高速铁路箱式变电站中操作电源的研究与分析

高速铁路箱式变电站中操作电源的研究与分析

李诚

（中国铁路上海局集团有限公司徐州供电段）

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，高铁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。高铁箱变中操作电源是保证箱变可靠运行的重要组成部分，关系到箱变能否正常工作。本文分析高铁箱变操作电源的种类及其优缺点，并对其负荷性质、使用现状及设计选择的有关问题进行分析，并提出操作电源今后的发展趋势。

关键词：高铁箱变；操作电源；直流操作；交流操作；可靠性

0引言

高速铁路在线路上设置箱变，以实现对高铁车辆通信、信号及信息等信号的传递。通过RTU实现后台调度端遥测、遥信、遥调、遥控的功能。如遇故障，可以快速隔离故障区段，恢复非故障区段供电，先通后复，保证行车畅通，极大的增加了铁路供电系统的稳定性和可靠性，其中，操作电源是保证其可靠运行的重要组成部分。一旦在日常高铁箱变运行的时候操作电源失电报警，会对高铁动车组在线路上的通行产生极其严重的隐患，严重时将会导致安全事故发生，因此必须提供安全稳定可靠的操作电源。

1 操作电源分类

操作电源分为交流与直流两种。交流操作电源可直接取自所用变或变压器220/380V低压侧。

直流操作电源是利用整流技术将AC220/380V交流电转换为DC220V、DC110V或DC48V直流作为操作电源，并给蓄电池组浮充电。[1]

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[2]。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分合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10~30S。负荷开关分合闸时分合闸线圈为瞬时运行负荷，瞬时运行负荷每次工作时间只有0.1~0.2S。

3 高铁箱变操作电源现状

目前，高铁箱变操作电源主要有以下几种方案。

3.1 采用在线式 UPS（方案 1）

从一级贯通、综合贯通回路各引出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。

3.2 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一级贯通、综合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。目前青盐高铁采用该方案。

3.3 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，京津城际铁路便采用此方案。

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，如果UPS故障，必须到现场更换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，不适宜应用于铁路高铁箱变中。

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，形成高铁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

4.1 交流操作与直流操作的选择

高铁箱变采用交流操作，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。

高铁箱变采用直流操作时需要选用直流屏，价格高但可靠性也高，高铁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[3]。

4.2 电动负荷开关与隔离开关分合闸控制

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分合闸操作。

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，分合闸时动作时间也比较长。要保证铁路远动遥控分合闸操作的可靠性，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。

4.3 高铁箱变操作电源

高铁箱变中采用负荷开关或隔离开关比较多。当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[4]。

4.4 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。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[5]，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8h以上，被控开关分合3次以上。

4.5 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。如果在应用中不能满足设计要求，需要考虑冗余设计。

要提高UPS操作电源可靠性，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+1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[6]。

5 结语

通过以上分析，高铁箱变操作电源的发展趋势有以下几种方式。

5.1 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。

5.2 高铁箱变专用交流操作电源。

使用高铁箱变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，提高高铁箱变操作电源的可靠性。

参考文献

[1] 丁杰，李英武，肖艳义，等. 变电站操作电源有关问题分析[J]. 建筑电气，2012，31（5）：19-22.

[2] 翟佑华. 直流电源代替 UPS 电源和交流电源的优点及方法[J]. 电工技术，2011（12）：31-32.

[3] 刘心爱. 铁路智能型箱式变电站操作电源分析[J]. 铁道标准设计，2016（11）：107-109.

[4] 姚崇武. 铁路智能型箱式变电站应用[J]. 科技广场， 2009（9）：207-209.

[5] 潘军 . 蓄电池充电系统的研究与设计 [D]. 南京航空航天大学，2009.

[6] 张延聪 .UPS 电源蓄电池的正确使用与维护 [J]. 煤炭科技，2006（3）：31-32