电气化铁路信号供电交直交电源的选型探讨

姚勤隆

(天津城投建设有限公司,天津 300161)

1 问题的提出

近年来,我国电气化铁路发展迅猛,截止到2009年底运营里程已达36 511 km,到2020年电气化铁路比重将达到60%。电气化铁路的快速发展,为其他专业合理利用牵引供电作为电源提供了一个技术平台。

《铁路电力设计规范》(TB10008—2006)要求铁路沿线,特别是区间用电负荷多而分散的铁路沿线应设置电力贯通线路,自动闭塞区段除设置电力贯通线以外还应设置自动闭塞电力线路；设置在铁路沿线,为自动闭塞电力线路和电力贯通线路供电的10 kV配电所之间的距离应根据电源分布情况和方便检修的原则确定,一般条件下宜为40～60 km,当受电源条件限制时,自动闭塞电力线路允许延长到70 km。

如果电力线路故障停电,可造成行车信号无法正常显示,造成事故,尤其是单自闭电力线路或单贯通电力线路供电区段停电事故多发。为了减少因停电给行车带来的影响,部分运营单位提出了在繁忙干线为车站信号接引第三路电源、在干线铁路接引第二路电源的设想。在繁忙干线增建第三路贯通电力线路、在干线铁路增设第二条贯通电力线路,在经济上都是一个很大的资金投入，如何利用电气化铁路特点实现提高信号供电的可靠性是一种有意义的思路。

2 迁曹电气化铁路交直交电源的应用

迁曹线为国家Ⅰ级干线重载铁路,采用10 kV单回路贯通电源供电模式。由于外部电源匮乏,为了解决沿线4座信号中继站、3座车站信号第二路电源,采用了接引接触网经降压变压器将27.5 kV降压为0.23 kV,再经过电气化铁路交直交电源装置为信号中继站及车站信号供电的方案,供电方式示意见图1。

图1 中继站供电方式示意

2.1 交直交电源的测试

为了验证交直交电源的实际使用效果,有关部门组织对1号中继站的交直交电源进行了连续3 d的全负荷运行测试。测试项目包括：交直交电源的输入侧相电压U0、交直交电源的输出侧的相电压UA、UB、UC，线电压UAB、UAC、UBC,输入侧电流、输出侧电流,输入侧波形、输出侧波形,输入侧电压谐波含量、输出侧电压谐波含量。

运行方式为供中继站的贯通Ⅰ路电源退出运行,交直交电源装置单路供电。主要测试结果如下。

(1)U0=202 V,UA=220 V,UB=219 V,UC=218 V,UAB=389 V、UAC=381 V、UBC=382 V；带负载时交直交电源输入电流为24.6 A，输出电流A相为7.2 A，B相为5.9 A，C相为6.7 A。

图2 交直交输入电源电压波形

表1 输入电压各次谐波含量

注：N—谐波次数；R.M.S—交流有效值，%—与基波比值的百分数；ANG—该次谐波的初相位。

图4 整流原理示意

图3 交直交输出三相电压波形

表2 输出谐波分析(带负载有列车经过)

2.2 交直交电源的测试小结

从测试结果看,输入电压谐波总畸变率为21.6%,数据超过了国家标准16.62%,在经过交直交电源整流治理后,输出电压谐波总畸变率为A相：2.421%、B相：3.455%、C相：3.420%,谐波含量下降,能够满足《电能质量公用电网谐波》(GB/T14549—93)标准中规定的0.38 kV电网电压总谐波畸变率5%以下的要求,且设备运行正常,输出电压稳定,能够滿足铁路运营正常使用要求。

3 单变三交直交工频机与高频机使用效果的比较

笔者在从事电气化铁路信号第二路电源设计中,先后使用了工频交直交电源、高频交直交电源等两种方案,两种机型工作原理及使用效果比较如下。

3.1 工频交直交电源的使用及问题处理

交直交电源输入电源引自接触网,接触网电源为单相供电系统,交直交电源采用单变三的转换模式,其整流原理示意如图4所示,逆变原理示意如图5所示。

图5 逆变原理示意

交直交电源单相交流输入AC220V,经过电抗器、升压变压器、整流桥、电容稳压滤波、BUCK斩波,稳压滤波最后输出稳定的DC220V电源,DC220V然后再经过逆变器和升压变压器输出稳定的三相四线交流电源。

