劉吉業(yè)

（天津鐵路信號有限責任公司，天津 300300）

隨著國內(nèi)鐵路建設的迅速發(fā)展，鐵路信號電源系統(tǒng)設備（以下簡稱電源系統(tǒng)設備）的市場需求量也在逐年攀升，為了確保電源系統(tǒng)設備的制造質量穩(wěn)定可靠，急需建立適用于目前鐵路站場電源系統(tǒng)設備生產(chǎn)調試的綜合測試安全平臺（簡稱測試平臺）。測試平臺主要包括電源輸入綜合測試系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)、調試負載系統(tǒng)和老化負載系統(tǒng)4個部分。其中調試負載系統(tǒng)是測試平臺的核心，要求能夠為整套電源系統(tǒng)設備的各路輸出電源同時施加精確負載進行調試，以確保電源系統(tǒng)設備的基本功能及各項指標均滿足設計要求。本文將結合歐姆定律和串并聯(lián)電路原理，以AC220 V 50 Hz輸出電源為例，論述測試平臺調試負載系統(tǒng)的設計思路。

1 設計方案

為使測試平臺測試的輸出電源制式種類更全面，將鐵道行業(yè)標準《鐵路信號電源系統(tǒng)設備》（TB/T 1528 -2018）中的輸出電源種類進行分析和歸納，再結合近幾年電源系統(tǒng)設備設計的技術條件，整理了常規(guī)制式電源系統(tǒng)設備所有額定容量、輸出電源種類、額定輸出電壓及電流值統(tǒng)計表。為便于分析，本文只摘錄了其中額定輸出電壓為AC220 V 50 Hz的部分，如表1所示，并以此為例展開設計方案論述。

表1 電源系統(tǒng)設備額定容量、輸出電源種類、額定輸出電壓及電流值統(tǒng)計Tab.1 Statistics table of rated capacity, output power type, rated output voltage and current of power supply system equipments

將表1中各列不同容量電源系統(tǒng)設備的輸出電源路數(shù)進行比較，篩選出30 kVA電源系統(tǒng)設備的輸出電源數(shù)量最多，可達16路，因此需要設計的負載系統(tǒng)至少應滿足16路電源同時加載調試。如果再預留2路備用，則需要設計18路負載。表1中所有負載電流（滿載）種類有 ：1 A、2 A、2.5 A、4 A、5 A、6.3 A、10 A、12.5 A、16 A。 此 外，《 鐵 路信號電源系統(tǒng)設備 第1部分：通用要求》（TB/T 1528.1-2018）中5.6.5.1規(guī)定：“當輸入電壓在規(guī)定的范圍內(nèi)，電源系統(tǒng)設備各輸出回路負載在額定值的30%～100%范圍變化時，輸出電壓允許波動應維持在AC220 V±10 V范圍內(nèi)”，因此還應考慮30%負載情況，其對應的負載電流值如表2所示。

從表2中可以看出，共有18個不同的負載電流值，這些電流值在調試過程中均有可能會出現(xiàn)。為了使調試負載通用性更強，考慮將上文中提到的18路負載，按照每一路都能滿足這18種負載電流的方案進行設計。為此，以其中的1路負載為例，設計了3種方案進行優(yōu)選。

表2 AC220 V電源額定輸出電流種類統(tǒng)計Tab.2 Statistics table of rated output current types of AC220 V power supply

方案一：把標配輸出額定電流分成30%和70%兩個部分進行設計。

額定電流值主要是以表1中繼電聯(lián)鎖30 kVA和計算機聯(lián)鎖30 kVA電源種類為基礎，相應增加部分電流值，可以設置為5 A負載8路、4 A負載 6路、6.3 A 負 載 1路、2 A 負 載 1路、10 A負載2路，共18路。 每路分成30%負載和70%負載兩部分，電氣原理如圖1所示。只閉合斷路器QF1即可滿足30%負載要求；同時閉合斷路器QF1和QF2即可滿足滿載要求，還可以利用滑動變阻器Rt進行微調。

