鐵路電力與信號設(shè)備供電匹配性分析

徐　凱

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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鐵路電力與信號設(shè)備供電匹配性分析

徐凱

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(tǒng)開關(guān)電流整定不匹配，經(jīng)常導(dǎo)致事故時(shí)開關(guān)越級跳閘。通過分析信號負(fù)荷的特點(diǎn)及信號、電力兩專業(yè)對信號負(fù)荷電流的計(jì)算過程，發(fā)現(xiàn)二者所遵循的標(biāo)準(zhǔn)以及對系數(shù)的取值存在差異。電力專業(yè)計(jì)算結(jié)果更接近于實(shí)際，而信號專業(yè)計(jì)算結(jié)果偏大，造成電流整定不匹配。通過分析開關(guān)的保護(hù)特性，提出對于信號負(fù)荷占變壓器容量比重較小時(shí)，信號機(jī)房配電開關(guān)采用隔離型，信號電源屏進(jìn)線開關(guān)與變電所開關(guān)實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù)的配電方案；信號負(fù)荷占變壓器容量比重較大時(shí)，電力供電設(shè)遠(yuǎn)動(dòng)功能，便于快速恢復(fù)供電。此方案已在多個(gè)工程中采用。

關(guān)鍵詞：鐵路信號；供電；信號電源屏；開關(guān)電流；匹配

1概述

在新建客運(yùn)專線鐵路及普速鐵路工程的竣工驗(yàn)收[1]過程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)信號系統(tǒng)電源屏進(jìn)線開關(guān)與上一級供電的變電所或電力配電箱開關(guān)電流整定值不匹配的問題，即：供電側(cè)開關(guān)電流整定值小，而用戶側(cè)信號電源屏進(jìn)線開關(guān)電流整定值大。由于出現(xiàn)這種“倒置”現(xiàn)象，信號設(shè)備一旦出現(xiàn)過載或短路故障，就會(huì)導(dǎo)致信號電源屏內(nèi)的開關(guān)不跳閘，而上一級供電側(cè)電力配電箱或變電所開關(guān)“越級”跳閘的現(xiàn)象，無法滿足配電保護(hù)的選擇性[2]。為日后信號設(shè)備的運(yùn)行、維護(hù)及排除故障帶來很大的麻煩。

出現(xiàn)電流整定值“倒置”的原因是因?yàn)樾盘枌I(yè)與電力專業(yè)在對信號電源屏額定電流的計(jì)算過程中所遵循的標(biāo)準(zhǔn)[3-5]不同，在一些系數(shù)的取值方面存在差異，導(dǎo)致信號專業(yè)計(jì)算的結(jié)果偏大。

以客運(yùn)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(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)，找出信號專業(yè)與電力專業(yè)在計(jì)算過程中存在的差異及產(chǎn)生不同計(jì)算結(jié)果的根源，研究相關(guān)系數(shù)取值的合理性，總結(jié)出可行的配電匹配方案。

2信號電源屏進(jìn)線電流值的計(jì)算

信號電源屏是鐵路信號機(jī)房內(nèi)專為信號設(shè)備供電的電源裝置，一般由兩路輸入電源轉(zhuǎn)換單元、輸入配電單元、電源變換及穩(wěn)壓模塊單元(電源模塊)、輸出配電單元、智能監(jiān)測系統(tǒng)等部分組成?？瓦\(yùn)專線鐵路信號電源屏配置雙UPS系統(tǒng)[6]，為信號負(fù)荷提供備用電源。2套UPS裝置并機(jī)運(yùn)行，正常工況下各分擔(dān)約50%的用電負(fù)荷；當(dāng)一套UPS故障時(shí)，由另一套UPS承擔(dān)全部用電負(fù)荷。

信號電源屏一般由生產(chǎn)廠家成套提供。屏內(nèi)設(shè)置進(jìn)線主開關(guān)，其主開關(guān)的電流整定值在出廠時(shí)已由廠家根據(jù)電源屏電流值的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行整定。

