一種鐵路信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備調(diào)試負(fù)載的設(shè)計(jì)

劉吉業(yè)

（天津鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，天津 300300）

隨著國(guó)內(nèi)鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，鐵路信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備（以下簡(jiǎn)稱電源系統(tǒng)設(shè)備）的市場(chǎng)需求量也在逐年攀升，為了確保電源系統(tǒng)設(shè)備的制造質(zhì)量穩(wěn)定可靠，急需建立適用于目前鐵路站場(chǎng)電源系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)調(diào)試的綜合測(cè)試安全平臺(tái)（簡(jiǎn)稱測(cè)試平臺(tái)）。測(cè)試平臺(tái)主要包括電源輸入綜合測(cè)試系統(tǒng)、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)和老化負(fù)載系統(tǒng)4個(gè)部分。其中調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)是測(cè)試平臺(tái)的核心，要求能夠?yàn)檎纂娫聪到y(tǒng)設(shè)備的各路輸出電源同時(shí)施加精確負(fù)載進(jìn)行調(diào)試，以確保電源系統(tǒng)設(shè)備的基本功能及各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。本文將結(jié)合歐姆定律和串并聯(lián)電路原理，以AC220 V 50 Hz輸出電源為例，論述測(cè)試平臺(tái)調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。

1 設(shè)計(jì)方案

為使測(cè)試平臺(tái)測(cè)試的輸出電源制式種類更全面，將鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鐵路信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備》（TB/T 1528 -2018）中的輸出電源種類進(jìn)行分析和歸納，再結(jié)合近幾年電源系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)的技術(shù)條件，整理了常規(guī)制式電源系統(tǒng)設(shè)備所有額定容量、輸出電源種類、額定輸出電壓及電流值統(tǒng)計(jì)表。為便于分析，本文只摘錄了其中額定輸出電壓為AC220 V 50 Hz的部分，如表1所示，并以此為例展開設(shè)計(jì)方案論述。

表1 電源系統(tǒng)設(shè)備額定容量、輸出電源種類、額定輸出電壓及電流值統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics table of rated capacity, output power type, rated output voltage and current of power supply system equipments

將表1中各列不同容量電源系統(tǒng)設(shè)備的輸出電源路數(shù)進(jìn)行比較，篩選出30 kVA電源系統(tǒng)設(shè)備的輸出電源數(shù)量最多，可達(dá)16路，因此需要設(shè)計(jì)的負(fù)載系統(tǒng)至少應(yīng)滿足16路電源同時(shí)加載調(diào)試。如果再預(yù)留2路備用，則需要設(shè)計(jì)18路負(fù)載。表1中所有負(fù)載電流（滿載）種類有 ：1 A、2 A、2.5 A、4 A、5 A、6.3 A、10 A、12.5 A、16 A。 此 外，《 鐵 路信號(hào)電源系統(tǒng)設(shè)備 第1部分：通用要求》（TB/T 1528.1-2018）中5.6.5.1規(guī)定：“當(dāng)輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，電源系統(tǒng)設(shè)備各輸出回路負(fù)載在額定值的30%～100%范圍變化時(shí)，輸出電壓允許波動(dòng)應(yīng)維持在AC220 V±10 V范圍內(nèi)”，因此還應(yīng)考慮30%負(fù)載情況，其對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流值如表2所示。

從表2中可以看出，共有18個(gè)不同的負(fù)載電流值，這些電流值在調(diào)試過程中均有可能會(huì)出現(xiàn)。為了使調(diào)試負(fù)載通用性更強(qiáng)，考慮將上文中提到的18路負(fù)載，按照每一路都能滿足這18種負(fù)載電流的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。為此，以其中的1路負(fù)載為例，設(shè)計(jì)了3種方案進(jìn)行優(yōu)選。

表2 AC220 V電源額定輸出電流種類統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics table of rated output current types of AC220 V power supply

方案一：把標(biāo)配輸出額定電流分成30%和70%兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

