電氣化鐵路信號供電交直交電源的選型探討

姚勤隆

(天津城投建設有限公司,天津 300161)

1 問題的提出

近年來,我國電氣化鐵路發展迅猛,截止到2009年底運營里程已達36 511 km,到2020年電氣化鐵路比重將達到60%。電氣化鐵路的快速發展,為其他專業合理利用牽引供電作為電源提供了一個技術平臺。

《鐵路電力設計規范》(TB10008—2006)要求鐵路沿線,特別是區間用電負荷多而分散的鐵路沿線應設置電力貫通線路,自動閉塞區段除設置電力貫通線以外還應設置自動閉塞電力線路；設置在鐵路沿線,為自動閉塞電力線路和電力貫通線路供電的10 kV配電所之間的距離應根據電源分布情況和方便檢修的原則確定,一般條件下宜為40～60 km,當受電源條件限制時,自動閉塞電力線路允許延長到70 km。

如果電力線路故障停電,可造成行車信號無法正常顯示,造成事故,尤其是單自閉電力線路或單貫通電力線路供電區段停電事故多發。為了減少因停電給行車帶來的影響,部分運營單位提出了在繁忙干線為車站信號接引第三路電源、在干線鐵路接引第二路電源的設想。在繁忙干線增建第三路貫通電力線路、在干線鐵路增設第二條貫通電力線路,在經濟上都是一個很大的資金投入，如何利用電氣化鐵路特點實現提高信號供電的可靠性是一種有意義的思路。

2 遷曹電氣化鐵路交直交電源的應用

遷曹線為國家Ⅰ級干線重載鐵路,采用10 kV單回路貫通電源供電模式。由于外部電源匱乏,為了解決沿線4座信號中繼站、3座車站信號第二路電源,采用了接引接觸網經降壓變壓器將27.5 kV降壓為0.23 kV,再經過電氣化鐵路交直交電源裝置為信號中繼站及車站信號供電的方案,供電方式示意見圖1。

圖1 中繼站供電方式示意

2.1 交直交電源的測試

為了驗證交直交電源的實際使用效果,有關部門組織對1號中繼站的交直交電源進行了連續3 d的全負荷運行測試。測試項目包括：交直交電源的輸入側相電壓U0、交直交電源的輸出側的相電壓UA、UB、UC，線電壓UAB、UAC、UBC,輸入側電流、輸出側電流,輸入側波形、輸出側波形,輸入側電壓諧波含量、輸出側電壓諧波含量。

運行方式為供中繼站的貫通Ⅰ路電源退出運行,交直交電源裝置單路供電。主要測試結果如下。

(1)U0=202 V,UA=220 V,UB=219 V,UC=218 V,UAB=389 V、UAC=381 V、UBC=382 V；帶負載時交直交電源輸入電流為24.6 A，輸出電流A相為7.2 A，B相為5.9 A，C相為6.7 A。

圖2 交直交輸入電源電壓波形

表1 輸入電壓各次諧波含量

注：N—諧波次數；R.M.S—交流有效值，%—與基波比值的百分數；ANG—該次諧波的初相位。

圖4 整流原理示意

圖3 交直交輸出三相電壓波形

表2 輸出諧波分析(帶負載有列車經過)

2.2 交直交電源的測試小結

從測試結果看,輸入電壓諧波總畸變率為21.6%,數據超過了國家標準16.62%,在經過交直交電源整流治理后,輸出電壓諧波總畸變率為A相：2.421%、B相：3.455%、C相：3.420%,諧波含量下降,能夠滿足《電能質量公用電網諧波》(GB/T14549—93)標準中規定的0.38 kV電網電壓總諧波畸變率5%以下的要求,且設備運行正常,輸出電壓穩定,能夠滿足鐵路運營正常使用要求。

3 單變三交直交工頻機與高頻機使用效果的比較

筆者在從事電氣化鐵路信號第二路電源設計中,先后使用了工頻交直交電源、高頻交直交電源等兩種方案,兩種機型工作原理及使用效果比較如下。

3.1 工頻交直交電源的使用及問題處理

交直交電源輸入電源引自接觸網,接觸網電源為單相供電系統,交直交電源采用單變三的轉換模式,其整流原理示意如圖4所示,逆變原理示意如圖5所示。

圖5 逆變原理示意

交直交電源單相交流輸入AC220V,經過電抗器、升壓變壓器、整流橋、電容穩壓濾波、BUCK斬波,穩壓濾波最后輸出穩定的DC220V電源,DC220V然后再經過逆變器和升壓變壓器輸出穩定的三相四線交流電源。

