鐵路通信高頻開(kāi)關(guān)電源改造與實(shí)踐

鮑節(jié)爾

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海通信段，上海 200434)

1 概述

伴隨我國(guó)鐵路的大規(guī)模建設(shè)，鐵路通信系統(tǒng)也得到迅猛發(fā)展，穩(wěn)定可靠的開(kāi)關(guān)電源設(shè)備對(duì)于鐵路通信設(shè)備的正常運(yùn)行越來(lái)越重要。開(kāi)關(guān)電源設(shè)備主要由交流配電單元、整流單元、監(jiān)控單元、直流配電單元等部分組成，通過(guò)配置多個(gè)整流模塊和蓄電池實(shí)現(xiàn)冗余保護(hù)，通過(guò)配置ATSE完成兩路輸入交流電源的切換，切換后的一路交流電源為整流模塊供電。

本文通過(guò)分析研究目前開(kāi)關(guān)電源設(shè)備存在兩路交流外電切換失效，導(dǎo)致通信設(shè)備失去供電宕機(jī)的案例，找出問(wèn)題根本原因，提出合理有效的解決方案并實(shí)施，從而確保鐵路通信設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 既有開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)狀

目前上海通信段共有開(kāi)關(guān)電源3 600余套，安裝在段管內(nèi)的3 000余處通信機(jī)房中。除部分一、二類(lèi)通信機(jī)房安裝兩套開(kāi)關(guān)電源，實(shí)現(xiàn)兩套直流電源系統(tǒng)供電外，其余通信機(jī)房均安裝一套開(kāi)關(guān)電源，單路直流電源系統(tǒng)供電。與兩路直流電源系統(tǒng)供電相比，單路直流電源系統(tǒng)供電對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求更高，若開(kāi)關(guān)電源及其蓄電池組不能正常工作，將直接影響通信設(shè)備供電。

3 存在的不足

考慮供電安全性，鐵路高頻開(kāi)關(guān)電源，均要求引入兩路交流電源，在交流配電單元設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)（ATSE），經(jīng)切換后輸出交流電源至整流模塊或其他分路。整流模塊經(jīng)變壓、濾波等工序后輸出穩(wěn)定的-48 V直流電源供通信設(shè)備使用，如圖1所示。

從圖1中可以看出，ATSE是交流配電單元中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其性能質(zhì)量決定了交流配電單元乃至整個(gè)供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。如果ATSE故障，不能正常切換或切換不到位會(huì)造成無(wú)交流輸出的情況發(fā)生，必然由蓄電池向通信設(shè)備供電。此時(shí)，當(dāng)因蓄電池劣化等原因造成蓄電池放電時(shí)間無(wú)法滿(mǎn)足搶修處置時(shí)間時(shí)，將面臨通信設(shè)備因無(wú)直流電而宕機(jī)的危險(xiǎn)。

1）ATSE故障導(dǎo)致交流電無(wú)法對(duì)通信設(shè)備進(jìn)行供電。2013年3月27日京滬高鐵某通信機(jī)房開(kāi)關(guān)電源在兩路外電停電恢復(fù)供電后，由于該開(kāi)關(guān)電源的ATSE切換時(shí)卡死，造成下部端子無(wú)交流輸出，整流模塊無(wú)法工作，致使蓄電池過(guò)放電欠壓保護(hù)，造成直流供電中斷，導(dǎo)致本站通信機(jī)房傳輸、接入、數(shù)據(jù)、交換、數(shù)調(diào)等相關(guān)通信設(shè)備宕機(jī)，影響京滬高鐵本站及相鄰站間的自動(dòng)電話(huà)、調(diào)度電話(huà)、G網(wǎng)電話(huà)、CTC等業(yè)務(wù)，影響多趟高鐵列車(chē)，定性為鐵路一般D類(lèi)事故。

2）特殊環(huán)境導(dǎo)致ATSE故障率較高。因一路交流電停電、供電部門(mén)檢修供電線(xiàn)路、開(kāi)關(guān)電源兩路電倒換試驗(yàn)等原因，供鐵路通信使用的兩路電切換次數(shù)較多，造成ATSE機(jī)械裝置頻繁切換動(dòng)作，加速機(jī)械裝置老化。上海通信段管內(nèi)每年都有ATSE在切換時(shí)發(fā)生故障導(dǎo)致不能對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電的案例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013～2016年間共發(fā)生ATSE不能正常切換的故障35件，降低了鐵路通信電源的整體可靠性，影響鐵路通信網(wǎng)絡(luò)暢通及鐵路通信業(yè)務(wù)的穩(wěn)定運(yùn)用。

4 改造原理和方案

設(shè)備管理的核心任務(wù)是保證設(shè)備的安全可靠性，提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，實(shí)現(xiàn)杜絕設(shè)備事故、控制維修費(fèi)用、確保勞動(dòng)安全的根本目標(biāo)。因此，降低或杜絕因ATSE故障造成的影響成為必須研究的課題。

為確保開(kāi)關(guān)電源整流模塊輸出間并聯(lián)后能正常運(yùn)行，杜絕并聯(lián)的各個(gè)整流模塊因外特性不一致而造成的空載、降低分擔(dān)電流多的模塊的可靠性，實(shí)現(xiàn)完全穩(wěn)定可靠的全冗余系統(tǒng)，必須采用并聯(lián)模塊均流技術(shù)，保證各模塊間電應(yīng)力和熱應(yīng)力的均勻、合理分配，均分負(fù)載電流，防止一個(gè)或多個(gè)模塊工作與電流極限狀態(tài)。常用的并聯(lián)均流技術(shù)有輸出阻抗法、主/從設(shè)置法、平均電流自動(dòng)均流法、最大電流自動(dòng)均流法、熱應(yīng)力自動(dòng)均流法、外加均流控制器均流法等。

