鐵路智能型箱式變電站操作電源分析

劉心愛(ài)

(廣東省東南城際軌道交通有限公司,廣州 510621)

智能型箱式變電站(簡(jiǎn)稱(chēng)智能箱變)在普通箱式變電站基礎(chǔ)上增加了四遙智能化功能,即遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控。在特定自主軟件配合下,能實(shí)現(xiàn)故障區(qū)段自動(dòng)定位、故障切除等功能,從而保證在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)送電,大大提高了鐵路通信信號(hào)電源系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,智能箱變中的操作電源是保證其可靠運(yùn)行的重要組成部分。

操作電源是為高壓開(kāi)關(guān)柜、低壓配電柜中的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)、遠(yuǎn)動(dòng)終端控制裝置(RTU)或智能測(cè)控裝置及信號(hào)指示等設(shè)備提供工作電源的設(shè)備,其中供給高壓電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的合分閘操作電源又可分為操動(dòng)機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能電源以及合分閘線圈需要的控制電源。智能箱變中操作電源如果斷電,將給鐵路安全運(yùn)行帶來(lái)非常嚴(yán)重的隱患乃至巨大損失,所以智能箱變的操作電源的可靠性必須保證。

1 操作電源分類(lèi)

操作電源分為交流與直流兩種,分別稱(chēng)為交流操作電源與直流操作電源。交流操作電源可直接取自所用變或變壓器220/380 V低壓側(cè),小型變電站也可以取自電壓互感器(需要設(shè)計(jì)100/220 V升壓變壓器)。

直流操作電源是利用整流技術(shù)將AC220/380 V交流電轉(zhuǎn)換為DC220V、DC110V或DC48V直流作為操作電源,同時(shí)配備相應(yīng)電壓等級(jí)的蓄電池組,平時(shí)由AC220/380 V交流電源通過(guò)整流后供電,并給蓄電池組浮充電。AC220/380 V交流電源斷電后,自動(dòng)而且無(wú)延時(shí)切換到由蓄電池組供電。

2 操作電源負(fù)荷性質(zhì)

操作電源的負(fù)荷性質(zhì)可分為長(zhǎng)期運(yùn)行負(fù)荷、短期運(yùn)行負(fù)荷及瞬時(shí)運(yùn)行負(fù)荷。遠(yuǎn)動(dòng)終端控制裝置或智能測(cè)控裝置、信號(hào)指示等為長(zhǎng)期運(yùn)行負(fù)荷,電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)的合分閘操動(dòng)機(jī)構(gòu)操作電源為短期運(yùn)行負(fù)荷,短期運(yùn)行負(fù)荷每次工作時(shí)間只有10～30 s。負(fù)荷開(kāi)關(guān)合分閘時(shí)合分閘線圈為瞬時(shí)運(yùn)行負(fù)荷,瞬時(shí)運(yùn)行負(fù)荷每次工作時(shí)間只有0.1～0.2 s。短期運(yùn)行負(fù)荷與瞬時(shí)運(yùn)行負(fù)荷,只有在斷路器、電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)或電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)每次合閘或分閘時(shí)才出現(xiàn)1次。

3 鐵路智能箱變操作電源現(xiàn)狀

目前,鐵路智能箱變操作電源主要有以下幾種解決方案。

(1)采用在線式UPS(方案1)

從自閉、貫通回路各引出1個(gè)低壓供電回路給雙電源切換裝置,切換電源供給在線式UPS,再由UPS為監(jiān)控裝置、開(kāi)關(guān)設(shè)備等提供操作電源。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)客運(yùn)專(zhuān)線,如合寧客運(yùn)專(zhuān)線、福廈客運(yùn)專(zhuān)線等都采用該方案。

(2)采用后備式UPS(方案2)

采用后備式UPS方案的主要特點(diǎn)是,正常情況下操作電源直接取自低壓端自閉、貫通回路互投以后的交流電源,只有在兩路電源均失電的情況下才取自后備式的UPS。

