接觸網隔離開關監控技術研究

呂振聚　中國鐵路上海局集團有限公司沿海浙江公司

電氣化鐵道接觸網隔離開關承擔著牽引網供電方式切換、電能分配以及接觸網的電氣隔離等重要作用，在饋線上網處、分相處以及車站等場所大量采用。為掌握接觸網隔離開關的實時狀態，提高操作效率，對于改變運行方式的重要接觸網隔離開關均采用電動隔離開關并納入遠動，由牽引供電調度中心（CC）對接觸網隔離開關進行遠程統一管理，實現接觸網隔離開關的遙控和遙信。

對接觸網隔離開關的監控效果關系到電氣化鐵道牽引供電系統運行的可靠性和靈活性，長期以來接觸網隔離開關監控技術一直是電氣化鐵道工程實踐領域的一項重要研究課題。由于電氣化鐵道接觸網隔離開關數量眾多、位置分散，為便于管理，通常將接觸網隔離開關按車站或樞紐分組，每站設置一臺二級監控站(RCC)，對本站數臺或數十臺接觸網隔離開關進行集中管理。RCC通過遠動通道和CC通信，相當于CC的遠程終端設備（RTU），同時RCC管理多臺接觸網隔離開關，相當于隔離開關的控制中心（見圖1）。

圖1 接觸網隔離開關監控系統構成圖

CC和RCC之間通過專用的遠動通道通信，相關標準完善并且技術成熟，因此接觸網隔離開關監控技術主要集中在RCC對各臺接觸網隔離開關的監控方式上。

1 電纜控制隔離開關

1.1 電纜控制隔離開關方式

早期的接觸網隔離開關大多采用手動隔離開關，電動隔離開關只用在牽引變電所或分區所內，由繼電器或繼電保護測控裝置通過電纜接通隔離開關操作機構內合閘或分閘電路控制隔離開關動作。手動接觸網隔離開關明顯不能滿足重要程度日益提高的電氣化鐵道要求，于是出現了由牽引變電所和分區所通過電纜控制的所外上網或分相電動隔離開關，控制方式與對所內電動隔離開關的控制方式完全相同，區別僅是接觸網隔離開關控制電纜距離較長。

1.2 電纜控制隔離開關存在的問題

采用和控制所內隔離開關相同的方式控制接觸網隔離開關存在諸多問題。首先，外部過電壓沿電纜侵入變電所是對繼電保護裝置開關量輸入和輸出回路甚至整個繼電保護系統的致命威脅。其次，將直流電源引出牽引變電所或分區所會影響所內直流電源系統的可靠性，增加直流接地故障的幾率。

為避免直流電源外引，有些接觸網隔離開關采用交流220V電源作為控制和信號電源。由于單相工頻交流電氣化鐵道的特殊性，接觸網高壓和鄰近的不對稱并行電流會在控制電纜中產生不可忽略的工頻感應電壓，感應電壓的數值受電纜長度、元件參數以及干擾源等多種因素影響，現場觀測到控制電纜中的感應電壓可達數十伏甚至上百伏，導致無法正常判斷隔離開關信號狀態或者元件損壞，在極端嚴重的情況下，感應電壓也可能會引起接觸器吸合造成隔離開關誤動作。

減小感應電壓對電纜控制交流隔離開關遙信和遙控可靠性影響的通常方法是提高開關量輸入回路和接觸器的動作電壓或者降低輸入阻抗，但提高動作電壓可能會由于電纜長距離電壓損失造成接觸器在正常操作時不能可靠動作，降低輸入阻抗會導致損耗增大和元件發熱，因此電纜控制的交流接觸網隔離開關難以取得滿意的效果。

2 無線通信控制隔離開關

2.1 無線通信控制隔離開關方式（見圖2）

為解決電纜控制接觸網隔離開關存在的問題，西南交通大學早在上世紀90年代初就對以無線電作為傳輸媒介的無線接觸網隔離開關監控技術進行了深入研究和工程實踐。在接觸網隔離開關機構處設置遠方被控單元（RCU），RCU和RCC均設無線電臺，構建專用的無線通信網絡。CC經遠動通道下達的控制指令經RCC調制并以無線載波形式發出，對應的RCU將收到的信息解調、譯碼和校驗后由繼電器接通隔離開關機構合閘或分閘電路，完成對隔離開關的遙控。同樣，隔離開關位置等狀態信息也經RCU以無線電方式傳送給RCC。

圖2 無線通信控制隔離開關示意圖

無線通信控制接觸網隔離開關方式不需要在RCC和RCU之間敷設線纜，RCU和隔離開關機構僅需要就近接入AC220V電源即可工作，無需穿越股道敷設控制電纜和信號電纜，避免了感應電壓的影響和過電壓沿電纜侵入變電所的危險。

2.2 無線通信控制隔離開關存在的問題

無線信道是半雙工的工作方式，1臺RCC對多臺RCU之間采用問答式（Polling）通信規約，電臺傳送數據需要頻繁的開載、關載操作，并且每次開載和關載需要一段時間建立穩定的載波保證有效信息的可靠發送，因此信息傳輸具有一定的延時，當站內RCU數量較多時響應延時問題將更加突出。