单变三工频交直交电源经现场安装调试及运行,暴露出了一些问题：DC-DC模块烧损、斩波器烧损、逆变模块烧损、部分器件松动等。

3.1.1 DC-DC模块的故障

工频交直交电源共有2个DC-DC模块,分别为整流以后斩波器中的BUCK控制电路和逆变控制提供工作电源。一旦DC-DC模块发生故障以后,直流斩波和逆变就无法正常工作,导致设备无输出。为直流斩波控制电路提供电源的DC-DC模块输入电压引自整流电容稳压滤波之后、斩波之前。DC-DC模块的额定工作电压为300 V(最高450 V、最低180 V),而DC-DC模块输入点的直流电压为V×1.1×1.414(V为交流输入电压)。输入交流的允许范围为+25%～30%,也就是说DC-DC模块的输入范围的理论值在240～427 V。如交流输入电压波动范围超出了25%以上就很难保证DC-DC模块的正常输出,还有可能出现尖峰冲击电压,这样就无法保证DC-DC模块的正常工作。为了解决这一问题,最终将DC-DC模块用开关电源(AC-DC)代替。开关电源的输入取自交直交电源交流输入端,而且开关电源本身还有滤波和抑制浪涌电压的功能，运行比较可靠,保障了两个核心控制电路的工作电源,提高了整机运行的可靠性。

3.1.2 斩波部分的故障

斩波部分主要包括IGBT、IGBT控制和IGBT的保护回路3部分。由于接触网系统电源质量谐波含量高、电压波动大,对交直交电源的安全运行影响很大,尤其是对斩波部分的影响。最严重的一次故障将斩波回路的所有器件全部击穿,DC-DC模块也被烧损。经过现场查看和分析认定,交直交电源输入电源的降压变压器二次N线未做接地造成电压漂浮,L、N线间的电压升高且漂浮不定,高的时候能达到1 000 V左右,IGBT直接被击穿,IGBT的吸收保护电路也被烧损。BUCK控制电路的工作电源为DC24V,由于DC-DC模块的输入与输出同时也被击穿,BUCK控制电路的工作电源就会接通一个很高的电压,导致BUCK控制电路烧损；IGBT被击穿以后相当于完全打开,后端的DC-DC模块也由于输入电压异常而导致无法正常工作,影响逆变控制和逆变模块输出。

将交直交电源的输入电源变压器的二次侧N线强制接地,把N线拉为零电位,保障L、N之间的电压只是原次边的电磁耦合的电压,使交直交电源输入电源为一稳定的0.23 kV的电压。

3.1.3 逆变模块的故障

逆变模块的损坏也会造成设备交流输出缺相,设备保护关机。拆下烧损的逆变模块以后,初步测量发现逆变模块的输出端相间短路。经检查,输出侧负载无异常,也没有过载的情况。经过查看这个器件的入厂检验记录,发现这个器件的部分参数性能都略低于其他模块，这说明器件质量存在一些问题。

3.1.4 部分器件的松动引起的故障

交直交电源安装在铁路沿线,当列车通过时会造成比较大的振动,难免有些器件造成松动。因此在一些特殊工作环境安装的交直交电源一定要进行防松处理,避免造成设备的运行异常。工频交直交电源是由每个单元构成的,一旦某一个环节出现了故障，就会很大程度上影响到其他环节的正常运行,导致整个设备的停机。

3.2 高频交直交电源的原理及使用

高频交直交电源通常由IGBT高频整流器,电池变换器,逆变器和旁路组成,IGBT构成高频整流器的整流波形,是对输入电压波形实行均匀地高频切割,有的是频率固定而切割宽度可调,有的是对宽度固定而频率可调,这样做是为了使输入电流和电压同相,达到输入功率因数为1的目的。IGBT有3个极,分别为漏极、源极和栅极,栅极又称为门极。IGBT的开通与关断是由门极电压来控制的,在门极加上正向电压时,IGBT打开,进入导通状态。在门极施加反向电压后,IGBT被关断。IGBT整流器开关频率通常在几kHz到几十kHz,甚至高达上百kHz。典型的高频机拓扑见图6。

图6 高频交直交电源拓扑图

通过与工频交直交电源的拓扑原理图比较,可以看出这种设备通过在整流部分增加BOOST斩波器,将整流后的直流提升到输出所需的电压,从而省掉了逆变器后面的输出变压器,即以直流升压取代了变压器交流升压。高频交直交电源整流属于升压整流模式,其输出直流母线的电压比输入线电压的峰值高,一般典型值为800 V左右,由于高频机直流母线电压为800 V左右,所以逆变器输出相电压可以直接达到220 V,逆变器之后就不再需要升压变压器。