(3)操作電源采用直流屏(方案3)

操作電源取自直流屏,此方案的所有操作機(jī)構(gòu)均為直流操作機(jī)構(gòu)。分合閘線圈及遠(yuǎn)動(dòng)終端控制裝置等均為直流供電,京津城際鐵路采用此方案。

(4)采用超級(jí)電容電源裝置作為后備儲(chǔ)能電源(方案4)

正常情況下,操作電源取自低壓端自閉、貫通回路互投以后的交流電源。故障情況下,由超級(jí)電容電源裝置供電,可以保證在裝置無(wú)電情況下延時(shí)10 min后仍可使高壓分?jǐn)嘌b置自動(dòng)分閘。膠濟(jì)鐵路采用此方案。

以上方案中,方案1的優(yōu)點(diǎn)是在切換電源失電后,UPS可以在毫秒級(jí)切換時(shí)間內(nèi)不間斷為其負(fù)載供電,缺點(diǎn)是一旦UPS故障,則整個(gè)智能箱變將處于無(wú)操作電源狀態(tài),操作機(jī)構(gòu)不能動(dòng)作,智能化功能將不能實(shí)現(xiàn)。如果UPS故障,必須到現(xiàn)場(chǎng)旁路UPS或者更換UPS設(shè)備。方案2的優(yōu)點(diǎn)是正常情況下均采用雙路供電的低壓交流電源,其可靠性已經(jīng)很高。故障情況下,再由切換裝置轉(zhuǎn)到UPS供電狀態(tài),切換時(shí)間較長(zhǎng)。方案3的特點(diǎn)是全部采用直流操作,具有高可靠性和穩(wěn)定性,但是直流屏造價(jià)高、占用空間大,不適宜應(yīng)用于鐵路智能箱變中,另外如果直流屏故障,也將失去操作電源。方案4和方案2比較接近,所不同的是此方案采用超級(jí)電容而不是蓄電池儲(chǔ)能,該方案的缺點(diǎn)是當(dāng)停電時(shí)間較長(zhǎng)后,采用超級(jí)電容的電源裝置維持時(shí)間較短。

綜上所述,目前不論是采用UPS、直流屏或者超級(jí)電容電源裝置,均存在一定問(wèn)題,形成鐵路智能箱變的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。

4 操作電源設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的有關(guān)問(wèn)題

(1)交流操作與直流操作的選擇

智能箱變采用交流操作設(shè)備簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉。常規(guī)繼電器式繼電保護(hù)如果選用電流脫扣器,事故跳閘與操作電源無(wú)關(guān),高壓熔斷器保護(hù)事故跳閘也與操作電源無(wú)關(guān),所以可選用交流操作。

目前鐵路遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控裝置已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,由于遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控裝置通過(guò)合閘與分閘線圈進(jìn)行遠(yuǎn)方合閘與分閘操作,所以必須選用可靠的后備電源。目前一般選用UPS不間斷電源作為后備電源。但一般的UPS過(guò)負(fù)荷能力差,而且不宜用于感性負(fù)荷,所以應(yīng)選用過(guò)載能力強(qiáng),而且可以用于感性負(fù)荷的變電站用交流后備電源。在UPS的選擇上力求采用全密封、免維護(hù)、在線工作方式的UPS,UPS的輸出應(yīng)滿(mǎn)足所提供的遠(yuǎn)動(dòng)裝置等對(duì)輸入電源的要求,具有一定的過(guò)負(fù)荷能力。免維護(hù)蓄電池也應(yīng)能適應(yīng)惡劣的室外運(yùn)行環(huán)境,在交流電源失電的情況下,電池容量能夠做到維持智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備及附屬設(shè)備正常工作8 h以上,被控開(kāi)關(guān)分合3次以上。