電源屏由電力專業(yè)提供兩路交流電源供電[7-8]。電力專業(yè)在進(jìn)行配電設(shè)計(jì)時(shí)，也要根據(jù)信號專業(yè)提供的電源屏所帶用電設(shè)備情況進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，以便對電力配電箱及變電所開關(guān)進(jìn)行電流整定。但由于計(jì)算過程中所遵循的標(biāo)準(zhǔn)不同，在一些系數(shù)的取值方面存在差異，導(dǎo)致計(jì)算的結(jié)果存在較大偏差。以下對用戶側(cè)(即：電源屏)與供電側(cè)的計(jì)算過程及對開關(guān)的電流整定進(jìn)行分析。

2.1用戶側(cè)電流計(jì)算及開關(guān)整定

以客運(yùn)專線鐵路信號中繼站為例，信號電源屏所承擔(dān)的信號設(shè)備主要包括微機(jī)聯(lián)鎖、信號點(diǎn)燈電源[9]、道岔表示[10]、25 Hz軌道電源、微機(jī)監(jiān)測電源、CTC、列控中心等。其負(fù)荷配置如表1所示。

表1　客運(yùn)專線鐵路信號中繼站電源配置

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

電源屏容量由3部分構(gòu)成，其一為輸出容量，即各負(fù)載容量之和；其二為UPS充電容量，即UPS電池組充電時(shí)產(chǎn)生的附加用電容量；其三為電源屏損耗，即電源屏工作時(shí)，各內(nèi)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(fù)載)發(fā)生在：外部電源失電一段時(shí)間又恢復(fù)供電后，電源屏除為負(fù)載持續(xù)供電外，還為UPS電池組充電。此種狀態(tài)為行車中斷后才能發(fā)生。

其中，電源屏充電功率S2可通過電池組充電電流計(jì)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(shí)充電電流為0.1C。

根據(jù)《客運(yùn)專線鐵路信號產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)暫行技術(shù)條件—鐵路信號電源屏》(科技運(yùn)[2008]36號)，電壓降百分比a為75%。

電源屏整機(jī)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(jì)算見表2。

表2　信號中繼站電源屏計(jì)算

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

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

綜上計(jì)算過程及結(jié)果，信號電源屏進(jìn)線開關(guān)電流整定值為80 A。

根據(jù)鐵路信號電源屏的技術(shù)條件，其進(jìn)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(shù)較大，通常為電源屏常規(guī)配電計(jì)算電流的1.5～2.0倍。

2.2供電側(cè)電流計(jì)算及開關(guān)整定

電力專業(yè)在信號中繼站附近設(shè)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(jīng)中繼站內(nèi)的電力配電箱引至信號電源屏，如圖1所示[13]。

圖1　客運(yùn)專線鐵路信號中繼站供電示意

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

電力專業(yè)根據(jù)電源屏所帶用電設(shè)備情況進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算，確定電力配電箱開關(guān)電流的整定值。

根據(jù)《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10008—2006)的規(guī)定：交流380V電壓偏差應(yīng)在±5%內(nèi)。而在實(shí)際工程中，尤其是客運(yùn)專線鐵路，貫通線設(shè)置了調(diào)壓器，供電質(zhì)量都比較有保證。一般為信號等負(fù)荷供電的變電所均設(shè)置在信號房屋附近，電壓偏差[14]很小，多能控制在±2～3%以內(nèi)。所以，這里將電壓降百分比(a)選為95%，其他參數(shù)與前文相同。

電力配電箱低壓開關(guān)計(jì)算值見表3。

表3　電力配電箱低壓開關(guān)計(jì)算

從表3可知，信號專業(yè)和電力專業(yè)在電壓降不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，計(jì)算出的電流值相差16.33 A。且隨著信號用電負(fù)載的增加，兩專業(yè)的計(jì)算值偏差將進(jìn)一步擴(kuò)大。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，信號中繼站電力配電箱開關(guān)電流可整定為63 A。信號電源屏進(jìn)線開關(guān)電流整定值為80 A，而上一級電力配電箱開關(guān)整定為63 A，就出現(xiàn)了概述中所說的“倒置”現(xiàn)象，配電保護(hù)不具備選擇性的要求。

為了避免出現(xiàn)這種“倒置”現(xiàn)象，電力與信號兩個(gè)專業(yè)應(yīng)根據(jù)鐵路建設(shè)項(xiàng)目供電質(zhì)量的實(shí)際情況，電壓偏差的波動(dòng)范圍，共同研究，采用更加接近實(shí)際的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。信號電源屏進(jìn)線開關(guān)的電流整定值盡量接近實(shí)際，這樣才能有利于實(shí)現(xiàn)上下級開關(guān)的保護(hù)配合。

