鐵路信號(hào)雙電源轉(zhuǎn)換問題分析與對(duì)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(duì)鐵路通信信號(hào)等一級(jí)負(fù)荷供電可靠性的要求也越來越高，一旦電源側(cè)出現(xiàn)故障，勢(shì)必嚴(yán)重影響行車，造成國民經(jīng)濟(jì)較大損失。
我國現(xiàn)行鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范要求通信信號(hào)等一級(jí)負(fù)荷應(yīng)有兩路電源，分別供電至用電設(shè)備或低壓雙電源切換裝置處，目前設(shè)計(jì)中一般均由車站自動(dòng)閉塞、貫通變壓器低壓側(cè)各引一路電源至用電設(shè)備處雙電源切換箱，自雙電源切換箱下口饋出至負(fù)荷，在此供電系統(tǒng)中，雙電源切換裝置作為兩路電源的轉(zhuǎn)換點(diǎn)對(duì)能否保證可靠供電起著關(guān)鍵作用。但目前在設(shè)計(jì)、使用中對(duì)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(shè)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(zhuǎn)換的發(fā)展現(xiàn)狀
我國工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙電源切換有四種模式，即兩接觸器型、兩斷路器型、勵(lì)磁式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)和電動(dòng)式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)。最初設(shè)計(jì)均為兩接觸器型，它是由兩臺(tái)接觸器搭接而成的簡易電路，這種方式因其機(jī)械聯(lián)鎖不可靠、容易產(chǎn)生溫升發(fā)熱、觸點(diǎn)粘結(jié)、線圈燒毀，在目前工程中應(yīng)用越來越少，接近淘汰；第二為兩斷路器式(CB級(jí))，這種雙電源轉(zhuǎn)換電路由兩斷路器搭接而成，另配機(jī)械聯(lián)鎖裝置，同時(shí)具有短路、過電流保護(hù)功能，但是這種模式機(jī)械聯(lián)鎖不太可靠，多用于計(jì)算電流較大的場(chǎng)所；第三采用勵(lì)磁式專用轉(zhuǎn)換開關(guān)，它由勵(lì)磁式接觸器外加控制器構(gòu)成一個(gè)整體裝置，機(jī)械聯(lián)鎖可靠，轉(zhuǎn)換時(shí)由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅(qū)動(dòng)開關(guān)，速度快。第四由電動(dòng)式開關(guān)構(gòu)成，其主體為負(fù)荷隔離開關(guān)，作為機(jī)電一體式開關(guān)電器，轉(zhuǎn)換由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換平穩(wěn)迅速，且具有過0位功能(PC級(jí))。
按GB／T 14048．11的規(guī)定：雙電源切換裝置可分為PC級(jí)或CB級(jí)兩個(gè)級(jí)別。PC級(jí)：能夠接通、承載、但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鳎籆B級(jí)：配備過電流脫扣器，主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

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

3 鐵路設(shè)計(jì)的對(duì)策
配電系統(tǒng)的特點(diǎn)和負(fù)荷的需要是設(shè)計(jì)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?jǐn)嗄芰εc系統(tǒng)負(fù)載的自身特性及操作頻繁度關(guān)系甚大，在設(shè)計(jì)中需酌情分析。國標(biāo)GB／T14048．11--2002按其不同用途規(guī)定了相應(yīng)的使用類別(表1)。

