陳 丹，周文衛(wèi)，魯小兵

0 引言

鐵路信號電源屏為鐵路信號設(shè)備提供電源服務(wù)，其供電電源質(zhì)量和可靠性直接影響著信號設(shè)備能否正常運行[1]。鐵路信號采用兩路獨立電源，一路主用、一路熱備用的供電方式。當(dāng)主用信號電源發(fā)生缺相、相偏或短路故障時，如果不能及時迅速的切換到備用信號電源，造成主用信號供電變壓器缺相運行，此時線路上會出現(xiàn)有危害的負(fù)序分量；當(dāng)變壓器的中性點接地時，還會出現(xiàn)零序分量，這些都會對電務(wù)負(fù)荷電能質(zhì)量造成一定的影響，導(dǎo)致電務(wù)信號設(shè)備不能正常運行[2]，影響行車效率，并可能引發(fā)安全事故。本文著重分析信號電源的缺相情況及信號電源自動切斷系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理。

1 信號電源自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

現(xiàn)有的信號電源轉(zhuǎn)換裝置一般是基于二次低壓側(cè)一相斷線故障設(shè)計的，未考慮低壓側(cè)短路、高壓側(cè)斷相、高壓側(cè)短路等情況。從掌握的情況分析，當(dāng)主用信號供電變壓器低壓側(cè)一相斷線時，現(xiàn)有的車站信號電源轉(zhuǎn)換裝置能夠自動轉(zhuǎn)換到備用信號電源；而高壓側(cè)單相斷線或短路故障時，轉(zhuǎn)換裝置不能判斷發(fā)生故障，裝置不動作，信號電源不能轉(zhuǎn)換到備用信號電源，使得主用信號變壓器處于非全相運行狀態(tài)，導(dǎo)致電務(wù)信號供電系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的不對稱運行。如果長期缺相運行,會造成故障相絕緣薄弱地方損壞，引發(fā)更嚴(yán)重的事故。

2 信號供電變壓器缺相故障分析

鐵路信號供電系統(tǒng)主要由地方變電站將三相110 kV高壓變?yōu)?0 kV中壓（在鐵路主變電所實現(xiàn)），輸送到鐵路配電所，鐵路配電所通過“自閉、貫通”線路輸送到各站場。各站場主要采用30 kV·A、50 kV·A 等不同容量的三相變壓器，Y/yn-12接線方式，變壓器高壓側(cè)電壓為10 kV、中性點不接地，低壓側(cè)電壓為380/220 V、中性點接地。

在鐵路信號供電系統(tǒng)故障中，信號供電變壓器高、低壓側(cè)都可能發(fā)生單相接地、單相斷路、兩相短路等故障，其中以高壓側(cè)單相斷路故障最為頻繁，對鐵路信號的影響最嚴(yán)重。本文以Y/yn-12型變壓器為例，運用 Matlab/Simulink對信號供電變壓器非全相運行狀態(tài)進行仿真，側(cè)重分析高、低壓側(cè)缺相運行時其低壓側(cè)電壓反應(yīng)的不同情況。信號供電變壓器仿真模型圖略。

分別對高、低壓側(cè)的斷相故障情況進行仿真，部分仿真波形如圖1、圖2所示。

圖1 高壓側(cè)A相斷線時Ua、Ub、Uc波形圖

圖2 低壓側(cè)a相斷線時Ua、Ub、Uc波形圖

由圖1、圖2可知，信號供電變壓器高壓側(cè)一相斷線時，低壓側(cè)故障相電壓約為 11 V，非故障相電壓降到190 V左右（線電壓的一半）。變壓器低壓側(cè)一相斷線時，低壓側(cè)故障相電壓約為0，非故障相電壓正常為220 V。另外，當(dāng)變壓器高壓側(cè)或低壓側(cè)發(fā)生單相或兩相短路故障，低壓側(cè)相對應(yīng)的故障相電壓明顯降低，甚至為0；非故障相電壓也會有相應(yīng)的變化。

根據(jù)鐵路信號供電的相關(guān)規(guī)定，鐵路信號供電系統(tǒng)必須保證不間斷給電務(wù)信號設(shè)備供電，必須不受外電網(wǎng)電壓波動的影響，要求電務(wù)信號設(shè)備的輸入電壓波動范圍不能超過10%。因此，結(jié)合以上對變壓器故障情況的仿真分析，設(shè)定190 V為缺相故障時的閾值電壓，即當(dāng)檢測到變壓器低壓側(cè)的某一相或幾相相電壓低于190 V，可認(rèn)為信號電源發(fā)生故障。