額定電流值主要是以表1中繼電聯(lián)鎖30 kVA和計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖30 kVA電源種類為基礎(chǔ)，相應(yīng)增加部分電流值，可以設(shè)置為5 A負(fù)載8路、4 A負(fù)載 6路、6.3 A 負(fù) 載 1路、2 A 負(fù) 載 1路、10 A負(fù)載2路，共18路。 每路分成30%負(fù)載和70%負(fù)載兩部分，電氣原理如圖1所示。只閉合斷路器QF1即可滿足30%負(fù)載要求；同時(shí)閉合斷路器QF1和QF2即可滿足滿載要求，還可以利用滑動(dòng)變阻器Rt進(jìn)行微調(diào)。

圖1 方案一電氣原理Fig.1 Electrical schematic diagram of scheme 1

其中 16 A 負(fù)載可以用 10 A、4 A 和 2 A 負(fù)載在接線端子上進(jìn)行并聯(lián)拼湊；2.5 A可以用兩個(gè)5 A負(fù)載在接線端子上進(jìn)行串聯(lián)拼湊。

該方案原理較為簡(jiǎn)單，只要選擇合適的電阻通過串并聯(lián)即可實(shí)現(xiàn)功能。但如果標(biāo)識(shí)不清，操作過程中容易造成混亂，也會(huì)給調(diào)試加載帶來隱患。

方案二：設(shè)置常用標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載若干，應(yīng)用臨時(shí)跨接線搭建串并聯(lián)電路，湊出需要的負(fù)載值。

用一排5 A電阻、一排4 A電阻、一排用于微調(diào)的電阻、一排斷路器，全部連接到塞孔端子上，利用帶插塞的導(dǎo)線在端子上臨時(shí)跨接連通電路。為便于分析，只選取該電氣原理圖的一部分進(jìn)行論述。當(dāng)需要為AC220 V電源提供12.5 A負(fù)載時(shí)，可按照如圖2所示電路接配線。以此類推，通過改變臨時(shí)跨接線的連線方式，可得到表2中其他電流值負(fù)載。

圖2 方案二電氣原理Fig.2 Electrical schematic diagram of scheme 2

該方案較為復(fù)雜，對(duì)操作者的技能水平要求較高，需備有大量臨時(shí)跨接線，接線效率較低而且很容易接錯(cuò)。

方案三：采用阻值利用率高的電阻通過斷路器控制進(jìn)行并聯(lián)組合的方式。

利用自然數(shù)1～9任意組合相加，每個(gè)數(shù)字只用一次，拼湊從1～12的所有數(shù)字，發(fā)現(xiàn)只要有1、2、4、5就可以全部拼湊完成，如表3所示。因此，可以選用這4個(gè)電流值所對(duì)應(yīng)的電阻進(jìn)行有效并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)表2中10 A以內(nèi)的所有整數(shù)電流值。

表3 利用自然數(shù)1、2、4、5拼湊的12以內(nèi)數(shù)字Tab.3 Numbers up to 12 pieced together with natural numbers 1, 2, 4 and 5

以此類推，可以用0.1、0.2、0.4、0.5拼湊出從0.1～1.2之間的十分位小數(shù)，以滿足30%負(fù)載小數(shù)以及整路負(fù)載微調(diào)的需求。

綜上，18路負(fù)載中有15路都可以用0.1 A、0.2 A、0.4 A、0.5 A、1 A、2 A、4 A、5 A 負(fù) 載通過斷路器控制進(jìn)行選擇性并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)負(fù)載值從0.1～13.2 A的連續(xù)可調(diào)，電氣原理如圖3所示。為了滿足16 A負(fù)載的需要，其他3路在此基礎(chǔ)上再增加一只10 A負(fù)載，因此10 A額定負(fù)載也不再需要拼湊。通過控制斷路器開合狀態(tài)可以方便地實(shí)現(xiàn)負(fù)載的接入與斷開，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載電流值的精確調(diào)節(jié)，操作靈活方便，可明顯提高調(diào)試工作效率。