鐵路通信信號(hào)負(fù)荷均為感性負(fù)載，同時(shí)由于為通信信號(hào)供電的高壓側(cè)10kV自閉線路、貫通線路分別設(shè)有備自投及重合閘裝置，除計(jì)劃檢修外停電次數(shù)較少，比較可靠，因此在一般車站應(yīng)選用針對(duì)感性負(fù)載不頻繁操作的雙電源切換裝置。
基本原則確定后，針對(duì)上一章所提問題逐一分析如下：
1)如何選擇Pc級(jí)和CB級(jí)兩類轉(zhuǎn)換裝置
CB級(jí)本身帶熱磁保護(hù)，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌＿x擇CB級(jí)時(shí)，只要求自動(dòng)轉(zhuǎn)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?jǐn)嚯娏?有效值)大于該處的預(yù)期最大短路電流值(有效值)；②低壓斷路器選型與上下級(jí)出線回路低壓斷路器選型配合滿足配電保護(hù)選擇性要求。PC級(jí)只有電源轉(zhuǎn)換功能，沒有短路及過載保護(hù)功能。額定電流小于等于250A的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，其額定短時(shí)耐受電流有效值(1s)一般在5～12kA左右；因此設(shè)計(jì)中需要根據(jù)整個(gè)低壓配電系統(tǒng)的情況和場(chǎng)合，負(fù)荷的要求具體分析，客觀選擇。
實(shí)際應(yīng)用中，在配電箱、柜內(nèi)，CB級(jí)前端可只設(shè)置隔離電器或隔離開關(guān)，不必再設(shè)短路保護(hù)電器；而PC級(jí)前端就需要設(shè)置短路保護(hù)電器，且配電箱、柜內(nèi)出線回路上的MCB還需要與前端設(shè)置的MCB有級(jí)聯(lián)配合的要求。
需要注意的是CB級(jí)轉(zhuǎn)換裝置會(huì)產(chǎn)生因保護(hù)功能所引發(fā)的一系列問題：
(1)增加了保護(hù)的級(jí)數(shù)，需要確保與上、下級(jí)之間的選擇性。
(2)由于雙電源轉(zhuǎn)換的動(dòng)作輸入信號(hào)是取自電源進(jìn)線的上口，當(dāng)正常電源的電壓或頻率都正常時(shí)，斷路器因過流而脫扣造成負(fù)載失電，轉(zhuǎn)換裝置并不會(huì)動(dòng)作。從這個(gè)角度說，CB級(jí)的保護(hù)功能，在系統(tǒng)的運(yùn)行中是不利的。但在短路容量大的配電系統(tǒng)中，CB級(jí)有一定的優(yōu)勢(shì)。
2)選擇三極開關(guān)還是四極開關(guān)
對(duì)于三極和四極開關(guān)的選用，一般認(rèn)為對(duì)同一類型、同容量的電源之間，如兩個(gè)公用電網(wǎng)、兩個(gè)發(fā)電機(jī)組等這些零線不切斷的或共零線的電源可用三極；對(duì)于不同制式的電源之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和具有諧波電流較大影響的須用四極；另兩個(gè)不同容量的電源之間的轉(zhuǎn)換應(yīng)使用四極，因?yàn)樵诟髯缘牧憔€上都有不同的零序電壓存在，如零線不斷開將會(huì)形成環(huán)流，對(duì)電器設(shè)備危害很大。
針對(duì)鐵路通信信號(hào)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(jí)電源為地方公用電網(wǎng)，因此屬于同一類型電源，在應(yīng)用中沒有特殊情況選用三極開關(guān)即可。
3)選擇兩位式還是三位式開關(guān)
雙電源轉(zhuǎn)換裝置在轉(zhuǎn)換過程中，有一次動(dòng)作到位(兩位式)，還有在中間有一個(gè)空位(三位式)。兩位式開關(guān)主觸頭僅有兩個(gè)工作位(正常電源位及備用電源位)，其轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間較快；三位式開關(guān)主觸頭有三個(gè)工作位，(正常電源位、備用電源位及零位)，零位時(shí)主觸頭處于空擋，因?yàn)樵O(shè)置了零位，三位式轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間較慢。設(shè)置“零位”的主要作用是當(dāng)負(fù)載為高感抗或大電機(jī)負(fù)載時(shí)，為避免沖擊電流做暫態(tài)停留之用。可以說，兩位式比三位式有更高的可靠性。
根據(jù)鐵路一級(jí)負(fù)荷的特點(diǎn)，要求兩路電源迅速轉(zhuǎn)換，且負(fù)載沖擊電流不大，所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選取兩位式開關(guān)。
4)雙電源轉(zhuǎn)換裝置是否可作為隔離電器使用
隔離開關(guān)必須具有以下功能：①動(dòng)觸頭在斷開位置時(shí)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(yīng)超過6mA。
從定義可以看出，雙電源切換裝置應(yīng)用在電氣系統(tǒng)中主要目的是在一、二級(jí)負(fù)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(hù)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(shí)轉(zhuǎn)換裝置自身的重要性與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性要求有一個(gè)無電維護(hù)的條件，在其前端必須設(shè)置隔離電器。
5)雙電源轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換時(shí)間的確定
不同的備用電源性質(zhì)，以及不同的負(fù)載情況，對(duì)轉(zhuǎn)換時(shí)間的要求各有不同。雙電源轉(zhuǎn)換裝置切換時(shí)間△t=△t1+△t2
△t1――轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間
Δt2――人為延遲時(shí)間
在配電系統(tǒng)運(yùn)行中同時(shí)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(shí)間。
其次，人為延時(shí)的確定原則為：①下級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)比上一級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)大于10個(gè)周波(200ms)。②如果正常電源與備用電源在電源側(cè)設(shè)置了聯(lián)絡(luò)斷路器，本級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)比上級(jí)聯(lián)絡(luò)開關(guān)的延時(shí)整定互投時(shí)間大0.5s。
目前生產(chǎn)條件下，轉(zhuǎn)換開關(guān)動(dòng)作時(shí)間范圍大致如下表所示。

4 結(jié)束語
雙電源轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)用在正常電源與備用電源的交匯處，作為鐵路通信信號(hào)等一級(jí)負(fù)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(shè)計(jì)、使用中很容易被忽視為普通開關(guān)，為整個(gè)系統(tǒng)安全運(yùn)行留下重大隱患，因此在設(shè)計(jì)、使用中需要綜合分析電源、負(fù)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(shí)滿足負(fù)載需求，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。