利用開(kāi)關(guān)電源整流模塊均流穩(wěn)壓的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)存在問(wèn)題的分析和對(duì)不同廠(chǎng)家不同型號(hào)開(kāi)關(guān)電源設(shè)備的研究，采用分布式電源系統(tǒng)的思路，結(jié)合鐵路通信直流供電實(shí)際需求，我們對(duì)開(kāi)關(guān)電源交流配電結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化改造。將每臺(tái)開(kāi)關(guān)電源的整流模塊均分成兩組，使兩路交流電不再經(jīng)過(guò)ATSE切換，分別直接給每組整流模塊供電，兩組整流模塊直流輸出至同一直流母排上，共同對(duì)直流負(fù)載進(jìn)行供電，改造后如圖2所示。

圖2 開(kāi)關(guān)電源電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of switching power circuit after transformation

改造后的開(kāi)關(guān)電源分成兩組整流模塊組，每組不少于兩個(gè)模塊，每組的模塊輸出并聯(lián)，其容量可以按需擴(kuò)容，每組實(shí)現(xiàn)了完整穩(wěn)定可靠的全冗余系統(tǒng)，兩組整流模塊在一臺(tái)開(kāi)關(guān)電源內(nèi)實(shí)現(xiàn)了“兩臺(tái)”開(kāi)關(guān)電源的功能。由于輸入交流電源不經(jīng)過(guò)ATSE，只要任意一路交流有電，相應(yīng)的整流模塊組始終工作，杜絕因ATSE故障造成的整流模塊停機(jī)，大大提高了電源系統(tǒng)的安全性，確保通信設(shè)備在線(xiàn)工作。

5 安全效益分析

2016～2018年間，上海通信段組織對(duì)管內(nèi)京滬、寧杭、杭深、金溫、寧安等多條高鐵線(xiàn)1 000余套通信開(kāi)關(guān)電源實(shí)施技術(shù)改造，方案簡(jiǎn)單易實(shí)施，改造成本較低，改造后的安全效益明顯。

1）開(kāi)關(guān)電源可靠性明顯提升。通過(guò)技術(shù)改造可以有效解決高頻開(kāi)關(guān)電源內(nèi)ATSE故障引起的直流供電系統(tǒng)中斷的情況，提高開(kāi)關(guān)電源安全可靠性。上海通信段管內(nèi)實(shí)施技術(shù)改造后的1 000余套通信開(kāi)關(guān)電源，未再發(fā)生因ATSE設(shè)備失效造成直流供電中斷的情況，有效保障了鐵路通信系統(tǒng)的安全運(yùn)行，如圖3所示。

圖3 ATSE設(shè)備失效事件統(tǒng)計(jì)圖Fig.3 ATSE equipment failure accident statistical diagram

2）改造成本較低。改造所涉及主要材料為防雷單元和電源配線(xiàn)，改造后開(kāi)關(guān)電源的整流模塊按“N+N”分兩組進(jìn)行配置，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備用電量對(duì)整流模塊數(shù)量進(jìn)行重新配置。一般情況下，對(duì)一套開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行改造的防雷單元和配線(xiàn)材料成本，占整個(gè)開(kāi)關(guān)電源成本的2%左右。

3）改造作業(yè)易實(shí)施。一臺(tái)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)改造只涉及拆除和新增部分電源線(xiàn)，增加防雷單元，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可以在30 min內(nèi)完成作業(yè)。無(wú)論高速鐵路還是普速鐵路天窗時(shí)間，均滿(mǎn)足作業(yè)要求，避免了通信作業(yè)對(duì)運(yùn)輸生產(chǎn)的干擾。作業(yè)時(shí)停用兩路交流電，通信設(shè)備利用蓄電池組供電，既滿(mǎn)足通信設(shè)備正常供電需求，又確保作業(yè)期間的勞動(dòng)安全。且批量改造時(shí)，可提前制作配線(xiàn)，進(jìn)一步降低作業(yè)難度并減少作業(yè)時(shí)間。

4）有效提高蓄電池壽命。改造前交流停電時(shí)ATSE切換動(dòng)作都會(huì)有一定時(shí)延，在此期間所有整流模塊有一個(gè)停機(jī)再起機(jī)的過(guò)程，并且蓄電池進(jìn)行短暫放電。經(jīng)過(guò)改造后只要有一路交流正常工作，其對(duì)應(yīng)的一組整流模塊就會(huì)正常工作，蓄電池就不會(huì)產(chǎn)生放電，減少蓄電池非正常充放電次數(shù)，提高了電池使用壽命。

6 結(jié)論

本文論述的鐵路通信高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)改造方案，簡(jiǎn)單易操作，安全可靠，成本低。改造后消除了因ATSE失效造成直流供電中斷的可能性，直流供電系統(tǒng)更加安全可靠。經(jīng)過(guò)在上海通信段管內(nèi)實(shí)踐證明，該方案的可行性、安全性得到驗(yàn)證，可供參考借鑒。