信道質量決定著遠動通信的效果，由地形、地貌或環境條件對RCC和RCU之間無線信道的影響可以通過中繼轉信來改善，對于電磁干擾或頻段被非法占用雖然通過合理的碼字設計以及報文校驗和誤碼重發等機制可以防止開關誤動和遙信錯誤，但嚴重的干擾必將影響遙控和遙信的成功率。

2014年鐵路部門對國家分配鐵路專用的400MHz無線電頻率資源進行了重新分配和調整，各頻段都有明確的業務分配，難以申請和繼續使用無線電頻率限制了無線接觸網開關監控的實際應用。

3 光纖通信控制隔離開關

3.1 光纖通信控制隔離開關方式（見圖3）

隨著光纖通信技術、器件和材料的迅速發展，出現了采用光纖作為RCC和RCU之間通信介質的接觸網開關監控系統，在RCC和RCU之間敷設光纜建立光纖通信信道，RCU將RCC經光纖送來的控制指令進行解碼并通過繼電器控制隔離開關合閘或分閘，并將隔離開關信號編碼后經光纖送給RCC，實現對接觸網隔離開關的監控。

圖3 光纖通信控制隔離開關示意圖

光纖是良好的絕緣材料，能夠徹底隔離RCC和RCU之間的電氣聯系，防止外部過電壓和干擾沿線纜侵入設備。光纖通信控制隔離開關方式雖然仍需要涉及光纜敷設和過軌的施工問題，但光纜相對電纜成本較為低廉，通信不受外界干擾，傳輸時效性好，這些優點使光纖通信控制隔離開關方式的性能得到很大程度的提高，在電氣化鐵路中得到了最為廣泛的應用。

3.2 光纖通信控制隔離開關的技術優化

雖然光纖通信控制隔離開關方式在監控性能和效果上有著突出的優點，但在實際運行中仍然出現不可靠現象，主要表現為開關拒動、誤動和誤報信號等故障，鐵路總公司為此組織過多次專項整治活動，提出了一系列措施來改善隔離開關監控的可靠性，如通過RCU在不操作隔離開關時斷開控制電源防止誤動、控制命令采用雙端口輸出、隔離開關機構延時解除自保持等，這些措施在防止隔離開關誤動方面取得了明顯的效果。

接觸網隔離開關誤報信號雖然不如開關誤動和拒動對牽引供電的直接影響嚴重，但發生的幾率遠高于誤動和拒動，頻繁的誤報信號會影響供電調度對隔離開關狀態的正確判斷，間接影響牽引供電系統的安全運行。

引起接觸網隔離開關誤報信號的原因是多方面的，如機構內接點接觸不良或狀態不穩定、電源失電等，根據這些故障的特點，可以考慮采取以下措施來防止誤報信號。

正常情況下接觸網隔離開關的位置發生變化一定是由電機轉動引起的，在RCU中設置模擬量采集電路檢測隔離開關機構電機電流，RCU判斷只有伴隨著電機通電的隔離開關變位才認為是有效的變位，可以濾除各種原因造成的虛假開關變位信號。

一般情況下RCU內開關量采集模塊和數據處理以及通信模塊采用不同電壓等級的電源，當RCU失電時工作電壓較高、耗能較大的開關量采集模塊不能維持正常工作而使采集到的閉合信號發生翻轉，而數據處理及通信模塊由于電路中電容等元件的儲能作用在較短時間內維持繼續工作，會將部分錯誤的信號上送給RCC。解決的辦法是在RCU中設置后備電源，當失電時后備電源能夠保證將失電信號可靠上送給RCC，RCC收到失電信號后鎖定該RCU失電前的信號即可防止因為失電造成的誤報信號。

實際運行中經常有一些開關拒動、誤動或誤報信號故障難以查找原因，可以由RCU以帶時標的形式記錄收到的每條控制指令和遙信信息，事后將這些記錄與RCC的信息對照即可確定故障范圍，為故障分析提供依據。

4 直驅式接觸網隔離開關監控

4.1 直驅式接觸網隔離開關監控方式（見圖4）

直驅式接觸網隔離開關監控方式取消了RCU并將原來在隔離開關機構內的控制電路集中設置在了RCC端，RCC通過電纜直接驅動隔離開關機構內電機轉動實現隔離開關的合閘和分閘操作，隔離開關位置信號通過電纜送給RCU實現位置遙信。這種集中監控方式簡化了系統分層結構，所有通信設備、電子元件和控制電路都在RCC端，隔離開關機構內只保留電機和輔助開關，避免了控制電路和敏感元件受隔離開關安裝現場環境條件的影響，控制電纜和隔離開關電機只在操作過程中才短時帶電，有效防止了開關誤動。

圖4 直驅式接觸網隔離開關示意圖

為便于濾除工頻感應通過電纜對操作和信號產生的影響，RCC設置專用的直流電源供各臺接觸網隔離開關操作和信號使用，提高了電源質量和穩定性，也避免了將變電所直流電源外引造成的危害。