單變三工頻交直交電源經現場安裝調試及運行,暴露出了一些問題：DC-DC模塊燒損、斬波器燒損、逆變模塊燒損、部分器件松動等。

3.1.1 DC-DC模塊的故障

工頻交直交電源共有2個DC-DC模塊,分別為整流以后斬波器中的BUCK控制電路和逆變控制提供工作電源。一旦DC-DC模塊發生故障以后,直流斬波和逆變就無法正常工作,導致設備無輸出。為直流斬波控制電路提供電源的DC-DC模塊輸入電壓引自整流電容穩壓濾波之后、斬波之前。DC-DC模塊的額定工作電壓為300 V(最高450 V、最低180 V),而DC-DC模塊輸入點的直流電壓為V×1.1×1.414(V為交流輸入電壓)。輸入交流的允許范圍為+25%～30%,也就是說DC-DC模塊的輸入范圍的理論值在240～427 V。如交流輸入電壓波動范圍超出了25%以上就很難保證DC-DC模塊的正常輸出,還有可能出現尖峰沖擊電壓,這樣就無法保證DC-DC模塊的正常工作。為了解決這一問題,最終將DC-DC模塊用開關電源(AC-DC)代替。開關電源的輸入取自交直交電源交流輸入端,而且開關電源本身還有濾波和抑制浪涌電壓的功能，運行比較可靠,保障了兩個核心控制電路的工作電源,提高了整機運行的可靠性。

3.1.2 斬波部分的故障

斬波部分主要包括IGBT、IGBT控制和IGBT的保護回路3部分。由于接觸網系統電源質量諧波含量高、電壓波動大,對交直交電源的安全運行影響很大,尤其是對斬波部分的影響。最嚴重的一次故障將斬波回路的所有器件全部擊穿,DC-DC模塊也被燒損。經過現場查看和分析認定,交直交電源輸入電源的降壓變壓器二次N線未做接地造成電壓漂浮,L、N線間的電壓升高且漂浮不定,高的時候能達到1 000 V左右,IGBT直接被擊穿,IGBT的吸收保護電路也被燒損。BUCK控制電路的工作電源為DC24V,由于DC-DC模塊的輸入與輸出同時也被擊穿,BUCK控制電路的工作電源就會接通一個很高的電壓,導致BUCK控制電路燒損；IGBT被擊穿以后相當于完全打開,后端的DC-DC模塊也由于輸入電壓異常而導致無法正常工作,影響逆變控制和逆變模塊輸出。

將交直交電源的輸入電源變壓器的二次側N線強制接地,把N線拉為零電位,保障L、N之間的電壓只是原次邊的電磁耦合的電壓,使交直交電源輸入電源為一穩定的0.23 kV的電壓。

3.1.3 逆變模塊的故障

逆變模塊的損壞也會造成設備交流輸出缺相,設備保護關機。拆下燒損的逆變模塊以后,初步測量發現逆變模塊的輸出端相間短路。經檢查,輸出側負載無異常,也沒有過載的情況。經過查看這個器件的入廠檢驗記錄,發現這個器件的部分參數性能都略低于其他模塊，這說明器件質量存在一些問題。

3.1.4 部分器件的松動引起的故障

交直交電源安裝在鐵路沿線,當列車通過時會造成比較大的振動,難免有些器件造成松動。因此在一些特殊工作環境安裝的交直交電源一定要進行防松處理,避免造成設備的運行異常。工頻交直交電源是由每個單元構成的,一旦某一個環節出現了故障，就會很大程度上影響到其他環節的正常運行,導致整個設備的停機。

3.2 高頻交直交電源的原理及使用

高頻交直交電源通常由IGBT高頻整流器,電池變換器,逆變器和旁路組成,IGBT構成高頻整流器的整流波形,是對輸入電壓波形實行均勻地高頻切割,有的是頻率固定而切割寬度可調,有的是對寬度固定而頻率可調,這樣做是為了使輸入電流和電壓同相,達到輸入功率因數為1的目的。IGBT有3個極,分別為漏極、源極和柵極,柵極又稱為門極。IGBT的開通與關斷是由門極電壓來控制的,在門極加上正向電壓時,IGBT打開,進入導通狀態。在門極施加反向電壓后,IGBT被關斷。IGBT整流器開關頻率通常在幾kHz到幾十kHz,甚至高達上百kHz。典型的高頻機拓撲見圖6。

圖6 高頻交直交電源拓撲圖

通過與工頻交直交電源的拓撲原理圖比較,可以看出這種設備通過在整流部分增加BOOST斬波器,將整流后的直流提升到輸出所需的電壓,從而省掉了逆變器后面的輸出變壓器,即以直流升壓取代了變壓器交流升壓。高頻交直交電源整流屬于升壓整流模式,其輸出直流母線的電壓比輸入線電壓的峰值高,一般典型值為800 V左右,由于高頻機直流母線電壓為800 V左右,所以逆變器輸出相電壓可以直接達到220 V,逆變器之后就不再需要升壓變壓器。

