铁路电力与信号设备供电匹配性分析

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铁路电力与信号设备供电匹配性分析

徐　凯

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300251)

摘　要：铁路工程中由于信号电源屏与供电系统开关电流整定不匹配，经常导致事故时开关越级跳闸。通过分析信号负荷的特点及信号、电力两专业对信号负荷电流的计算过程，发现二者所遵循的标准以及对系数的取值存在差异。电力专业计算结果更接近于实际，而信号专业计算结果偏大，造成电流整定不匹配。通过分析开关的保护特性，提出对于信号负荷占变压器容量比重较小时，信号机房配电开关采用隔离型，信号电源屏进线开关与变电所开关实现选择性保护的配电方案；信号负荷占变压器容量比重较大时，电力供电设远动功能，便于快速恢复供电。此方案已在多个工程中采用。

关键词：铁路信号；供电；信号电源屏；开关电流；匹配

1　概述

在新建客运专线铁路及普速铁路工程的竣工验收[1]过程中，经常发现信号系统电源屏进线开关与上一级供电的变电所或电力配电箱开关电流整定值不匹配的问题，即：供电侧开关电流整定值小，而用户侧信号电源屏进线开关电流整定值大。由于出现这种“倒置”现象，信号设备一旦出现过载或短路故障，就会导致信号电源屏内的开关不跳闸，而上一级供电侧电力配电箱或变电所开关“越级”跳闸的现象，无法满足配电保护的选择性[2]。为日后信号设备的运行、维护及排除故障带来很大的麻烦。

出现电流整定值“倒置”的原因是因为信号专业与电力专业在对信号电源屏额定电流的计算过程中所遵循的标准[3-5]不同，在一些系数的取值方面存在差异，导致信号专业计算的结果偏大。

以客运专线铁路信号电源屏为例，通过分析电源屏的组成及信号负荷的运行特点，找出信号专业与电力专业在计算过程中存在的差异及产生不同计算结果的根源，研究相关系数取值的合理性，总结出可行的配电匹配方案。

2　信号电源屏进线电流值的计算

信号电源屏是铁路信号机房内专为信号设备供电的电源装置，一般由两路输入电源转换单元、输入配电单元、电源变换及稳压模块单元(电源模块)、输出配电单元、智能监测系统等部分组成。客运专线铁路信号电源屏配置双UPS系统[6]，为信号负荷提供备用电源。2套UPS装置并机运行，正常工况下各分担约50%的用电负荷；当一套UPS故障时，由另一套UPS承担全部用电负荷。

信号电源屏一般由生产厂家成套提供。屏内设置进线主开关，其主开关的电流整定值在出厂时已由厂家根据电源屏电流值的计算结果进行整定。

电源屏由电力专业提供两路交流电源供电[7-8]。电力专业在进行配电设计时，也要根据信号专业提供的电源屏所带用电设备情况进行负荷计算，以便对电力配电箱及变电所开关进行电流整定。但由于计算过程中所遵循的标准不同，在一些系数的取值方面存在差异，导致计算的结果存在较大偏差。以下对用户侧(即：电源屏)与供电侧的计算过程及对开关的电流整定进行分析。

2.1　用户侧电流计算及开关整定

以客运专线铁路信号中继站为例，信号电源屏所承担的信号设备主要包括微机联锁、信号点灯电源[9]、道岔表示[10]、25 Hz轨道电源、微机监测电源、CTC、列控中心等。其负荷配置如表1所示。

表1　客运专线铁路信号中继站电源配置

用电设备名称电源类型/V分束路数每路电流/A功率/kVA继电器DC24115.000.36区间2000A电源DC241030.007.20稳压备用AC22015.001.10微机监测AC220110.002.20监测采集DC24110.000.24列控中心(含LEU)AC220210.002.20熔断报警DC2413.000.07网络设备AC22022.000.88轨道电路站机AC22012.000.44合 计14.69

从信号中继站电源屏系统配置看出，用电负载不是单一的设备组合，而是多种不同特性用电设备组合而成的混合负载。

电源屏容量由3部分构成，其一为输出容量，即各负载容量之和；其二为UPS充电容量，即UPS电池组充电时产生的附加用电容量；其三为电源屏损耗，即电源屏工作时，各内部模块，包括UPS(含整流、逆变、电池组)、24 V DC模块、25 Hz模块等的损耗。

