電氣化鐵路信號電源自動切換系統設計

陳 丹，周文衛，魯小兵

0 引言

鐵路信號電源屏為鐵路信號設備提供電源服務，其供電電源質量和可靠性直接影響著信號設備能否正常運行[1]。鐵路信號采用兩路獨立電源，一路主用、一路熱備用的供電方式。當主用信號電源發生缺相、相偏或短路故障時，如果不能及時迅速的切換到備用信號電源，造成主用信號供電變壓器缺相運行，此時線路上會出現有危害的負序分量；當變壓器的中性點接地時，還會出現零序分量，這些都會對電務負荷電能質量造成一定的影響，導致電務信號設備不能正常運行[2]，影響行車效率，并可能引發安全事故。本文著重分析信號電源的缺相情況及信號電源自動切斷系統構成和工作原理。

1 信號電源自動轉換系統的研究現狀

現有的信號電源轉換裝置一般是基于二次低壓側一相斷線故障設計的，未考慮低壓側短路、高壓側斷相、高壓側短路等情況。從掌握的情況分析，當主用信號供電變壓器低壓側一相斷線時，現有的車站信號電源轉換裝置能夠自動轉換到備用信號電源；而高壓側單相斷線或短路故障時，轉換裝置不能判斷發生故障，裝置不動作，信號電源不能轉換到備用信號電源，使得主用信號變壓器處于非全相運行狀態，導致電務信號供電系統產生嚴重的不對稱運行。如果長期缺相運行,會造成故障相絕緣薄弱地方損壞，引發更嚴重的事故。

2 信號供電變壓器缺相故障分析

鐵路信號供電系統主要由地方變電站將三相110 kV高壓變為10 kV中壓（在鐵路主變電所實現），輸送到鐵路配電所，鐵路配電所通過“自閉、貫通”線路輸送到各站場。各站場主要采用30 kV·A、50 kV·A 等不同容量的三相變壓器，Y/yn-12接線方式，變壓器高壓側電壓為10 kV、中性點不接地，低壓側電壓為380/220 V、中性點接地。

在鐵路信號供電系統故障中，信號供電變壓器高、低壓側都可能發生單相接地、單相斷路、兩相短路等故障，其中以高壓側單相斷路故障最為頻繁，對鐵路信號的影響最嚴重。本文以Y/yn-12型變壓器為例，運用 Matlab/Simulink對信號供電變壓器非全相運行狀態進行仿真，側重分析高、低壓側缺相運行時其低壓側電壓反應的不同情況。信號供電變壓器仿真模型圖略。

分別對高、低壓側的斷相故障情況進行仿真，部分仿真波形如圖1、圖2所示。

圖1 高壓側A相斷線時Ua、Ub、Uc波形圖

圖2 低壓側a相斷線時Ua、Ub、Uc波形圖

由圖1、圖2可知，信號供電變壓器高壓側一相斷線時，低壓側故障相電壓約為 11 V，非故障相電壓降到190 V左右（線電壓的一半）。變壓器低壓側一相斷線時，低壓側故障相電壓約為0，非故障相電壓正常為220 V。另外，當變壓器高壓側或低壓側發生單相或兩相短路故障，低壓側相對應的故障相電壓明顯降低，甚至為0；非故障相電壓也會有相應的變化。

根據鐵路信號供電的相關規定，鐵路信號供電系統必須保證不間斷給電務信號設備供電，必須不受外電網電壓波動的影響，要求電務信號設備的輸入電壓波動范圍不能超過10%。因此，結合以上對變壓器故障情況的仿真分析，設定190 V為缺相故障時的閾值電壓，即當檢測到變壓器低壓側的某一相或幾相相電壓低于190 V，可認為信號電源發生故障。

3 信號電源自動切斷系統構成及工作原理

3.1 系統框架

根據以上對現有信號電源轉換系統的分析，考慮在信號電源主回路中加裝自動切斷電路，當信號電源故障時將低壓側三相線路全部切斷，則轉換設備必定能可靠轉換到備用電源。該自動切斷系統主要由交流接觸器及其線圈控制電路、電壓采集變換電路、比較電路、繼電器控制電路組成，其系統框架如圖3所示。

圖3 信號電源自動切斷電路框架圖

3.2 整體電路

信號電源自動切斷系統的整體電路如圖 4所示，圖4中僅給出a相電壓檢測電路，b相、c相檢測電路類似a相電路。

工作原理描述如下：將信號電源的相電壓作為取樣信號，同時取a、b、c三相相電壓進行判斷，以實現當信號電源有一相或者幾相電壓低于閾值電壓時，比較器輸出 V0為高電平，T1導通，繼電器KA線圈得電使其常閉觸點斷開，接觸器KM失電斷開其觸點，從而自動切斷信號電源低壓側三相線路。同時當信號電源各相電壓均恢復到正常時，自動恢復供電。

圖4 信號電源自動切斷系統整體電路圖

3.3 各單元的組成及工作原理

（1）交流接觸器及其線圈控制電路。該單元電路由FU、KM、KM-3、KA-1、SB1、SB2組成，如圖4所示，其中熔斷器FU起保護作用，KM-3為三相交流接觸器的主觸點，KM為接觸器線圈，KA-1為繼電器常閉觸點，SB1、SB2用作手動閉合供電回路。當信號電源故障時，電壓檢查電路控制KA-1觸點斷開，KM線圈失電，KM-3觸點斷開，從而切斷供電線路。

（2）電壓采集變換電路。該單元電路由R1、R2、CHY-400V組成，見圖4，單相交流電壓隔離變送器CHY-400V[3]將a相220 V交流電變換成0～5 V標準直流電壓信號，R1是變送器原邊串接限流電阻，R2為變送器副邊取樣電阻。

（3）電壓比較電路。該單元電路由R3、R4、R5、Rf、IC1組成，見圖 4，其中 Rf是上拉電阻，R4、Rf用以設定閾值電壓Vd。當IC1反向輸入端輸入的實際線路電壓值V1＞Vd時，IC1輸出V0為低電平，表示供電正常；反之 V0為高電平，表示有故障發生[4]。另外，非門、R6、LED為故障報警電路，R7和DZ為穩壓限幅電路，Va為經過穩壓之后的a相電平信號。

（4）繼電器控制電路。該單元電路由邏輯或門、R8、VD1、VD2、T1及 KA 組成，見圖 4，當Va、Vb、Vc任一為低電平時，T1截止，繼電器KA線圈不得電，其常閉觸點KA-1不動作，保持正常供電；當 Va、Vb、Vc任一為高電平時，T1導通，KA得電，KA-1斷開，KM掉電，KM-3斷開，從而切斷電源主回路。VD1、VD2是為了當繼電器KA動作瞬間所產生的反向電動勢釋放而設，起保護晶體管T1的作用。

4 結論

該系統在某鐵路局電務段的實際試驗效果良好，可以實現如下基本功能：當信號供電變壓器發生缺相故障時，不論是高壓側還是低壓側故障，一旦檢測到的電壓低于所設定的閥值電壓，即可控制接觸器自動切斷信號電源低壓側的三相線路，進而實現主、備用信號電源的自動轉換。

[1]高靜敏. 鐵路信號電源屏的數據監測[J]. 希望月報，2007（9）.

[2]屈剛，李長凱，張強，等. Y/y0-12型配電變壓器缺相運行分析[J]. 中國電力教育，2009（S1）.

[3]宇波模塊產品手冊.北京森社電子有限公司.

[4]農光平. 非接觸式交流電流監控器新探[J]. 廣西廣播電視大學學報，2001，（4）.