鐵路信號雙電源轉換問題分析與對策

序言
近年來，隨著我國鐵路事業(yè)日新月異的迅猛發(fā)展，行車速度不斷提高，對鐵路通信信號等一級負荷供電可靠性的要求也越來越高，一旦電源側出現(xiàn)故障，勢必嚴重影響行車，造成國民經(jīng)濟較大損失。
我國現(xiàn)行鐵路設計規(guī)范要求通信信號等一級負荷應有兩路電源，分別供電至用電設備或低壓雙電源切換裝置處，目前設計中一般均由車站自動閉塞、貫通變壓器低壓側各引一路電源至用電設備處雙電源切換箱，自雙電源切換箱下口饋出至負荷，在此供電系統(tǒng)中，雙電源切換裝置作為兩路電源的轉換點對能否保證可靠供電起著關鍵作用。但目前在設計、使用中對如何選用雙電源切換裝置、雙電源切換裝置在不同配電系統(tǒng)中的設置、類型的選用以及管理等方面，還存在很多值得深入探討的問題。

l 雙電源轉換的發(fā)展現(xiàn)狀
我國工程領域實現(xiàn)雙電源切換有四種模式，即兩接觸器型、兩斷路器型、勵磁式專用轉換開關和電動式專用轉換開關。最初設計均為兩接觸器型，它是由兩臺接觸器搭接而成的簡易電路，這種方式因其機械聯(lián)鎖不可靠、容易產(chǎn)生溫升發(fā)熱、觸點粘結、線圈燒毀，在目前工程中應用越來越少，接近淘汰；第二為兩斷路器式(CB級)，這種雙電源轉換電路由兩斷路器搭接而成，另配機械聯(lián)鎖裝置，同時具有短路、過電流保護功能，但是這種模式機械聯(lián)鎖不太可靠，多用于計算電流較大的場所；第三采用勵磁式專用轉換開關，它由勵磁式接觸器外加控制器構成一個整體裝置，機械聯(lián)鎖可靠，轉換時由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅動開關，速度快。第四由電動式開關構成，其主體為負荷隔離開關，作為機電一體式開關電器，轉換由電機驅動，轉換平穩(wěn)迅速，且具有過0位功能(PC級)。
按GB／T 14048．11的規(guī)定：雙電源切換裝置可分為PC級或CB級兩個級別。PC級：能夠接通、承載、但不用于分斷短路電流；CB級：配備過電流脫扣器，主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。

2 現(xiàn)行設計中有關爭議
目前設計中關于雙電源切換裝置的爭議和誤區(qū)主要有以下幾點
1)CB級、PC級雙電源轉換裝置如何選用；
2)雙電源轉換裝置選擇三極開關還是四極開關；
3)雙電源轉換裝置選擇兩位式還是三位式；
4)雙電源轉換裝置是否可作為隔離電器使用；
5)雙電源轉換裝置轉換時間的確定；
下面將針對這些問題展開討論，以期找到適用于鐵路通信信號供電系統(tǒng)的解決之道。

3 鐵路設計的對策
配電系統(tǒng)的特點和負荷的需要是設計中如何選擇雙電源切換的型式及各種參數(shù)的根本，顯然，接通與分斷能力與系統(tǒng)負載的自身特性及操作頻繁度關系甚大，在設計中需酌情分析。國標GB／T14048．11--2002按其不同用途規(guī)定了相應的使用類別(表1)。