該電源的優點是省掉了逆變器輸出變壓器,降低了成本,減小了質量和占地面積。由于在斬波升壓環節增加了功率因數校正功能,使這種設備具有非常好的輸入功率因數。高頻交直交電源由于頻率很高，電路中所配備的電感器件、電容器件體積就變的很小，這就為模塊化生產提供了條件,功率模塊可以N+1個配置,當設備運行中某一個模塊發生故障,故障模塊會自動退出運行,不會影響整體設備運行。在首次建設時可在柜體中預留功率模塊位置，一旦運行以后需要増容,只需購買相同模塊安裝就可,降低了后期增容成本。筆者在信號電源工程設計中使用高頻模塊化交直交電源,運行情況良好。

3.3 高頻交直交電源與工頻交直交電源特性比較

3.3.1 高頻機與工頻機功率因數的比較

功率因數是供電部門對用戶的一個重要考核指標。供電部門對用電部門的要求是功率因數不低于0.9～0.95,如果低于這個值供電部門要罰款,高于這個值高于部分要獎勵。因此運行部門要求所供應的設備應最大限度地從供電系統少吸取無功功率,可以提高供電變壓器的有功輸出,減少無功容量的占有。同時，可以在容量允許的情況下更換小容量的供電變壓器,以達到減少變壓器的銅損鐵損的目的。

對交直交電源來講,功率因數的高低標志著對電網的有效利用能力,對電網和周圍空間的干擾能力，以及對降壓變壓器容量的要求。為了保證供電環境的清潔,就要求交直交電源必須具有高輸入功率因數,以減少對供電系統的干擾。

10 kVA以下的工頻交直交電源在無輸入功率因數補償時,單相整流時輸入功率因數一般為0.6～0.7,諧波電流50%。這就意味著輸入電源的電線、開關需要在規格上加大倍數,變壓器的容量也應增大容量。10 kVA以上的大中功率工頻交直交電源一般用6脈沖整流時,交直交電源輸入功率因數約為0.8,諧波電流大約在30%左右,這同樣意味著應將輸入回路的各種線路及配件、降壓變壓器加大容量。3相12脈沖整流時工頻交直交電源的輸入功率因數雖然可以做到0.95,但還是有10%左右的諧波電流成分,不符合國家相關標準的要求,需要配套整治。

高頻交直交電源是由IGBT構成整流電路,它與用晶閘管不同的是,晶閘管是對輸入電壓波形實現集中切割,需要多少切割多少；而高頻交直交電源的IGBT是對輸入電壓波形實行均勻的高頻切割,有的是頻率固定而切割寬度可調,有的是寬度固定而頻率可調,這樣做的目的是為了使輸入電流和電壓同相達到輸入功率因數為1的目的。功率因數的提高也減小了設備本身向系統輸送諧波電流的效果,實現了綠色電源的目地。

3.3.2 關于輸出隔離變壓器的比較

工頻單變三交直交電源輸出為三相四線380V電源,工頻交直交電源整流器屬于降壓整流,工頻交直交電源在輸岀時必須有一個升壓的環節,需加裝升壓變壓器升壓并將三相三線制轉成三相四線制；高頻交直交電源本身就能輸岀三相四線電源無需加裝輸出變壓器。高頻交直交電源不但降低了銅材消耗還降低了能源的消耗,而且還可以降低設備的采購成本。

4 結語

在外電源匱乏地區的電氣化區段，采用從接觸網上取電使用交直交電源裝置供沿線信號、通信系統用電，可少建1條電力貫通線路。以遷曹線為例,建設1條電力貫通線路和4個變電所投資約2 950萬元,4個中繼站及3個信號樓使用交直交電源裝置,按每處綜合投資70萬元計算,合計投資490萬元,可節省投資2 460萬元。在滿足信號系統兩路電源的前提下,選用交直交電源方案,可大量節省基本建設投資。

從交直交電源使用的故障分析和近年使用效果來看,高頻交直交電源可靠性優于工頻交直交電源。隨著IGBT高頻整流器質量成熟穩定,價格趨平,適應復雜使用環境能力較強的優勢,由其構成的高頻交直交電源性能穩定,將逐步得到廣泛應用,在交直交電源裝置選用時應首選高頻交直交電源裝置。

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[4]TB10008—2006，鐵路電力設計規范[S].

[5]GB/T14549—93，電能質量公用電網諧波[S].

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