铁路智能型箱式变电站操作电源分析

刘心爱

【摘 要】铁路的高速发展对铁路通信信号供电的可靠性提出了更高的要求,智能箱式变电站为铁路通信信号供电提供了较可靠的供电解决方案.智能箱式变电站中操作电源是保证智能箱式变电站可靠运行的重要组成部分,关系到智能箱式变电站能否正常工作.分析铁路箱式变电站操作电源的种类及其优缺点,并对操作电源的负荷性质、使用现状及设计选择时的有关问题进行分析,并提出操作电源今后的发展趋势.

【期刊名称】《铁道标准设计》 【年(卷),期】2010(000)011 【总页数】3页(P107-109)

【关键词】智能型箱式变电站;操作电源;直流操作;交流操作;可靠性 【作 者】刘心爱

【作者单位】广东省东南城际轨道交通有限公司,广州,510621 【正文语种】中 文 【中图分类】U224

智能型箱式变电站(简称智能箱变)在普通箱式变电站基础上增加了四遥智能化功能,即遥测、遥信、遥调、遥控。在特定自主软件配合下,能实现故障区段自动定位、故障切除等功能,从而保证在短时间内恢复送电,大大提高了铁路通信信号电源系统

运行的可靠性,智能箱变中的操作电源是保证其可靠运行的重要组成部分。 操作电源是为高压开关柜、低压配电柜中的电动操作机构、远动终端控制装置(RTU)或智能测控装置及信号指示等设备提供工作电源的设备,其中供给高压电动负荷开关的合分闸操作电源又可分为操动机构储能电源以及合分闸线圈需要的控制电源。智能箱变中操作电源如果断电,将给铁路安全运行带来非常严重的隐患乃至巨大损失,所以智能箱变的操作电源的可靠性必须保证。 1 操作电源分类

操作电源分为交流与直流两种,分别称为交流操作电源与直流操作电源。交流操作电源可直接取自所用变或变压器220/380 V低压侧,小型变电站也可以取自电压互感器(需要设计100/220 V升压变压器)。

直流操作电源是利用整流技术将AC220/380 V交流电转换为DC220V、DC110V或DC48V直流作为操作电源,同时配备相应电压等级的蓄电池组,平时由

AC220/380 V交流电源通过整流后供电,并给蓄电池组浮充电。AC220/380 V交流电源断电后,自动而且无延时切换到由蓄电池组供电。 2 操作电源负荷性质

操作电源的负荷性质可分为长期运行负荷、短期运行负荷及瞬时运行负荷。远动终端控制装置或智能测控装置、信号指示等为长期运行负荷,电动负荷开关与电动隔离开关的合分闸操动机构操作电源为短期运行负荷,短期运行负荷每次工作时间只有10～30 s。负荷开关合分闸时合分闸线圈为瞬时运行负荷,瞬时运行负荷每次工作时间只有0.1～0.2 s。短期运行负荷与瞬时运行负荷,只有在断路器、电动负荷开关或电动隔离开关每次合闸或分闸时才出现1次。 3 铁路智能箱变操作电源现状

目前,铁路智能箱变操作电源主要有以下几种解决方案。 (1)采用在线式UPS(方案1)

从自闭、贯通回路各引出1个低压供电回路给双电源切换装置,切换电源供给在线式UPS,再由UPS为监控装置、开关设备等提供操作电源。目前国内多数客运专线,如合宁客运专线、福厦客运专线等都采用该方案。 (2)采用后备式UPS(方案2)

采用后备式UPS方案的主要特点是,正常情况下操作电源直接取自低压端自闭、贯通回路互投以后的交流电源,只有在两路电源均失电的情况下才取自后备式的UPS。 (3)操作电源采用直流屏(方案3)

操作电源取自直流屏,此方案的所有操作机构均为直流操作机构。分合闸线圈及远动终端控制装置等均为直流供电,京津城际铁路采用此方案。 (4)采用超级电容电源装置作为后备储能电源(方案4)