智能箱變采用直流操作需要選用直流屏,價(jià)格高但可靠性也高,智能箱變采用數(shù)字式監(jiān)控裝置后,可優(yōu)先選用直流操作。但直流電源蓄電池容量大時(shí)價(jià)格很高?，F(xiàn)在市場(chǎng)有一種微型直流電源已經(jīng)開(kāi)始推廣,其體積和UPS相當(dāng),可以提供輸出電壓為220、110、48 V和24 V的直流電源,為智能箱變直流操作電源提供了一個(gè)新的選擇。這種微型直流電源裝置本身也納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)控范圍,監(jiān)視內(nèi)容包括：裝置工作狀態(tài)、蓄電池工作狀態(tài)、輸入/輸出電源工作狀態(tài)等,并且能接收來(lái)自調(diào)度中心的遙控命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程電池活化功能。

(2)電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與隔離開(kāi)關(guān)合分閘控制

箱變中目前一次系統(tǒng)采用高壓熔斷器與負(fù)荷(隔離)開(kāi)關(guān)接線方式還比較多。高壓熔斷器用于短路保護(hù),電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)用于有鐵路遠(yuǎn)動(dòng)的遙控合分閘操作。

電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)與隔離開(kāi)關(guān)合閘由電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng),電流比較大,合分閘時(shí)動(dòng)作時(shí)間也比較長(zhǎng)。要保證鐵路遠(yuǎn)動(dòng)遙控合分閘操作的可靠性,操作電源的可靠性就要有保證,采用UPS不間斷電源驅(qū)動(dòng)感性負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)選用過(guò)載能力強(qiáng),可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)感性負(fù)荷的直流或變電站用交流備用電源。

(3)智能箱變操作電源

智能箱變中采用負(fù)荷開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)比較多。當(dāng)鐵路遠(yuǎn)動(dòng)要求時(shí)就需要選用電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)。由于此時(shí)只有數(shù)字式(微機(jī))監(jiān)控,而無(wú)數(shù)字式(微機(jī))保護(hù),當(dāng)有兩路交流電源作為操作電源時(shí),可以選用交流操作,但一定要選用過(guò)載能力強(qiáng),而且可以帶動(dòng)電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)或隔離開(kāi)關(guān)感性負(fù)荷的交流后備電源。為保證后備電源的可靠性,不宜選用民用UPS不間斷電源。

(4)操作電源容量計(jì)算

如采用交流UPS作為操作電源,UPS的容量應(yīng)按各類(lèi)負(fù)載總和的1.2倍計(jì)算,考慮備用電源時(shí),可以按1.5倍計(jì)算。UPS實(shí)際供電容量應(yīng)是所選容量的80%,也就是選取1.25的系數(shù)。實(shí)際運(yùn)行中,UPS運(yùn)行電流不過(guò)1 A,造成這種情況的一個(gè)重要因素是為解決電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)瞬時(shí)出力要求較大,必須保持足夠的容量才能帶動(dòng)電動(dòng)操作機(jī)構(gòu),但同時(shí)也使得UPS長(zhǎng)期運(yùn)行在低負(fù)荷的狀態(tài)下,降低了使用壽命,增加了建設(shè)投資。通常情況下,電氣專(zhuān)業(yè)人員應(yīng)對(duì)儀表用電負(fù)荷情況進(jìn)行核算,系數(shù)可按1.15～1.25選取,這樣可以保證容量的選擇合理。

蓄電池的實(shí)際可供使用容量與放電電流大小、蓄電池工作環(huán)境溫度、蓄電池存儲(chǔ)時(shí)間的長(zhǎng)短、負(fù)載種類(lèi)和特性(電阻性、電容性、電感性)等因素密切相關(guān),只有在充分考慮這些因素之后,才能正確選擇和確定蓄電池可供使用容量與蓄電池標(biāo)稱(chēng)容量的比率。在交流電源失電的情況下,電池容量能夠做到維持智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備及附屬設(shè)備正常工作8 h以上,被控開(kāi)關(guān)分合3次以上。

