鐵路智能型箱式變電站操作電源分析

劉心愛

(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(簡稱智能箱變)在普通箱式變電站基礎上增加了四遙智能化功能,即遙測、遙信、遙調、遙控。在特定自主軟件配合下,能實現故障區段自動定位、故障切除等功能,從而保證在短時間內恢復送電,大大提高了鐵路通信信號電源系統運行的可靠性,智能箱變中的操作電源是保證其可靠運行的重要組成部分。

操作電源是為高壓開關柜、低壓配電柜中的電動操作機構、遠動終端控制裝置(RTU)或智能測控裝置及信號指示等設備提供工作電源的設備,其中供給高壓電動負荷開關的合分閘操作電源又可分為操動機構儲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,將給鐵路安全運行帶來非常嚴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

操作電源分為交流與直流兩種,分別稱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,小型變電站也可以取自電壓互感器(需要設計100/220 V升壓變壓器)。

直流操作電源是利用整流技術將AC220/380 V交流電轉換為DC220V、DC110V或DC48V直流作為操作電源,同時配備相應電壓等級的蓄電池組,平時由AC220/380 V交流電源通過整流后供電,并給蓄電池組浮充電。AC220/380 V交流電源斷電后,自動而且無延時切換到由蓄電池組供電。

2 操作電源負荷性質

操作電源的負荷性質可分為長期運行負荷、短期運行負荷及瞬時運行負荷。遠動終端控制裝置或智能測控裝置、信號指示等為長期運行負荷,電動負荷開關與電動隔離開關的合分閘操動機構操作電源為短期運行負荷,短期運行負荷每次工作時間只有10～30 s。負荷開關合分閘時合分閘線圈為瞬時運行負荷,瞬時運行負荷每次工作時間只有0.1～0.2 s。短期運行負荷與瞬時運行負荷,只有在斷路器、電動負荷開關或電動隔離開關每次合閘或分閘時才出現1次。

3 鐵路智能箱變操作電源現狀

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為監控裝置、開關設備等提供操作電源。目前國內多數客運專線,如合寧客運專線、福廈客運專線等都采用該方案。

(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構均為直流操作機構。分合閘線圈及遠動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)采用超級電容電源裝置作為后備儲能電源(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,由超級電容電源裝置供電,可以保證在裝置無電情況下延時10 min后仍可使高壓分斷裝置自動分閘。膠濟鐵路采用此方案。

以上方案中,方案1的優點是在切換電源失電后,UPS可以在毫秒級切換時間內不間斷為其負載供電,缺點是一旦UPS故障,則整個智能箱變將處于無操作電源狀態,操作機構不能動作,智能化功能將不能實現。如果UPS故障,必須到現場旁路UPS或者更換UPS設備。方案2的優點是正常情況下均采用雙路供電的低壓交流電源,其可靠性已經很高。故障情況下,再由切換裝置轉到UPS供電狀態,切換時間較長。方案3的特點是全部采用直流操作,具有高可靠性和穩定性,但是直流屏造價高、占用空間大,不適宜應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電容而不是蓄電池儲能,該方案的缺點是當停電時間較長后,采用超級電容的電源裝置維持時間較短。

綜上所述,目前不論是采用UPS、直流屏或者超級電容電源裝置,均存在一定問題,形成鐵路智能箱變的一個薄弱環節。

4 操作電源設計中應注意的有關問題

(1)交流操作與直流操作的選擇

智能箱變采用交流操作設備簡單,價格低廉。常規繼電器式繼電保護如果選用電流脫扣器,事故跳閘與操作電源無關,高壓熔斷器保護事故跳閘也與操作電源無關,所以可選用交流操作。

目前鐵路遠動監控裝置已經得到廣泛應用,由于遠動監控裝置通過合閘與分閘線圈進行遠方合閘與分閘操作,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過負荷能力差,而且不宜用于感性負荷,所以應選用過載能力強,而且可以用于感性負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、在線工作方式的UPS,UPS的輸出應滿足所提供的遠動裝置等對輸入電源的要求,具有一定的過負荷能力。免維護蓄電池也應能適應惡劣的室外運行環境,在交流電源失電的情況下,電池容量能夠做到維持智能監控系統設備及附屬設備正常工作8 h以上,被控開關分合3次以上。

智能箱變采用直流操作需要選用直流屏,價格高但可靠性也高,智能箱變采用數字式監控裝置后,可優先選用直流操作。但直流電源蓄電池容量大時價格很高。現在市場有一種微型直流電源已經開始推廣,其體積和UPS相當,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新的選擇。這種微型直流電源裝置本身也納入遠動系統監控范圍,監視內容包括：裝置工作狀態、蓄電池工作狀態、輸入/輸出電源工作狀態等,并且能接收來自調度中心的遙控命令，實現遠程電池活化功能。