电源屏容量(即电力供电最大负载)发生在：外部电源失电一段时间又恢复供电后，电源屏除为负载持续供电外，还为UPS电池组充电。此种状态为行车中断后才能发生。

对电源屏进线电流(Ijs)进行计算时，不能简单根据电流和功率的计算公式进行计算[11]，还应考虑电压最低时的电流(此时电流最大)和电源屏系统的三相不平衡度。考虑这两个因素后，电源屏进线电流计算公式应为x(其中a为电压降百分比，x为三相不平衡度系数)。通过分析，信号电源屏容量(Sjs)计算公式为(其中S1为负载功率之和；S2为电源屏充电功率；η为电源屏整机效率)。

因此，信号电源屏进线电流计算式为x。

其中，电源屏充电功率S2可通过电池组充电电流计算得来，电池组的充电电流由电源组的容量C(AH)确定，均充时充电电流为0.1C。

根据《客运专线铁路信号产品标准暂行技术条件—铁路信号电源屏》(科技运[2008]36号)，电压降百分比a为75%。

电源屏整机效率η不小于80%。

以上述信号中继站为例，三相不平衡度为10%，电源屏计算见表2。

表2　信号中继站电源屏计算

名称参数备注设备功率(S1)/kVA14.69配置20kVAUPS充电功率(S2)/kVA13.16每套UPS电池100AH电源屏整机效率(η)0.8电压降百分比(a)/%75三相不平衡度(x)1.1信号电源屏进线电流/A77.58

以上述为例，均充充电电流=2套UPS电池总AH数(200)×0.1=20 A。

充电功率(S2)=1.732×0.38 kV×20 A=13.16(kVA)。

综上计算过程及结果，信号电源屏进线开关电流整定值为80 A。

根据铁路信号电源屏的技术条件，其进线电流为各种不利条件最大化后并完全叠加的电流，安全系数较大，通常为电源屏常规配电计算电流的1.5～2.0倍。

2.2　供电侧电流计算及开关整定

电力专业在信号中继站附近设10/0.4 kV变电所，自10 kV贯通线接引两路高压电源[12]。变电所为信号中继站提供两路0.4 kV电源，经中继站内的电力配电箱引至信号电源屏，如图1所示[13]。

图1　客运专线铁路信号中继站供电示意

从图1可见，电力供电系统与信号用电系统密切相关，信号用电需求的准确把握是确定电力供电系统低压开关电流整定、变压器容量选择的重要依据。

电力专业根据电源屏所带用电设备情况进行负荷计算，确定电力配电箱开关电流的整定值。

通过前文分析，对于信号电源屏的电流仍按照x计算，但部分系数的选取有商榷的余地。

根据《铁路电力设计规范》(TB10008—2006)的规定：交流380 V电压偏差应在±5%内。而在实际工程中，尤其是客运专线铁路，贯通线设置了调压器，供电质量都比较有保证。一般为信号等负荷供电的变电所均设置在信号房屋附近，电压偏差[14]很小，多能控制在±2～3%以内。所以，这里将电压降百分比(a)选为95%，其他参数与前文相同。

电力配电箱低压开关计算值见表3。

表3　电力配电箱低压开关计算

名称参数备注设备功率(S1)/kVA14.69配置20kVAUPS充电功率(S2)/kVA13.16每套UPS电池100AH电源屏整机效率(η)0.8电压降百分比(a)/%95三相不平衡度(x)1.1电力供电低压开关计算电流/A61.25

从表3可知，信号专业和电力专业在电压降不同设计标准的情况下，计算出的电流值相差16.33 A。且随着信号用电负载的增加，两专业的计算值偏差将进一步扩大。根据上述计算结果，信号中继站电力配电箱开关电流可整定为63 A。信号电源屏进线开关电流整定值为80 A，而上一级电力配电箱开关整定为63 A，就出现了概述中所说的“倒置”现象，配电保护不具备选择性的要求。

为了避免出现这种“倒置”现象，电力与信号两个专业应根据铁路建设项目供电质量的实际情况，电压偏差的波动范围，共同研究，采用更加接近实际的统一标准。信号电源屏进线开关的电流整定值尽量接近实际，这样才能有利于实现上下级开关的保护配合。