如果采用直流電源裝置作為操作電源,需要考慮箱變內(nèi)負(fù)載和直流電源蓄電池的安時(shí)數(shù)。通常情況下,一臺(tái)智能箱變需要為一套遠(yuǎn)動(dòng)終端控制設(shè)備、高壓負(fù)荷(隔離)開(kāi)關(guān)電力操作機(jī)構(gòu)、低壓斷路器電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)以及信號(hào)指示燈燈設(shè)備提供電源,通過(guò)負(fù)荷計(jì)算,確定直流電源的輸出功率。通過(guò)計(jì)算負(fù)荷的功率,得出長(zhǎng)期運(yùn)行電流大小,結(jié)合交流失電8 h備用的要求,就可以算出需要蓄電池的容量大小。

(5)操作電源冗余設(shè)計(jì)

無(wú)論是采用交流UPS操作電源,還是直流操作電源,都存在一個(gè)是否需要考慮單點(diǎn)故障的問(wèn)題。前述的4個(gè)電源解決方案,都存在一旦操作電源故障,即整個(gè)智能箱變操作電源失電的問(wèn)題。如果在應(yīng)用中不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,需要考慮冗余設(shè)計(jì)。

對(duì)于UPS操作電源,由于輸出電壓存在著波形、相位、頻率等方面的差異,使得UPS的輸出端不能與其他電源包括其他逆變電源并聯(lián)。要提高可靠性,可采用雙總線輸入+UPS冗余直接并機(jī)供電系統(tǒng)+雙總線輸出+負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)的供電方案。這是一種具有高度容錯(cuò)能力的冗余供電系統(tǒng),只要設(shè)計(jì)妥當(dāng),就可以消除可能出現(xiàn)在UPS供電系統(tǒng)中的單點(diǎn)故障隱患。如在每個(gè)供電點(diǎn)都采用此方案,在單點(diǎn)供電的情況下采用雙機(jī)并聯(lián)熱備份1+l冗余的供電方案,可使供電系統(tǒng)的可靠性得到很大提高,單點(diǎn)必然增加投資。

對(duì)于直流操作電源裝置,由于直流電源不存在波形、相位、頻率方面的差異,因此直流電源可以并聯(lián)供電,前提是解決直流電源裝置的均流問(wèn)題。目前在市場(chǎng)上已經(jīng)有該類(lèi)產(chǎn)品。

(6)操作電源接地問(wèn)題

為了保證變電站操作電源的可靠性,變電站操作電源均應(yīng)采用不接地運(yùn)行方式,而且應(yīng)設(shè)計(jì)對(duì)地絕緣監(jiān)視。采用不接地運(yùn)行方式后,如果發(fā)生一點(diǎn)接地故障,由于沒(méi)有回路故障電流就非常小,可以繼續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間,此時(shí)對(duì)地絕緣監(jiān)視報(bào)警后,遠(yuǎn)端主機(jī)就可以獲得報(bào)警并進(jìn)行相應(yīng)處理。現(xiàn)有UPS不間斷電源實(shí)現(xiàn)不接地運(yùn)行方式,還需要在其輸出端增加隔離變壓器,這一點(diǎn)應(yīng)引起注意。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析智能箱變操作電源的發(fā)展趨勢(shì)有以下幾種方式。

(1)小容量直流操作電源。微型直流電源已經(jīng)開(kāi)始成功應(yīng)用,由于它體積小,價(jià)格適中,非常適合應(yīng)用于箱式變電站場(chǎng)合。但其廣泛推廣,需要一定的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

(2)變電站專(zhuān)用交流操作電源。使用變電站的專(zhuān)用交流操作電源,由于其具有過(guò)載能力強(qiáng),可以帶感性負(fù)荷等優(yōu)點(diǎn),還應(yīng)利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)與遠(yuǎn)程控制的充放電活化處理,以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,提高變電站操作電源的可靠性。

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