(2)電動負荷開關與隔離開關合分閘控制

箱變中目前一次系統采用高壓熔斷器與負荷(隔離)開關接線方式還比較多。高壓熔斷器用于短路保護,電動負荷開關或隔離開關用于有鐵路遠動的遙控合分閘操作。

電動負荷開關與隔離開關合閘由電動機直接驅動,電流比較大,合分閘時動作時間也比較長。要保證鐵路遠動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不間斷電源驅動感性負荷的電動機時應選用過載能力強,可以驅動電動機感性負荷的直流或變電站用交流備用電源。

(3)智能箱變操作電源

智能箱變中采用負荷開關或隔離開關比較多。當鐵路遠動要求時就需要選用電動負荷開關或隔離開關。由于此時只有數字式(微機)監控,而無數字式(微機)保護,當有兩路交流電源作為操作電源時,可以選用交流操作,但一定要選用過載能力強,而且可以帶動電動負荷開關或隔離開關感性負荷的交流后備電源。為保證后備電源的可靠性,不宜選用民用UPS不間斷電源。

(4)操作電源容量計算

如采用交流UPS作為操作電源,UPS的容量應按各類負載總和的1.2倍計算,考慮備用電源時,可以按1.5倍計算。UPS實際供電容量應是所選容量的80%,也就是選取1.25的系數。實際運行中,UPS運行電流不過1 A,造成這種情況的一個重要因素是為解決電動操作機構瞬時出力要求較大,必須保持足夠的容量才能帶動電動操作機構,但同時也使得UPS長期運行在低負荷的狀態下,降低了使用壽命,增加了建設投資。通常情況下,電氣專業人員應對儀表用電負荷情況進行核算,系數可按1.15～1.25選取,這樣可以保證容量的選擇合理。

蓄電池的實際可供使用容量與放電電流大小、蓄電池工作環境溫度、蓄電池存儲時間的長短、負載種類和特性(電阻性、電容性、電感性)等因素密切相關,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稱容量的比率。在交流電源失電的情況下,電池容量能夠做到維持智能監控系統設備及附屬設備正常工作8 h以上,被控開關分合3次以上。

如果采用直流電源裝置作為操作電源,需要考慮箱變內負載和直流電源蓄電池的安時數。通常情況下,一臺智能箱變需要為一套遠動終端控制設備、高壓負荷(隔離)開關電力操作機構、低壓斷路器電動操作機構以及信號指示燈燈設備提供電源,通過負荷計算,確定直流電源的輸出功率。通過計算負荷的功率,得出長期運行電流大小,結合交流失電8 h備用的要求,就可以算出需要蓄電池的容量大小。

(5)操作電源冗余設計

無論是采用交流UPS操作電源,還是直流操作電源,都存在一個是否需要考慮單點故障的問題。前述的4個電源解決方案,都存在一旦操作電源故障,即整個智能箱變操作電源失電的問題。如果在應用中不能滿足設計要求,需要考慮冗余設計。

對于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。要提高可靠性,可采用雙總線輸入+UPS冗余直接并機供電系統+雙總線輸出+負載自動切換開關的供電方案。這是一種具有高度容錯能力的冗余供電系統,只要設計妥當,就可以消除可能出現在UPS供電系統中的單點故障隱患。如在每個供電點都采用此方案,在單點供電的情況下采用雙機并聯熱備份1+l冗余的供電方案,可使供電系統的可靠性得到很大提高,單點必然增加投資。

對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供電,前提是解決直流電源裝置的均流問題。目前在市場上已經有該類產品。

(6)操作電源接地問題

為了保證變電站操作電源的可靠性,變電站操作電源均應采用不接地運行方式,而且應設計對地絕緣監視。采用不接地運行方式后,如果發生一點接地故障,由于沒有回路故障電流就非常小,可以繼續運行一定時間,此時對地絕緣監視報警后,遠端主機就可以獲得報警并進行相應處理。現有UPS不間斷電源實現不接地運行方式,還需要在其輸出端增加隔離變壓器,這一點應引起注意。

5 結語

通過以上分析智能箱變操作電源的發展趨勢有以下幾種方式。

(1)小容量直流操作電源。微型直流電源已經開始成功應用,由于它體積小,價格適中,非常適合應用于箱式變電站場合。但其廣泛推廣,需要一定的實際運行效果進行檢驗。

(2)變電站專用交流操作電源。使用變電站的專用交流操作電源,由于其具有過載能力強,可以帶感性負荷等優點,還應利用單片機技術進行自動與遠程控制的充放電活化處理,以延長蓄電池的使用壽命,提高變電站操作電源的可靠性。

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