且開關特性曲線匹配合理，則上級開關的量化選取指標為：上下級開關殼架電流之比大于1.6，且額定電流之比大于2.5。同時，時間特性應進行整定：下級開關長延時時間(long time)應進行整定，設定為0.5～8.0 s，上級開關應整定為12～24 s；短延時(short time)下級開關設定為0.1～0.2 s，上級開關設定為0.3～0.4 s。

3.3匹配性實現方法

在充分了解開關特性的基礎上，結合信號電源屏容量，如車站信號電源屏容量為65 kVA，其進線開關額定值選擇為160 A時，殼架電流選定160 A；上級電力系統的饋線開關額定電流不低于375 A，殼架電流不小于256 A，選定400 A的殼架開關。但因為變壓器容量僅為100 kVA，在考慮變壓器過載率為20%的情況下，出線開關電流最大額定值為182 A。

由此可見，若將4把開關全部實現匹配性，技術方面很難做到。

因此，可做到電務部門和供電部門所管理的其中各一把開關滿足配電保護的選擇性。為此，首先將開關②采用負荷隔離開關，取消短路保護特性，實現開關①與③之間保護的選擇性。

3.4低壓配電方案

根據上述原則，以信號中繼站[16]為例，低壓配電方案如下。

典型信號中繼站負荷情況如表4所示。

表4　典型信號中繼站負荷統計

電力專業配置50 kVA箱式變電所，信號負荷占變壓器總容量的30%，所占比例較小。

根據上述信號電源屏參數選擇，當信號供電不采用單獨回路(中繼站信號和空調負荷共用一根電纜供電)時，匹配性較好配合，各開關整定值及整定時間如表5所示。

表5　典型信號中繼站開關整定值統計

當信號供電采用單獨回路時，匹配性較難配合，各開關整定值及整定時間如表6所示。

表6　典型信號中繼站開關整定值統計

3.5結論

(1)區間信號中繼站

因其中包含機房專用空調等其他負荷，信號負荷所占變壓器的總容量較低，匹配性解決方案為：一方面通過細化信號電源屏的計算參數，降低其進線開關電流整定值；另一方面將中繼站內電力配電箱開關改為隔離開關，并適當放大電力箱變低壓開關電流整定值，可實現電力與信號系統的匹配性。

(2)車站信號樓

因機房專用空調、防災用電等負荷由車站動力照明變電所供電，通信、信號負荷占通信信號專用變壓器比例較高。在細化電源屏計算參數的情況下，信號電源屏進線開關整定值已經達到了電力箱變低壓出線總開關(即④號開關)的最大值。在上下限定的情況下，很難通過開關電流和時間整定實現兩系統間的匹配性。但考慮車站信號樓電力系統具備電力遠動功能[17]，信號系統有人值班，在發生故障跳閘時，供電段可調出故障記錄，分析故障原因，進行必要的遠方合閘操作。電務段在開關跳閘后，可通過人員進行現場合閘操作。為此，目前對于設置信號專用變壓器時，電力系統需設置遠動合閘及故障錄波功能，以保證越級跳閘后快速恢復供電。

4結語

鐵路電力與信號設備出現配電保護不滿足選擇性要求的根本原因在于計算過程中系數的取值所遵循的標準不同。對于信號負荷占比重較大的變壓器而言，在《客運專線鐵路信號產品標準暫行技術條件—鐵路信號電源屏》(科技運[2008]36號)不做調整的情況下，變壓器保護整定值和信號電源屏整定值之間往往會存在根本性的矛盾。通過優化各級保護配置所能提高的選擇性也是相對的，不能從根本上解決問題。因此，此問題的終極解決有待于電力設計的計算規則與信號電源屏產品技術條件之間進行科學、更切合工程實際的協調。

在一些客運專線鐵路等鐵路項目中通信系統與電力供電系統也經常出現配電保護不匹配的情況，其原因和解決方案與信號系統類似，在此文中不再作介紹。

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Matching Analysis of Railway Power Supply and Signal Equipments

XU Kai

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

Abstract：Because of the switch current setting mismatching between signal power panel and power distribution box， circuit breaker override trip happens when accident occurs. The analysis of the signal load characteristics and the load current calculation processes employed by signal and electric power specialties indicates the differences in standard and coefficient value used by the two specialties. The calculation result from the electric power specialty is closer to the reality， while that from the signal specialty is comparatively larger， which may lead to current setting mismatch. With the analysis of switch protection characteristics， a new power distribution method is proposed. If the signal load is a lower proportion to the capacity of the transformer， the switch of power distribution box is of isolation type， and selective protection is used for power panel inlet switch and substation switch. If the signal load is a higher proportion to the capacity of the transformer， remote control is engaged for power supply to allow rapid recovery from power failure. This method is already adopted in many projects.

Key words：Railway signal; Power supply; Signal power panel; Switch current; Matching

文章編號：1004-2954(2016)05-0144-05

收稿日期：2016-01-21； 修回日期：2016-02-03

基金項目：鐵道第三勘察設計院集團有限公司科研項目(740928)

作者簡介：徐凱(1968—)，男，高級工程師，1988年畢業于上海鐵道學院，E-mail:tsy_xk@sina.com。

中圖分類號：U223

文獻標識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.032