正常情况下,操作电源取自低压端自闭、贯通回路互投以后的交流电源。故障情况下,由超级电容电源装置供电,可以保证在装置无电情况下延时10 min后仍可使高压分断装置自动分闸。胶济铁路采用此方案。

以上方案中,方案1的优点是在切换电源失电后,UPS可以在毫秒级切换时间内不间断为其负载供电,缺点是一旦UPS故障,则整个智能箱变将处于无操作电源状态,操作机构不能动作,智能化功能将不能实现。如果UPS故障,必须到现场旁路UPS或者更换UPS设备。方案2的优点是正常情况下均采用双路供电的低压交流电源,其可靠性已经很高。故障情况下,再由切换装置转到UPS供电状态,切换时间较长。方案3的特点是全部采用直流操作,具有高可靠性和稳定性,但是直流屏造价高、占用空间大,不适宜应用于铁路智能箱变中,另外如果直流屏故障,也将失去操作电源。方案4和方案2比较接近,所不同的是此方案采用超级电容而不是蓄电池储能,该方案的缺点是当停电时间较长后,采用超级电容的电源装置维持时间较短。

综上所述,目前不论是采用UPS、直流屏或者超级电容电源装置,均存在一定问题,形成铁路智能箱变的一个薄弱环节。

4 操作电源设计中应注意的有关问题 (1)交流操作与直流操作的选择

智能箱变采用交流操作设备简单,价格低廉。常规继电器式继电保护如果选用电流脱扣器,事故跳闸与操作电源无关,高压熔断器保护事故跳闸也与操作电源无关,所以可选用交流操作。

目前铁路远动监控装置已经得到广泛应用,由于远动监控装置通过合闸与分闸线圈进行远方合闸与分闸操作,所以必须选用可靠的后备电源。目前一般选用UPS不间断电源作为后备电源。但一般的UPS过负荷能力差,而且不宜用于感性负荷,所以应选用过载能力强,而且可以用于感性负荷的变电站用交流后备电源。在UPS的选择上力求采用全密封、免维护、在线工作方式的UPS,UPS的输出应满足所提供的远动装置等对输入电源的要求,具有一定的过负荷能力。免维护蓄电池也应能适应恶劣的室外运行环境,在交流电源失电的情况下,电池容量能够做到维持智能监控系统设备及附属设备正常工作8 h以上,被控开关分合3次以上。

智能箱变采用直流操作需要选用直流屏,价格高但可靠性也高,智能箱变采用数字式监控装置后,可优先选用直流操作。但直流电源蓄电池容量大时价格很高。现在市场有一种微型直流电源已经开始推广,其体积和UPS相当,可以提供输出电压为220、110、48 V和24 V的直流电源,为智能箱变直流操作电源提供了一个新的选择。这种微型直流电源装置本身也纳入远动系统监控范围,监视内容包括：装置工作状态、蓄电池工作状态、输入/输出电源工作状态等,并且能接收来自调度中心的遥控命令，实现远程电池活化功能。 (2)电动负荷开关与隔离开关合分闸控制

箱变中目前一次系统采用高压熔断器与负荷(隔离)开关接线方式还比较多。高压熔断器用于短路保护,电动负荷开关或隔离开关用于有铁路远动的遥控合分闸操作。 电动负荷开关与隔离开关合闸由电动机直接驱动,电流比较大,合分闸时动作时间也

比较长。要保证铁路远动遥控合分闸操作的可靠性,操作电源的可靠性就要有保证,采用UPS不间断电源驱动感性负荷的电动机时应选用过载能力强,可以驱动电动机感性负荷的直流或变电站用交流备用电源。 (3)智能箱变操作电源

智能箱变中采用负荷开关或隔离开关比较多。当铁路远动要求时就需要选用电动负荷开关或隔离开关。由于此时只有数字式(微机)监控,而无数字式(微机)保护,当有两路交流电源作为操作电源时,可以选用交流操作,但一定要选用过载能力强,而且可以带动电动负荷开关或隔离开关感性负荷的交流后备电源。为保证后备电源的可靠性,不宜选用民用UPS不间断电源。 (4)操作电源容量计算