經(jīng)過對(duì)比分析，方案三無論從設(shè)計(jì)合理性、操作便捷性以及對(duì)操作者技能水平要求等方面均優(yōu)于其他方案。本文討論的僅僅是AC220 V 50 Hz電源系統(tǒng)設(shè)備的負(fù)載設(shè)計(jì)情況，其他電源如DC220 V、DC24 V、DC48 V、AC24 V、AC380 V 等均參照此方案設(shè)計(jì)，這里不再論述。

2 關(guān)鍵元器件選型

根據(jù)如圖3所示電氣原理，調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)所用關(guān)鍵元器件主要有斷路器、電阻器、電壓表及電流表。

圖3 方案三電氣原理Fig.3 Electrical schematic diagram of scheme 3

由于調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)功率較大，而且精度要求較高，因此選用高精度DR大功率繞線電阻作為各路輸出電源的主要消耗功率器件。為了使其不至于過熱、發(fā)紅，消除安全隱患，延長(zhǎng)負(fù)載使用壽命，在選型時(shí)可考慮2 ～3倍的功率余量。同時(shí)為節(jié)約安裝空間，降低機(jī)柜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度，可將同一支路的多個(gè)小功率電阻繞制在一只電阻支架上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)電阻多個(gè)阻值的布局。

系統(tǒng)選用斷路器來實(shí)現(xiàn)對(duì)各分支電阻器的通斷控制，容量按照每一路負(fù)載容量的1.2～1.5倍進(jìn)行選擇，能夠有效控制負(fù)載的通斷與過流、短路。通過上合印有不同電流值的斷路器進(jìn)行負(fù)載電阻的切換和累加，以實(shí)現(xiàn)精確加載，如圖4所示。

圖4 單支輸出回路加載控制斷路器實(shí)物Fig.4 Real product picture of single output loop loaded with control breaker

系統(tǒng)選用0.5級(jí)精度的數(shù)顯儀表，方便調(diào)試人員觀察當(dāng)前電源輸出回路的電壓值和電流值，判定加載操作的正確性，提高系統(tǒng)調(diào)試工作的質(zhì)量和效率。

3 結(jié)構(gòu)及布局設(shè)計(jì)

由圖3電氣原理可見，調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)的每一個(gè)分支電路，都是由負(fù)載電阻、斷路器、指示燈、數(shù)顯儀表、接線端子組成的。由于負(fù)載電阻在運(yùn)行時(shí)會(huì)大量發(fā)熱，影響調(diào)試區(qū)域整體工作環(huán)境，因此在考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案時(shí)將電路拆分成兩個(gè)部分，繞線電阻單獨(dú)集中安裝在電阻柜內(nèi)，其他器件安裝在控制柜內(nèi)。所有控制柜安裝在系統(tǒng)調(diào)試區(qū)，電阻柜安裝在與控制柜一墻之隔的易于散熱的負(fù)載區(qū)，內(nèi)外兩種機(jī)柜分別一一對(duì)應(yīng)，通過兩柜間接線端子連線連通電路，實(shí)現(xiàn)調(diào)試加載功能。效果如圖5所示。

圖5 調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及布局效果Fig.5 Effect diagram of structure and layout of commissioning load system

4 結(jié)論

建立鐵路信號(hào)智能電源系統(tǒng)綜合測(cè)試安全平臺(tái)，是行業(yè)規(guī)劃發(fā)展的需要，是提高電源系統(tǒng)設(shè)備實(shí)物質(zhì)量的關(guān)鍵所在。本文所論述的鐵路信號(hào)電源調(diào)試負(fù)載系統(tǒng)是該平臺(tái)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)保證電源系統(tǒng)設(shè)備交付后的可靠運(yùn)行起到了舉足輕重的作用。通過斷路器的開合直接控制負(fù)載電流的大小，摒棄微調(diào)滑動(dòng)變阻器易壞又不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)，使電源調(diào)試負(fù)載高效而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，適用性廣、準(zhǔn)確性高，大幅縮短交貨周期，贏得市場(chǎng)。