3　匹配性解决方案

对于信号、通信等与行车密切相关的设备需由专用变电所供电。所以，单台变压器容量一般都不大(约100 kVA左右)。从变电所配电至信号电源屏一般要经过变电所低压总开关、分开关、信号机房电力配电箱开关及信号电源屏进线开关等几级开关。为了满足配电保护的选择性，避免因开关整定电流逐级增加，导致变压器容量过大，负载率降低，信号电源屏进线主开关除如前文所述进行合理的电流整定外，还需与上几级开关之间做好保护的匹配性配合。以实际工程为例，分析各级开关之间匹配性解决方案。

3.1　匹配性实现目标

为了便于分析电力与信号两系统间匹配性的关键点，以某工程配电系统[15]为例进行分析，如图2所示。

图2　配电系统

在完全理想的情况下，需要实现图2中所示①②③④ 4把开关之间的匹配性。当发生短路或接地故障F1时，开关①应迅速切断故障线路，开关②不应动作，即开关①与开关②之间满足配电保护的选择性(简称：选择性A)；当发生短路或接地故障F2时，开关②应迅速切断故障线路，开关③不应动作，即开关②与开关③之间满足配电保护的选择性(简称：选择性B)；当发生短路或接地故障F2时，开关②应迅速切断故障线路，开关④不应动作，即开关②与开关④之间满足配电保护的选择性(简称：选择性C)。

开关①(信号电源屏主开关)与开关②(电力配电箱主开关)归电务部门管理，开关③与开关④安装在变电所内，归供电部门管理。为便于运营管理，实现匹配性的最低要求是实现选择性B和选择性C，在此基础上，尽可能实现选择性A。

3.2　低压开关的保护特性

通过对低压开关选择性脱扣原理的分析，要实现完全的选择性保护，单纯的实现过载或低短路电流或高短路电流其中之一较容易实现。但实际工程中，短路电流的故障种类较多，客观条件复杂。短路发生的情况不是单一的过载、低或高短路情况，而是多种情况都有的。因此，要实现所要求的4把开关配电保护的选择性，必须兼顾各种短路情况。

在下级开关选定的基础上实现全选择性，且开关特性曲线匹配合理，则上级开关的量化选取指标为：上下级开关壳架电流之比大于1.6，且额定电流之比大于2.5。同时，时间特性应进行整定：下级开关长延时时间(long time)应进行整定，设定为0.5～8.0 s，上级开关应整定为12～24 s；短延时(short time)下级开关设定为0.1～0.2 s，上级开关设定为0.3～0.4 s。

3.3　匹配性实现方法

在充分了解开关特性的基础上，结合信号电源屏容量，如车站信号电源屏容量为65 kVA，其进线开关额定值选择为160 A时，壳架电流选定160 A；上级电力系统的馈线开关额定电流不低于375 A，壳架电流不小于256 A，选定400 A的壳架开关。但因为变压器容量仅为100 kVA，在考虑变压器过载率为20%的情况下，出线开关电流最大额定值为182 A。

由此可见，若将4把开关全部实现匹配性，技术方面很难做到。

因此，可做到电务部门和供电部门所管理的其中各一把开关满足配电保护的选择性。为此，首先将开关②采用负荷隔离开关，取消短路保护特性，实现开关①与③之间保护的选择性。

3.4　低压配电方案

根据上述原则，以信号中继站[16]为例，低压配电方案如下。

典型信号中继站负荷情况如表4所示。

表4　典型信号中继站负荷统计

负荷类型容量/kW备注通信10信号15防灾2空调9专用空调2台总计36

电力专业配置50 kVA箱式变电所，信号负荷占变压器总容量的30%，所占比例较小。

根据上述信号电源屏参数选择，当信号供电不采用单独回路(中继站信号和空调负荷共用一根电缆供电)时，匹配性较好配合，各开关整定值及整定时间如表5所示。

表5　典型信号中继站开关整定值统计

开关名称壳架电流/A额定电流(In)/A长延时定值(Ir)/A长延时时间(tr)/s短延时定值(Isd)/A短延时时间(tsd)/s瞬时定值(Ii)/A备注1号开关100801.0In11.5～2.5Ir0.1～0.26In2号开关100100无无无无无隔离开关,不配置保护3号开关2501001.0In83～5Ir0.310In4号开关2501001.0In206～10Ir0.415In