4.2 直驅式接觸網隔離開關的控制距離

直驅式接觸網隔離開關監控方式可靠性大幅提高的代價是電纜用量增加，RCC和每一臺隔離開關之間都需要敷設控制電纜和信號電纜各一條，隔離開關動作時電機電流在控制電纜中產生的電壓損失會導致電機端壓降低，為使電纜末端電壓滿足電機工作要求，RCC和隔離開關之間的電纜不能過長，即直驅式接觸網隔離開關的控制距離存在上限。

GB/T11022-2011《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》規定隔離開關機構端子電壓允差為85%～110%。為兼顧RCC控制的最近和最遠處的隔離開關機構電壓均在規定范圍內，將RCC直流電源的輸出電壓調整為上限，即額定電壓的110%，則允許控制電纜上產生的最大電壓損失為25%。

控制電纜上電壓損失達到最大允許值時的電纜長度由式（1）確定。

式中，l為控制電纜長度，km；Un為RCC直流電源的額定電壓，V；R0是電纜單位長度的電阻，Ω/km，由電纜導線材料和截面決定；I是考慮電壓降低后的電機電流，A。

顯然RCC直流電源電壓越高允許在控制電纜上產生的電壓損失就越大，其它條件相同時DC220V電源的最大控制距離是DC110V電源的2倍，因此直驅式接觸網隔離開關監控系統應采用DC220V電源。

在DC220V電壓下，各種截面銅芯電纜驅動不同功率電機的最大電纜長度如圖5所示。

圖5 最大電纜長度與電纜截面和隔離開關電機功率的對應關系曲線

由圖5可以看出，增大導線截面和減小隔離開關電機功率都能提高最大電纜長度，但是增大電纜導線截面會使工程投資增大，并且不便于施工接線，因此提高直驅式接觸網隔離開關最大有效控制距離的合理方法是降低隔離開關電機功率，例如采用4mm2電纜，對于使用300W電機的隔離開關最大有效控制距離是3.7km，而如果電機功率降低到100W，最大有效控制距離則可以提高到11.2km。

4.3 直驅式接觸網隔離開關的防護

敷設于電氣化鐵路環境中的長距離電纜不可避免地會產生感應電壓，由于不操作隔離開關時控制電纜與RCC內部沒有電氣連接，電機阻抗較低能夠泄放控制電纜中的感應電壓，不會對RCC和電機造成不良影響。

由于信號電纜采用直流電壓傳輸隔離開關位置信號，RCC開關量輸入回路端口可以通過濾波電路濾除工頻電壓，使開關量輸入回路僅檢測直流參數來判斷開關位置，減小工頻干擾對隔離開關位置遙信的影響。隔離開關位置信號電纜正常情況下帶電，為減小信號電纜中部分導線帶電時對其它導線產生干擾，信號電纜宜采用屏蔽雙絞線電纜，隔離開關合位信號和分位信號各使用一對絞合線，信號接通時一對絞線中的電流大小相等、方向相反，輻射出來的電波相互抵消從而降低對其它信號的干擾。另一方面，外部干擾信號在一對絞線上的作用是一致的，RCC端可以采用差分電路將共模干擾信號消除，僅提取出有用的差模信號，提高電纜遙信的抗擾性能。

在不操作隔離開關時RCC與控制電纜無直接電氣聯系，而信號電纜則一直與RCC連接，為防止外部過電壓沿信號電纜侵入破壞RCC，在開關量輸入端還應設置電涌保護器，并提高開關量輸入回路的隔離絕緣水平。

5 結束語

根據以上分析，常規的電纜控制方式不適用于接觸網隔離開關監控。由于無線通信的可靠性無法保證，難以分配到合法的無線頻點資源，無線通信控制接觸網隔離開關方式已經逐步被淘汰。光纖通信控制接觸網隔離開關作為目前的主流控制方式，具有良好的技術性能和豐富的運行經驗，不斷提高可靠性是需要進一步研究的方向。直驅式接觸網隔離開關作為近年來新出現的監控方式，應結合現場實踐解決由電纜引起的相關問題。

[1]尹磊.接觸網隔離開關監控系統方案研究[J].建筑電氣,2010,29（8）.

[2]方怡，何常紅.接觸網隔離開關監控系統工程應用及發展趨勢[J].電氣化鐵道，2013（6）.

[3]劉惠德,陳維榮.接觸網開關控制系統研究[J].鐵道學報,1995,17（增刊）.

[4]林建泉，劉惠德，汪永寧.鐵路樞紐站場隔離開關無線監控系統的研究[J].鐵道學報，1995.17（增刊）.

[5]汪永寧.鐵路樞紐站場接觸網開關無線監控系統通訊方式的研究[J].鐵道學報，1998,（3）.

[6]李焱.高速鐵路接觸網隔離開關遠動控制技術的研究[J].電氣化鐵道，2015（2）.

[7]陳興強.接觸網電動隔離開關控制方案優化[J].中國鐵路，2015（4）.

[8]孟令宇，井友剛.接觸網隔離開關集中式控制方案研究[J].電氣化鐵道，2016（5）.