该电源的优点是省掉了逆变器输出变压器,降低了成本,减小了质量和占地面积。由于在斩波升压环节增加了功率因数校正功能,使这种设备具有非常好的输入功率因数。高频交直交电源由于频率很高，电路中所配备的电感器件、电容器件体积就变的很小，这就为模块化生产提供了条件,功率模块可以N+1个配置,当设备运行中某一个模块发生故障,故障模块会自动退出运行,不会影响整体设备运行。在首次建设时可在柜体中预留功率模块位置，一旦运行以后需要増容,只需购买相同模块安装就可,降低了后期增容成本。笔者在信号电源工程设计中使用高频模块化交直交电源,运行情况良好。

3.3 高频交直交电源与工频交直交电源特性比较

3.3.1 高频机与工频机功率因数的比较

功率因数是供电部门对用户的一个重要考核指标。供电部门对用电部门的要求是功率因数不低于0.9～0.95,如果低于这个值供电部门要罚款,高于这个值高于部分要奖励。因此运行部门要求所供应的设备应最大限度地从供电系统少吸取无功功率,可以提高供电变压器的有功输出,减少无功容量的占有。同时，可以在容量允许的情况下更换小容量的供电变压器,以达到减少变压器的铜损铁损的目的。

对交直交电源来讲,功率因数的高低标志着对电网的有效利用能力,对电网和周围空间的干扰能力，以及对降压变压器容量的要求。为了保证供电环境的清洁,就要求交直交电源必须具有高输入功率因数,以减少对供电系统的干扰。

10 kVA以下的工频交直交电源在无输入功率因数补偿时,单相整流时输入功率因数一般为0.6～0.7,谐波电流50%。这就意味着输入电源的电线、开关需要在规格上加大倍数,变压器的容量也应增大容量。10 kVA以上的大中功率工频交直交电源一般用6脉冲整流时,交直交电源输入功率因数约为0.8,谐波电流大约在30%左右,这同样意味着应将输入回路的各种线路及配件、降压变压器加大容量。3相12脉冲整流时工频交直交电源的输入功率因数虽然可以做到0.95,但还是有10%左右的谐波电流成分,不符合国家相关标准的要求,需要配套整治。

高频交直交电源是由IGBT构成整流电路,它与用晶闸管不同的是,晶闸管是对输入电压波形实现集中切割,需要多少切割多少；而高频交直交电源的IGBT是对输入电压波形实行均匀的高频切割,有的是频率固定而切割宽度可调,有的是宽度固定而频率可调,这样做的目的是为了使输入电流和电压同相达到输入功率因数为1的目的。功率因数的提高也减小了设备本身向系统输送谐波电流的效果,实现了绿色电源的目地。

3.3.2 关于输出隔离变压器的比较

工频单变三交直交电源输出为三相四线380V电源,工频交直交电源整流器属于降压整流,工频交直交电源在输岀时必须有一个升压的环节,需加装升压变压器升压并将三相三线制转成三相四线制；高频交直交电源本身就能输岀三相四线电源无需加装输出变压器。高频交直交电源不但降低了铜材消耗还降低了能源的消耗,而且还可以降低设备的采购成本。

4 结语

在外电源匮乏地区的电气化区段，采用从接触网上取电使用交直交电源装置供沿线信号、通信系统用电，可少建1条电力贯通线路。以迁曹线为例,建设1条电力贯通线路和4个变电所投资约2 950万元,4个中继站及3个信号楼使用交直交电源装置,按每处综合投资70万元计算,合计投资490万元,可节省投资2 460万元。在满足信号系统两路电源的前提下,选用交直交电源方案,可大量节省基本建设投资。

从交直交电源使用的故障分析和近年使用效果来看,高频交直交电源可靠性优于工频交直交电源。随着IGBT高频整流器质量成熟稳定,价格趋平,适应复杂使用环境能力较强的优势,由其构成的高频交直交电源性能稳定,将逐步得到广泛应用,在交直交电源装置选用时应首选高频交直交电源装置。

[1]王其英,何春华.新型UPS工作原理与实用技术及选购指南[M].北京：人民邮电出版社,2006.

[2]王其英.机房与UPS选型技术手册[M].北京：中国电力出版社,2008.

[3]张丕林,何蕴香.静止型不间断电源装置的应用与维护[M].北京：中国电力出版社,1996.

[4]TB10008—2006，铁路电力设计规范[S].

[5]GB/T14549—93，电能质量公用电网谐波[S].

[6]吴京文.标准化促进模块化UPS快速发展[J].电源技术应用，2010(8).