铁路信号双电源转换问题分析与对策


序言
近年来,随着我国铁路事业日新月异的迅猛发展,行车速度不断提高,对铁路通信信号等一级负荷供电可靠性的要求也越来越高,一旦电源侧出现故障,势必严重影响行车,造成国民经济较大损失。
我国现行铁路设计规范要求通信信号等一级负荷应有两路电源,分别供电至用电设备或低压双电源切换装置处,目前设计中一般均由车站自动闭塞、贯通变压器低压侧各引一路电源至用电设备处双电源切换箱,自双电源切换箱下口馈出至负荷,在此供电系统中,双电源切换装置作为两路电源的转换点对能否保证可靠供电起着关键作用。但目前在设计、使用中对如何选用双电源切换装置、双电源切换装置在不同配电系统中的设置、类型的选用以及管理等方面,还存在很多值得深入探讨的问题。

l 双电源转换的发展现状
我国工程领域实现双电源切换有四种模式,即两接触器型、两断路器型、励磁式专用转换开关和电动式专用转换开关。最初设计均为两接触器型,它是由两台接触器搭接而成的简易电路,这种方式因其机械联锁不可靠、容易产生温升发热、触点粘结、线圈烧毁,在目前工程中应用越来越少,接近淘汰;第二为两断路器式(CB级),这种双电源转换电路由两断路器搭接而成,另配机械联锁装置,同时具有短路、过电流保护功能,但是这种模式机械联锁不太可靠,多用于计算电流较大的场所;第三采用励磁式专用转换开关,它由励磁式接触器外加控制器构成一个整体装置,机械联锁可靠,转换时由电磁线圈产生吸引力来驱动开关,速度快。第四由电动式开关构成,其主体为负荷隔离开关,作为机电一体式开关电器,转换由电机驱动,转换平稳迅速,且具有过0位功能(PC级)。
按GB/T 14048.11的规定:双电源切换装置可分为PC级或CB级两个级别。PC级:能够接通、承载、但不用于分断短路电流;CB级:配备过电流脱扣器,主触头能够接通并用于分断短路电流。

2 现行设计中有关争议
目前设计中关于双电源切换装置的争议和误区主要有以下几点
1)CB级、PC级双电源转换装置如何选用;
2)双电源转换装置选择三极开关还是四极开关;
3)双电源转换装置选择两位式还是三位式;
4)双电源转换装置是否可作为隔离电器使用;
5)双电源转换装置转换时间的确定;
下面将针对这些问题展开讨论,以期找到适用于铁路通信信号供电系统的解决之道。

3 铁路设计的对策
配电系统的特点和负荷的需要是设计中如何选择双电源切换的型式及各种参数的根本,显然,接通与分断能力与系统负载的自身特性及操作频繁度关系甚大,在设计中需酌情分析。国标GB/T14048.11--2002按其不同用途规定了相应的使用类别(表1)。

