劉海建

*鐵道第三勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司 助理工程師，300251 天津

為保證鐵路通信系統(tǒng)正常工作，一個安全、高效、可靠的通信電源系統(tǒng)是必不可少的。一旦通信電源發(fā)生故障，將對通信系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，甚至?xí)斐赏ㄐ胖袛?，更?yán)重的將導(dǎo)致鐵路行車事故，威脅人身安全。因此，鐵路通信系統(tǒng)的外供電源必須十分可靠、安全。在外供電源停電時，應(yīng)使用備用蓄電池為通信系統(tǒng)暫時供電。

鐵路通信電源系統(tǒng)是獨立的供電系統(tǒng)，由交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)構(gòu)成。其中，交流供電系統(tǒng)由電源輸入輸出線纜、不間斷電源UPS及其后備電池組等構(gòu)成;直流供電系統(tǒng)由電源輸入輸出線纜、高頻開關(guān)電源及其后備蓄電池組等構(gòu)成。

為使鐵路通信系統(tǒng)正常工作，在鐵路設(shè)計中，應(yīng)確保鐵路通信電源系統(tǒng)的先進(jìn)性、可靠性和可擴(kuò)展性，必須科學(xué)配置通信電源系統(tǒng)的設(shè)備容量和合理選擇通信電源系統(tǒng)的輸入輸出線纜。

1 直流電源設(shè)備容量配置分析

通信直流電源設(shè)備主要由高頻開關(guān)電源及其后備電池組構(gòu)成，配置通信直流電源設(shè)備，也就是對高頻開關(guān)電源及其后備電池組進(jìn)行配置。高頻開關(guān)電源及其后備電池組容量配置方法依據(jù)以下幾點。

1．蓄電池組一般配置1或2組。

2．整流器備份一般采用N+1備份方式。

3．充電系數(shù)α，一般選擇0.1～0.15;如果停電頻度較高且持續(xù)時間較長，電池的充電系數(shù)可以選擇0.15～0.2;對于電網(wǎng)較好的通信站或車站，可以選擇0.1。

4．?dāng)U容考慮，如果通信站或車站近期負(fù)荷小、終期負(fù)荷大，為了減小近期投資額，可以按照近期負(fù)荷容量進(jìn)行設(shè)計。

與直流電源容量相關(guān)的因素主要有負(fù)載設(shè)備的總功率、電池均充電流和未來擴(kuò)容情況等。根據(jù)負(fù)載設(shè)備的總功率WL和負(fù)載設(shè)備工作電壓VL(一般通信設(shè)備的直流基礎(chǔ)工作電壓為48V)，利用公式(1)可以求得設(shè)備負(fù)載工作電流IL

根據(jù)規(guī)范，客運(yùn)專線設(shè)計中通信站及車站的直流電源后備電池組為2組，備用時間為1h;區(qū)間點的直流電源后備電池組為2組，備用時間為3h。后備電池組的容量C(Ah)為

其中，IL為設(shè)備負(fù)載工作電流(A)，VL為負(fù)載設(shè)備工作電壓(V)，T為設(shè)計備用時間(h)，μ為溫度系數(shù)(一般取值為0.006～0.01)，K為蓄電池放電效率。當(dāng)放電時間為T=1～2h，K=0.55～0.6;T=3 ～5h，K=0.75 ～ 0.8;T=5 ～ 10h，K=0.85 ～ 1;T ＞ 10h，K=1。

已知蓄電池組容量C和充電系數(shù)α，可得電池均充電電流IC

電源輸出總電流I為設(shè)備負(fù)載工作電流IL與電池均充電電流IC之和。

由于電源輸出總電流是由N個整流模塊并聯(lián)輸出得到，整流器采用N+1備份保護(hù)設(shè)計，可得整流模塊數(shù)目

其中，IM為模塊額定電流，CEIL()表示向上取整。

例如某個車站直流通信設(shè)備功率為3.3kW，并且市電情況較好，要求備用電池組供電時間為1h，利用公式(1)～(5)可以得:

通信設(shè)備工作電流IL:3300/48=69 A

備用電池組容量 C:69×1×1.25/0.55=157 Ah

根據(jù)實際電池規(guī)格，可選2組100Ah蓄電池，共200 Ah，電池均充電系數(shù)取0.1，則電池均充電電流為:200×0.1=20A

電源需輸出的最大電流為:69+20=89A

根據(jù)整流模塊的規(guī)格，可選額定電流為30A的整流模塊，該種型號的整流模塊數(shù)目為(89/30) +1=3.9，取整后為4。

所以，最終應(yīng)該為該車站的通信系統(tǒng)配置為由4個額定電流為30A的整流模塊構(gòu)成的總輸出電流為120A的直流電源系統(tǒng)，并選2組容量100 Ah的蓄電池構(gòu)成后備電池組。對于一般情況，鐵路通信直流電源設(shè)備容量配置分析見表1和表2。

2 交流電源設(shè)備容量配置分析

通信交流電源設(shè)備主要由不間斷電源UPS及其后備電池組構(gòu)成，配置通信交流電源設(shè)備，也就是對不間斷電源UPS及其后備電池組進(jìn)行配置。