3匹配性解決方案

對于信號、通信等與行車密切相關(guān)的設(shè)備需由專用變電所供電。所以，單臺(tái)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(jīng)過變電所低壓總開關(guān)、分開關(guān)、信號機(jī)房電力配電箱開關(guān)及信號電源屏進(jìn)線開關(guān)等幾級開關(guān)。為了滿足配電保護(hù)的選擇性，避免因開關(guān)整定電流逐級增加，導(dǎo)致變壓器容量過大，負(fù)載率降低，信號電源屏進(jìn)線主開關(guān)除如前文所述進(jìn)行合理的電流整定外，還需與上幾級開關(guān)之間做好保護(hù)的匹配性配合。以實(shí)際工程為例，分析各級開關(guān)之間匹配性解決方案。

3.1匹配性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)

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

圖2　配電系統(tǒng)

在完全理想的情況下，需要實(shí)現(xiàn)圖2中所示①②③④ 4把開關(guān)之間的匹配性。當(dāng)發(fā)生短路或接地故障F1時(shí)，開關(guān)①應(yīng)迅速切斷故障線路，開關(guān)②不應(yīng)動(dòng)作，即開關(guān)①與開關(guān)②之間滿足配電保護(hù)的選擇性(簡稱：選擇性A)；當(dāng)發(fā)生短路或接地故障F2時(shí)，開關(guān)②應(yīng)迅速切斷故障線路，開關(guān)③不應(yīng)動(dòng)作，即開關(guān)②與開關(guān)③之間滿足配電保護(hù)的選擇性(簡稱：選擇性B)；當(dāng)發(fā)生短路或接地故障F2時(shí)，開關(guān)②應(yīng)迅速切斷故障線路，開關(guān)④不應(yīng)動(dòng)作，即開關(guān)②與開關(guān)④之間滿足配電保護(hù)的選擇性(簡稱：選擇性C)。

開關(guān)①(信號電源屏主開關(guān))與開關(guān)②(電力配電箱主開關(guān))歸電務(wù)部門管理，開關(guān)③與開關(guān)④安裝在變電所內(nèi)，歸供電部門管理。為便于運(yùn)營管理，實(shí)現(xiàn)匹配性的最低要求是實(shí)現(xiàn)選擇性B和選擇性C，在此基礎(chǔ)上，盡可能實(shí)現(xiàn)選擇性A。

3.2低壓開關(guān)的保護(hù)特性

通過對低壓開關(guān)選擇性脫扣原理的分析，要實(shí)現(xiàn)完全的選擇性保護(hù)，單純的實(shí)現(xiàn)過載或低短路電流或高短路電流其中之一較容易實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際工程中，短路電流的故障種類較多，客觀條件復(fù)雜。短路發(fā)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(shí)現(xiàn)所要求的4把開關(guān)配電保護(hù)的選擇性，必須兼顧各種短路情況。

在下級開關(guān)選定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全選擇性，且開關(guān)特性曲線匹配合理，則上級開關(guān)的量化選取指標(biāo)為：上下級開關(guān)殼架電流之比大于1.6，且額定電流之比大于2.5。同時(shí)，時(shí)間特性應(yīng)進(jìn)行整定：下級開關(guān)長延時(shí)時(shí)間(long time)應(yīng)進(jìn)行整定，設(shè)定為0.5～8.0 s，上級開關(guān)應(yīng)整定為12～24 s；短延時(shí)(short time)下級開關(guān)設(shè)定為0.1～0.2 s，上級開關(guān)設(shè)定為0.3～0.4 s。

3.3匹配性實(shí)現(xiàn)方法

在充分了解開關(guān)特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合信號電源屏容量，如車站信號電源屏容量為65 kVA，其進(jìn)線開關(guān)額定值選擇為160 A時(shí)，殼架電流選定160 A；上級電力系統(tǒng)的饋線開關(guān)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(guān)。但因?yàn)樽儔浩魅萘績H為100 kVA，在考慮變壓器過載率為20%的情況下，出線開關(guān)電流最大額定值為182 A。