铁路信号双电源转换问题分析与对策

铁路通信信号负荷均为感性负载,同时由于为通信信号供电的高压侧10kV自闭线路、贯通线路分别设有备自投及重合闸装置,除计划检修外停电次数较少,比较可靠,因此在一般车站应选用针对感性负载不频繁操作的双电源切换装置。
基本原则确定后,针对上一章所提问题逐一分析如下:
1)如何选择Pc级和CB级两类转换装置
CB级本身带热磁保护,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。选择CB级时,只要求自动转换装置的执行断路器选择正确,即符合下列条件:①低压断路器额定分断电流(有效值)大于该处的预期最大短路电流值(有效值);②低压断路器选型与上下级出线回路低压断路器选型配合满足配电保护选择性要求。PC级只有电源转换功能,没有短路及过载保护功能。额定电流小于等于250A的自动转换开关,其额定短时耐受电流有效值(1s)一般在5~12kA左右;因此设计中需要根据整个低压配电系统的情况和场合,负荷的要求具体分析,客观选择。
实际应用中,在配电箱、柜内,CB级前端可只设置隔离电器或隔离开关,不必再设短路保护电器;而PC级前端就需要设置短路保护电器,且配电箱、柜内出线回路上的MCB还需要与前端设置的MCB有级联配合的要求。
需要注意的是CB级转换装置会产生因保护功能所引发的一系列问题:
(1)增加了保护的级数,需要确保与上、下级之间的选择性。
(2)由于双电源转换的动作输入信号是取自电源进线的上口,当正常电源的电压或频率都正常时,断路器因过流而脱扣造成负载失电,转换装置并不会动作。从这个角度说,CB级的保护功能,在系统的运行中是不利的。但在短路容量大的配电系统中,CB级有一定的优势。
2)选择三极开关还是四极开关
对于三极和四极开关的选用,一般认为对同一类型、同容量的电源之间,如两个公用电网、两个发电机组等这些零线不切断的或共零线的电源可用三极;对于不同制式的电源之间的自动转换和具有谐波电流较大影响的须用四极;另两个不同容量的电源之间的转换应使用四极,因为在各自的零线上都有不同的零序电压存在,如零线不断开将会形成环流,对电器设备危害很大。
针对铁路通信信号供电的两路电源分别为10kV自闭线、贯通线,一般均来自沿线10kV铁路配电所,其上级电源为地方公用电网,因此属于同一类型电源,在应用中没有特殊情况选用三极开关即可。
3)选择两位式还是三位式开关
双电源转换装置在转换过程中,有一次动作到位(两位式),还有在中间有一个空位(三位式)。两位式开关主触头仅有两个工作位(正常电源位及备用电源位),其转换动作时间较快;三位式开关主触头有三个工作位,(正常电源位、备用电源位及零位),零位时主触头处于空挡,因为设置了零位,三位式转换动作时间较慢。设置“零位”的主要作用是当负载为高感抗或大电机负载时,为避免冲击电流做暂态停留之用。可以说,两位式比三位式有更高的可靠性。
根据铁路一级负荷的特点,要求两路电源迅速转换,且负载冲击电流不大,所以在设计中应尽量选取两位式开关。
4)双电源转换装置是否可作为隔离电器使用
隔离开关必须具有以下功能:①动触头在断开位置时可锁定或可视;②具有较高的额定冲击耐受电压(1.25倍);③在任何情况下,极限泄漏电流不应超过6mA。
从定义可以看出,双电源切换装置应用在电气系统中主要目的是在一、二级负荷中完成主备用电源的切换功能。另一方面,其自身也有检修和维护的可能,所以双电源切换装置自身不能满足隔离器的要求,同时转换装置自身的重要性与结构复杂性要求有一个无电维护的条件,在其前端必须设置隔离电器。
5)双电源转换装置转换时间的确定
不同的备用电源性质,以及不同的负载情况,对转换时间的要求各有不同。双电源转换装置切换时间△t=△t1+△t2
△t1——转换动作时间
Δt2——人为延迟时间
在配电系统运行中同时伴随着主触头间的电弧产生及熄灭。为了确保电弧的可靠熄灭,防止第一、第二主触头的跨越电弧使正常与备用电源间发生短路。△t必须大于电弧存在的时间。
其次,人为延时的确定原则为:①下级转换开关比上一级转换开关的总动作时间应大于10个周波(200ms)。②如果正常电源与备用电源在电源侧设置了联络断路器,本级转换开关的总动作时间应比上级联络开关的延时整定互投时间大0.5s。
目前生产条件下,转换开关动作时间范围大致如下表所示。

铁路信号双电源转换问题分析与对策

4 结束语
双电源转换装置应用在正常电源与备用电源的交汇处,作为铁路通信信号等一级负荷低压供电系统中的核心部分,为保障供电可靠性发挥着重要作用,在设计、使用中很容易被忽视为普通开关,为整个系统安全运行留下重大隐患,因此在设计、使用中需要综合分析电源、负载等系统各环节情况,正确选用双电源切换装置,切实满足负载需求,为实现整个系统安全可靠运行打下坚实的基础。

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