当信号供电采用单独回路时，匹配性较难配合，各开关整定值及整定时间如表6所示。

表6　典型信号中继站开关整定值统计

开关名称壳架电流/A额定电流(In)/A长延时定值(Ir)/A长延时时间(tr)/s短延时定值(Isd)/A短延时时间(tsd)/s瞬时定值(Ii)/A备注1号开关无63无无无无无采用D特性微型断路器2号开关100100无无无无无隔离开关,不配置保护3号开关250631.0In83～5Ir0.310In4号开关2501001.0In206～10Ir0.415In

3.5　结论

(1)区间信号中继站

因其中包含机房专用空调等其他负荷，信号负荷所占变压器的总容量较低，匹配性解决方案为：一方面通过细化信号电源屏的计算参数，降低其进线开关电流整定值；另一方面将中继站内电力配电箱开关改为隔离开关，并适当放大电力箱变低压开关电流整定值，可实现电力与信号系统的匹配性。

(2)车站信号楼

因机房专用空调、防灾用电等负荷由车站动力照明变电所供电，通信、信号负荷占通信信号专用变压器比例较高。在细化电源屏计算参数的情况下，信号电源屏进线开关整定值已经达到了电力箱变低压出线总开关(即④号开关)的最大值。在上下限定的情况下，很难通过开关电流和时间整定实现两系统间的匹配性。但考虑车站信号楼电力系统具备电力远动功能[17]，信号系统有人值班，在发生故障跳闸时，供电段可调出故障记录，分析故障原因，进行必要的远方合闸操作。电务段在开关跳闸后，可通过人员进行现场合闸操作。为此，目前对于设置信号专用变压器时，电力系统需设置远动合闸及故障录波功能，以保证越级跳闸后快速恢复供电。

4　结语

铁路电力与信号设备出现配电保护不满足选择性要求的根本原因在于计算过程中系数的取值所遵循的标准不同。对于信号负荷占比重较大的变压器而言，在《客运专线铁路信号产品标准暂行技术条件—铁路信号电源屏》(科技运[2008]36号)不做调整的情况下，变压器保护整定值和信号电源屏整定值之间往往会存在根本性的矛盾。通过优化各级保护配置所能提高的选择性也是相对的，不能从根本上解决问题。因此，此问题的终极解决有待于电力设计的计算规则与信号电源屏产品技术条件之间进行科学、更切合工程实际的协调。

在一些客运专线铁路等铁路项目中通信系统与电力供电系统也经常出现配电保护不匹配的情况，其原因和解决方案与信号系统类似，在此文中不再作介绍。

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Matching Analysis of Railway Power Supply and Signal Equipments

XU Kai

(The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation， Tianjin 300251, China)

Abstract： Because of the switch current setting mismatching between signal power panel and power distribution box， circuit breaker override trip happens when accident occurs. The analysis of the signal load characteristics and the load current calculation processes employed by signal and electric power specialties indicates the differences in standard and coefficient value used by the two specialties. The calculation result from the electric power specialty is closer to the reality， while that from the signal specialty is comparatively larger， which may lead to current setting mismatch. With the analysis of switch protection characteristics， a new power distribution method is proposed. If the signal load is a lower proportion to the capacity of the transformer， the switch of power distribution box is of isolation type， and selective protection is used for power panel inlet switch and substation switch. If the signal load is a higher proportion to the capacity of the transformer， remote control is engaged for power supply to allow rapid recovery from power failure. This method is already adopted in many projects.

Key words： Railway signal; Power supply; Signal power panel; Switch current; Matching

文章编号：1004-2954(2016)05-0144-05

收稿日期：2016-01-21； 修回日期：2016-02-03

基金项目：铁道第三勘察设计院集团有限公司科研项目(740928)

作者简介：徐　凯(1968—)，男，高级工程师，1988年毕业于上海铁道学院，E-mail:[e-mail]。

中图分类号：U223

文献标识码：A　　

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.05.032