鐵路通信信號負荷均為感性負載，同時由于為通信信號供電的高壓側10kV自閉線路、貫通線路分別設有備自投及重合閘裝置，除計劃檢修外停電次數(shù)較少，比較可靠，因此在一般車站應選用針對感性負載不頻繁操作的雙電源切換裝置。
基本原則確定后，針對上一章所提問題逐一分析如下：
1)如何選擇Pc級和CB級兩類轉換裝置
CB級本身帶熱磁保護，它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。選擇CB級時，只要求自動轉換裝置的執(zhí)行斷路器選擇正確，即符合下列條件：①低壓斷路器額定分斷電流(有效值)大于該處的預期最大短路電流值(有效值)；②低壓斷路器選型與上下級出線回路低壓斷路器選型配合滿足配電保護選擇性要求。PC級只有電源轉換功能，沒有短路及過載保護功能。額定電流小于等于250A的自動轉換開關，其額定短時耐受電流有效值(1s)一般在5～12kA左右；因此設計中需要根據(jù)整個低壓配電系統(tǒng)的情況和場合，負荷的要求具體分析，客觀選擇。
實際應用中，在配電箱、柜內，CB級前端可只設置隔離電器或隔離開關，不必再設短路保護電器；而PC級前端就需要設置短路保護電器，且配電箱、柜內出線回路上的MCB還需要與前端設置的MCB有級聯(lián)配合的要求。
需要注意的是CB級轉換裝置會產(chǎn)生因保護功能所引發(fā)的一系列問題：
(1)增加了保護的級數(shù)，需要確保與上、下級之間的選擇性。
(2)由于雙電源轉換的動作輸入信號是取自電源進線的上口，當正常電源的電壓或頻率都正常時，斷路器因過流而脫扣造成負載失電，轉換裝置并不會動作。從這個角度說，CB級的保護功能，在系統(tǒng)的運行中是不利的。但在短路容量大的配電系統(tǒng)中，CB級有一定的優(yōu)勢。
2)選擇三極開關還是四極開關
對于三極和四極開關的選用，一般認為對同一類型、同容量的電源之間，如兩個公用電網(wǎng)、兩個發(fā)電機組等這些零線不切斷的或共零線的電源可用三極；對于不同制式的電源之間的自動轉換和具有諧波電流較大影響的須用四極；另兩個不同容量的電源之間的轉換應使用四極，因為在各自的零線上都有不同的零序電壓存在，如零線不斷開將會形成環(huán)流，對電器設備危害很大。
針對鐵路通信信號供電的兩路電源分別為10kV自閉線、貫通線，一般均來自沿線10kV鐵路配電所，其上級電源為地方公用電網(wǎng)，因此屬于同一類型電源，在應用中沒有特殊情況選用三極開關即可。
3)選擇兩位式還是三位式開關
雙電源轉換裝置在轉換過程中，有一次動作到位(兩位式)，還有在中間有一個空位(三位式)。兩位式開關主觸頭僅有兩個工作位(正常電源位及備用電源位)，其轉換動作時間較快；三位式開關主觸頭有三個工作位，(正常電源位、備用電源位及零位)，零位時主觸頭處于空擋，因為設置了零位，三位式轉換動作時間較慢。設置“零位”的主要作用是當負載為高感抗或大電機負載時，為避免沖擊電流做暫態(tài)停留之用?？梢哉f，兩位式比三位式有更高的可靠性。
根據(jù)鐵路一級負荷的特點，要求兩路電源迅速轉換，且負載沖擊電流不大，所以在設計中應盡量選取兩位式開關。
4)雙電源轉換裝置是否可作為隔離電器使用
隔離開關必須具有以下功能：①動觸頭在斷開位置時可鎖定或可視；②具有較高的額定沖擊耐受電壓(1．25倍)；③在任何情況下，極限泄漏電流不應超過6mA。
從定義可以看出，雙電源切換裝置應用在電氣系統(tǒng)中主要目的是在一、二級負荷中完成主備用電源的切換功能。另一方面，其自身也有檢修和維護的可能，所以雙電源切換裝置自身不能滿足隔離器的要求，同時轉換裝置自身的重要性與結構復雜性要求有一個無電維護的條件，在其前端必須設置隔離電器。
5)雙電源轉換裝置轉換時間的確定
不同的備用電源性質，以及不同的負載情況，對轉換時間的要求各有不同。雙電源轉換裝置切換時間△t=△t1+△t2
△t1――轉換動作時間
Δt2――人為延遲時間
在配電系統(tǒng)運行中同時伴隨著主觸頭間的電弧產(chǎn)生及熄滅。為了確保電弧的可靠熄滅，防止第一、第二主觸頭的跨越電弧使正常與備用電源間發(fā)生短路?！鱰必須大于電弧存在的時間。
其次，人為延時的確定原則為：①下級轉換開關比上一級轉換開關的總動作時間應大于10個周波(200ms)。②如果正常電源與備用電源在電源側設置了聯(lián)絡斷路器，本級轉換開關的總動作時間應比上級聯(lián)絡開關的延時整定互投時間大0.5s。
目前生產(chǎn)條件下，轉換開關動作時間范圍大致如下表所示。

4 結束語
雙電源轉換裝置應用在正常電源與備用電源的交匯處，作為鐵路通信信號等一級負荷低壓供電系統(tǒng)中的核心部分，為保障供電可靠性發(fā)揮著重要作用，在設計、使用中很容易被忽視為普通開關，為整個系統(tǒng)安全運行留下重大隱患，因此在設計、使用中需要綜合分析電源、負載等系統(tǒng)各環(huán)節(jié)情況，正確選用雙電源切換裝置，切實滿足負載需求，為實現(xiàn)整個系統(tǒng)安全可靠運行打下堅實的基礎。