3 信號電源自動切斷系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

3.1 系統(tǒng)框架

根據(jù)以上對現(xiàn)有信號電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的分析，考慮在信號電源主回路中加裝自動切斷電路，當(dāng)信號電源故障時將低壓側(cè)三相線路全部切斷，則轉(zhuǎn)換設(shè)備必定能可靠轉(zhuǎn)換到備用電源。該自動切斷系統(tǒng)主要由交流接觸器及其線圈控制電路、電壓采集變換電路、比較電路、繼電器控制電路組成，其系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 信號電源自動切斷電路框架圖

3.2 整體電路

信號電源自動切斷系統(tǒng)的整體電路如圖 4所示，圖4中僅給出a相電壓檢測電路，b相、c相檢測電路類似a相電路。

工作原理描述如下：將信號電源的相電壓作為取樣信號，同時取a、b、c三相相電壓進行判斷，以實現(xiàn)當(dāng)信號電源有一相或者幾相電壓低于閾值電壓時，比較器輸出 V0為高電平，T1導(dǎo)通，繼電器KA線圈得電使其常閉觸點斷開，接觸器KM失電斷開其觸點，從而自動切斷信號電源低壓側(cè)三相線路。同時當(dāng)信號電源各相電壓均恢復(fù)到正常時，自動恢復(fù)供電。

圖4 信號電源自動切斷系統(tǒng)整體電路圖

3.3 各單元的組成及工作原理

（1）交流接觸器及其線圈控制電路。該單元電路由FU、KM、KM-3、KA-1、SB1、SB2組成，如圖4所示，其中熔斷器FU起保護作用，KM-3為三相交流接觸器的主觸點，KM為接觸器線圈，KA-1為繼電器常閉觸點，SB1、SB2用作手動閉合供電回路。當(dāng)信號電源故障時，電壓檢查電路控制KA-1觸點斷開，KM線圈失電，KM-3觸點斷開，從而切斷供電線路。

（2）電壓采集變換電路。該單元電路由R1、R2、CHY-400V組成，見圖4，單相交流電壓隔離變送器CHY-400V[3]將a相220 V交流電變換成0～5 V標(biāo)準(zhǔn)直流電壓信號，R1是變送器原邊串接限流電阻，R2為變送器副邊取樣電阻。

（3）電壓比較電路。該單元電路由R3、R4、R5、Rf、IC1組成，見圖 4，其中 Rf是上拉電阻，R4、Rf用以設(shè)定閾值電壓Vd。當(dāng)IC1反向輸入端輸入的實際線路電壓值V1＞Vd時，IC1輸出V0為低電平，表示供電正常；反之 V0為高電平，表示有故障發(fā)生[4]。另外，非門、R6、LED為故障報警電路，R7和DZ為穩(wěn)壓限幅電路，Va為經(jīng)過穩(wěn)壓之后的a相電平信號。

（4）繼電器控制電路。該單元電路由邏輯或門、R8、VD1、VD2、T1及 KA 組成，見圖 4，當(dāng)Va、Vb、Vc任一為低電平時，T1截止，繼電器KA線圈不得電，其常閉觸點KA-1不動作，保持正常供電；當(dāng) Va、Vb、Vc任一為高電平時，T1導(dǎo)通，KA得電，KA-1斷開，KM掉電，KM-3斷開，從而切斷電源主回路。VD1、VD2是為了當(dāng)繼電器KA動作瞬間所產(chǎn)生的反向電動勢釋放而設(shè)，起保護晶體管T1的作用。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)在某鐵路局電務(wù)段的實際試驗效果良好，可以實現(xiàn)如下基本功能：當(dāng)信號供電變壓器發(fā)生缺相故障時，不論是高壓側(cè)還是低壓側(cè)故障，一旦檢測到的電壓低于所設(shè)定的閥值電壓，即可控制接觸器自動切斷信號電源低壓側(cè)的三相線路，進而實現(xiàn)主、備用信號電源的自動轉(zhuǎn)換。

[1]高靜敏. 鐵路信號電源屏的數(shù)據(jù)監(jiān)測[J]. 希望月報，2007（9）.

[2]屈剛，李長凱，張強，等. Y/y0-12型配電變壓器缺相運行分析[J]. 中國電力教育，2009（S1）.

[3]宇波模塊產(chǎn)品手冊.北京森社電子有限公司.

[4]農(nóng)光平. 非接觸式交流電流監(jiān)控器新探[J]. 廣西廣播電視大學(xué)學(xué)報，2001，（4）.