由此可見，若將4把開關(guān)全部實(shí)現(xiàn)匹配性，技術(shù)方面很難做到。

因此，可做到電務(wù)部門和供電部門所管理的其中各一把開關(guān)滿足配電保護(hù)的選擇性。為此，首先將開關(guān)②采用負(fù)荷隔離開關(guān)，取消短路保護(hù)特性，實(shí)現(xiàn)開關(guān)①與③之間保護(hù)的選擇性。

3.4低壓配電方案

根據(jù)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(fù)荷情況如表4所示。

表4　典型信號中繼站負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

電力專業(yè)配置50 kVA箱式變電所，信號負(fù)荷占變壓器總?cè)萘康?0%，所占比例較小。

根據(jù)上述信號電源屏參數(shù)選擇，當(dāng)信號供電不采用單獨(dú)回路(中繼站信號和空調(diào)負(fù)荷共用一根電纜供電)時(shí)，匹配性較好配合，各開關(guān)整定值及整定時(shí)間如表5所示。

表5　典型信號中繼站開關(guān)整定值統(tǒng)計(jì)

當(dāng)信號供電采用單獨(dú)回路時(shí)，匹配性較難配合，各開關(guān)整定值及整定時(shí)間如表6所示。

表6　典型信號中繼站開關(guān)整定值統(tǒng)計(jì)

3.5結(jié)論

(1)區(qū)間信號中繼站

因其中包含機(jī)房專用空調(diào)等其他負(fù)荷，信號負(fù)荷所占變壓器的總?cè)萘枯^低，匹配性解決方案為：一方面通過細(xì)化信號電源屏的計(jì)算參數(shù)，降低其進(jìn)線開關(guān)電流整定值；另一方面將中繼站內(nèi)電力配電箱開關(guān)改為隔離開關(guān)，并適當(dāng)放大電力箱變低壓開關(guān)電流整定值，可實(shí)現(xiàn)電力與信號系統(tǒng)的匹配性。

(2)車站信號樓

因機(jī)房專用空調(diào)、防災(zāi)用電等負(fù)荷由車站動(dòng)力照明變電所供電，通信、信號負(fù)荷占通信信號專用變壓器比例較高。在細(xì)化電源屏計(jì)算參數(shù)的情況下，信號電源屏進(jìn)線開關(guān)整定值已經(jīng)達(dá)到了電力箱變低壓出線總開關(guān)(即④號開關(guān))的最大值。在上下限定的情況下，很難通過開關(guān)電流和時(shí)間整定實(shí)現(xiàn)兩系統(tǒng)間的匹配性。但考慮車站信號樓電力系統(tǒng)具備電力遠(yuǎn)動(dòng)功能[17]，信號系統(tǒng)有人值班，在發(fā)生故障跳閘時(shí)，供電段可調(diào)出故障記錄，分析故障原因，進(jìn)行必要的遠(yuǎn)方合閘操作。電務(wù)段在開關(guān)跳閘后，可通過人員進(jìn)行現(xiàn)場合閘操作。為此，目前對于設(shè)置信號專用變壓器時(shí)，電力系統(tǒng)需設(shè)置遠(yuǎn)動(dòng)合閘及故障錄波功能，以保證越級跳閘后快速恢復(fù)供電。

4結(jié)語

鐵路電力與信號設(shè)備出現(xiàn)配電保護(hù)不滿足選擇性要求的根本原因在于計(jì)算過程中系數(shù)的取值所遵循的標(biāo)準(zhǔn)不同。對于信號負(fù)荷占比重較大的變壓器而言，在《客運(yùn)專線鐵路信號產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)暫行技術(shù)條件—鐵路信號電源屏》(科技運(yùn)[2008]36號)不做調(diào)整的情況下，變壓器保護(hù)整定值和信號電源屏整定值之間往往會(huì)存在根本性的矛盾。通過優(yōu)化各級保護(hù)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(shè)計(jì)的計(jì)算規(guī)則與信號電源屏產(chǎn)品技術(shù)條件之間進(jìn)行科學(xué)、更切合工程實(shí)際的協(xié)調(diào)。

在一些客運(yùn)專線鐵路等鐵路項(xiàng)目中通信系統(tǒng)與電力供電系統(tǒng)也經(jīng)常出現(xiàn)配電保護(hù)不匹配的情況，其原因和解決方案與信號系統(tǒng)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(xiàng)目：鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科研項(xiàng)目(740928)

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

中圖分類號：U223

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.032