如采用交流UPS作为操作电源,UPS的容量应按各类负载总和的1.2倍计算,考虑备用电源时,可以按1.5倍计算。UPS实际供电容量应是所选容量的80%,也就是选取1.25的系数。实际运行中,UPS运行电流不过1 A,造成这种情况的一个重要因素是为解决电动操作机构瞬时出力要求较大,必须保持足够的容量才能带动电动操作机构,但同时也使得UPS长期运行在低负荷的状态下,降低了使用寿命,增加了建设投资。通常情况下,电气专业人员应对仪表用电负荷情况进行核算,系数可按1.15～1.25选取,这样可以保证容量的选择合理。

蓄电池的实际可供使用容量与放电电流大小、蓄电池工作环境温度、蓄电池存储时间的长短、负载种类和特性(电阻性、电容性、电感性)等因素密切相关,只有在充分考虑这些因素之后,才能正确选择和确定蓄电池可供使用容量与蓄电池标称容量的比率。在交流电源失电的情况下,电池容量能够做到维持智能监控系统设备及附属设备正常工作8 h以上,被控开关分合3次以上。

如果采用直流电源装置作为操作电源,需要考虑箱变内负载和直流电源蓄电池的安时数。通常情况下,一台智能箱变需要为一套远动终端控制设备、高压负荷(隔离)开

关电力操作机构、低压断路器电动操作机构以及信号指示灯灯设备提供电源,通过负荷计算,确定直流电源的输出功率。通过计算负荷的功率,得出长期运行电流大小,结合交流失电8 h备用的要求,就可以算出需要蓄电池的容量大小。 (5)操作电源冗余设计

无论是采用交流UPS操作电源,还是直流操作电源,都存在一个是否需要考虑单点故障的问题。前述的4个电源解决方案,都存在一旦操作电源故障,即整个智能箱变操作电源失电的问题。如果在应用中不能满足设计要求,需要考虑冗余设计。 对于UPS操作电源,由于输出电压存在着波形、相位、频率等方面的差异,使得UPS的输出端不能与其他电源包括其他逆变电源并联。要提高可靠性,可采用双总线输入+UPS冗余直接并机供电系统+双总线输出+负载自动切换开关的供电方案。这是一种具有高度容错能力的冗余供电系统,只要设计妥当,就可以消除可能出现在UPS供电系统中的单点故障隐患。如在每个供电点都采用此方案,在单点供电的情况下采用双机并联热备份1+l冗余的供电方案,可使供电系统的可靠性得到很大提高,单点必然增加投资。

对于直流操作电源装置,由于直流电源不存在波形、相位、频率方面的差异,因此直流电源可以并联供电,前提是解决直流电源装置的均流问题。目前在市场上已经有该类产品。

(6)操作电源接地问题

为了保证变电站操作电源的可靠性,变电站操作电源均应采用不接地运行方式,而且应设计对地绝缘监视。采用不接地运行方式后,如果发生一点接地故障,由于没有回路故障电流就非常小,可以继续运行一定时间,此时对地绝缘监视报警后,远端主机就可以获得报警并进行相应处理。现有UPS不间断电源实现不接地运行方式,还需要在其输出端增加隔离变压器,这一点应引起注意。 5 结语

通过以上分析智能箱变操作电源的发展趋势有以下几种方式。

(1)小容量直流操作电源。微型直流电源已经开始成功应用,由于它体积小,价格适中,非常适合应用于箱式变电站场合。但其广泛推广,需要一定的实际运行效果进行检验。

(2)变电站专用交流操作电源。使用变电站的专用交流操作电源,由于其具有过载能力强,可以带感性负荷等优点,还应利用单片机技术进行自动与远程控制的充放电活化处理,以延长蓄电池的使用寿命,提高变电站操作电源的可靠性。 参考文献：

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