首先，通過交流通信設(shè)備的總功耗WH可得不間斷電源UPS輸出視在功率W0為:其中，PF為負(fù)載輸入功率因數(shù)，一般取0.8。

表1 鐵路通信直流電源分析——負(fù)荷 W

表2 鐵路通信直流電源分析——系統(tǒng)容量

對于不間斷電源UPS，當(dāng)輸出視在功率W0為UPS的額定輸出視在功率W的60%～80%時，UPS工作在最佳運(yùn)行狀態(tài)

根據(jù)規(guī)范，客運(yùn)專線設(shè)計中通信站及車站的不間斷電源UPS后備電池組為1組，備用時間為1h;區(qū)間點的不間斷電源UPS后備電池組為1組，備用時間為3h。UPS蓄電池組的容量C(Ah)為

其中，PL為負(fù)載功率(W)，Vf為蓄電池額定電壓(V) (Vf=n×V單體電池，n為電池數(shù)量，一般V單體電池=12V)，T為備用時間(h)，η為UPS電池逆變效率(一般取0.92)，K為蓄電池放電系數(shù)。當(dāng)備電時間T=1～3h，K=0.6;當(dāng)備電時間T=3～5 h，K=0.8;當(dāng)備電時間T=5～10 h，K=0.85;當(dāng)備電時間T ＞10h，K=1。

例如通信站交流設(shè)備的交流總功耗為14.6kW，負(fù)載輸出功率因數(shù)為0.8時，不間斷電源UPS的輸出視在功率W0為14600/0.8=18250VA，UPS的額定視在功率W為18250/0.8=22813 VA，根據(jù)產(chǎn)品的型號類型，可以選擇容量為30 kVA的UPS。

對于一般情況，鐵路通信交流電源設(shè)備容量配置分析見表3和表4。

不間斷電源UPS的容量為30kVA，利用公式(8)可得負(fù)載功率PL=30×1000×0.8×0.8，UPS電池組容量C:

C=(30×1000×0.8×0.8)×1/(360×0.92×0.6)=97(Ah)計算得UPS蓄電池組容量為97 Ah。選擇由30只電池單體12V電池組成的容量為120 Ah的蓄電池組。

表3 鐵路通信交流電源分析——負(fù)荷 VA

表4 鐵路通信交流電源分析——系統(tǒng)容量(UPS輸出/輸入功率因數(shù)按0.8計算)

3 電源線纜選型

3.1 交流電源線纜

根據(jù)IEC60950-1999要求，連接到交流電網(wǎng)電源上的軟線應(yīng)符合表5。

3.2 直流電源線纜

對于直流電源線纜的選擇需要考慮:電纜允許的通流量的大小;70 mm2以下的電纜按照4 A/mm2的通流量計算;90 mm2以上的電纜按照2.5 A/mm2的通流量計算;應(yīng)選擇銅芯電纜。

電池電纜和直流負(fù)載電纜的選擇:在YD5040-1997/2005《通信電源設(shè)備安裝設(shè)計規(guī)范》中，應(yīng)考慮從電池組側(cè)電池連接端子到用電負(fù)載側(cè)輸入端子壓降不超過3.2V(一般不超過3V)，其中直流配電屏內(nèi)壓降不超過0.5 V。

電池電纜和直流負(fù)載電纜的截面積A(mm2)關(guān)系

其中，ΣI為流過導(dǎo)線的總電流(A)，L為導(dǎo)線回路長度(m)，△U為導(dǎo)線上允許壓降，K為導(dǎo)線的導(dǎo)電系數(shù)(K銅=57，K鋁=37)。

根據(jù)公式(9)，可對導(dǎo)線進(jìn)行選型。例如，銅導(dǎo)線上總電流為200A，導(dǎo)線回路長度40 m或100 m，允許壓降3V。當(dāng)L為40 m時，A=200×40/57/3=46.8 mm2，即選擇截面積不小于50 mm2的電源電纜。當(dāng)L為100 m時，A=200×100/57/3=117 mm2，即選擇截面積不小于120 mm2的電源線纜。

考慮到通信電源系統(tǒng)的供電方式不同，在對通信設(shè)備供電電源線纜的選型時，應(yīng)該逐段進(jìn)行分析計算，逐段確定電源線纜的型號。

表5 交流導(dǎo)線截面計算法匯總表

4 結(jié)束語

近年來，隨著控制技術(shù)、電池技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鐵路通信電源系統(tǒng)正呈現(xiàn)出用高頻開關(guān)電源取代相控電源、用閥控式密封鉛酸蓄電池組代替防酸式蓄電池、用計算機(jī)集中監(jiān)控代替人工控制等特點。通過從體制、規(guī)范、維護(hù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等多方面的研究實踐，鐵路通信電源系統(tǒng)不斷引進(jìn)新技術(shù)、新產(chǎn)品，為我國鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

［1］YD5040－1997/2005.通信電源設(shè)備安裝設(shè)計規(guī)范［S］．

［2］王海燕．大準(zhǔn)鐵路通信電源狀況分析［J］．科技與經(jīng)濟(jì)．2006．

［3］伍素琦．通信電源［M］．北京:中國鐵道出版社．