圖1 方案一電氣原理Fig.1 Electrical schematic diagram of scheme 1

其中 16 A 負載可以用 10 A、4 A 和 2 A 負載在接線端子上進行并聯(lián)拼湊；2.5 A可以用兩個5 A負載在接線端子上進行串聯(lián)拼湊。

該方案原理較為簡單，只要選擇合適的電阻通過串并聯(lián)即可實現(xiàn)功能。但如果標識不清，操作過程中容易造成混亂，也會給調試加載帶來隱患。

方案二：設置常用標準負載若干，應用臨時跨接線搭建串并聯(lián)電路，湊出需要的負載值。

用一排5 A電阻、一排4 A電阻、一排用于微調的電阻、一排斷路器，全部連接到塞孔端子上，利用帶插塞的導線在端子上臨時跨接連通電路。為便于分析，只選取該電氣原理圖的一部分進行論述。當需要為AC220 V電源提供12.5 A負載時，可按照如圖2所示電路接配線。以此類推，通過改變臨時跨接線的連線方式，可得到表2中其他電流值負載。

圖2 方案二電氣原理Fig.2 Electrical schematic diagram of scheme 2

該方案較為復雜，對操作者的技能水平要求較高，需備有大量臨時跨接線，接線效率較低而且很容易接錯。

方案三：采用阻值利用率高的電阻通過斷路器控制進行并聯(lián)組合的方式。

利用自然數(shù)1～9任意組合相加，每個數(shù)字只用一次，拼湊從1～12的所有數(shù)字，發(fā)現(xiàn)只要有1、2、4、5就可以全部拼湊完成，如表3所示。因此，可以選用這4個電流值所對應的電阻進行有效并聯(lián)，實現(xiàn)表2中10 A以內(nèi)的所有整數(shù)電流值。

表3 利用自然數(shù)1、2、4、5拼湊的12以內(nèi)數(shù)字Tab.3 Numbers up to 12 pieced together with natural numbers 1, 2, 4 and 5

以此類推，可以用0.1、0.2、0.4、0.5拼湊出從0.1～1.2之間的十分位小數(shù)，以滿足30%負載小數(shù)以及整路負載微調的需求。

綜上，18路負載中有15路都可以用0.1 A、0.2 A、0.4 A、0.5 A、1 A、2 A、4 A、5 A 負 載通過斷路器控制進行選擇性并聯(lián)，實現(xiàn)負載值從0.1～13.2 A的連續(xù)可調，電氣原理如圖3所示。為了滿足16 A負載的需要，其他3路在此基礎上再增加一只10 A負載，因此10 A額定負載也不再需要拼湊。通過控制斷路器開合狀態(tài)可以方便地實現(xiàn)負載的接入與斷開，從而實現(xiàn)負載電流值的精確調節(jié)，操作靈活方便，可明顯提高調試工作效率。

經(jīng)過對比分析，方案三無論從設計合理性、操作便捷性以及對操作者技能水平要求等方面均優(yōu)于其他方案。本文討論的僅僅是AC220 V 50 Hz電源系統(tǒng)設備的負載設計情況，其他電源如DC220 V、DC24 V、DC48 V、AC24 V、AC380 V 等均參照此方案設計，這里不再論述。

2 關鍵元器件選型

根據(jù)如圖3所示電氣原理，調試負載系統(tǒng)所用關鍵元器件主要有斷路器、電阻器、電壓表及電流表。

圖3 方案三電氣原理Fig.3 Electrical schematic diagram of scheme 3

由于調試負載系統(tǒng)功率較大，而且精度要求較高，因此選用高精度DR大功率繞線電阻作為各路輸出電源的主要消耗功率器件。為了使其不至于過熱、發(fā)紅，消除安全隱患，延長負載使用壽命，在選型時可考慮2 ～3倍的功率余量。同時為節(jié)約安裝空間，降低機柜結構的設計難度，可將同一支路的多個小功率電阻繞制在一只電阻支架上，實現(xiàn)一個電阻多個阻值的布局。

系統(tǒng)選用斷路器來實現(xiàn)對各分支電阻器的通斷控制，容量按照每一路負載容量的1.2～1.5倍進行選擇，能夠有效控制負載的通斷與過流、短路。通過上合印有不同電流值的斷路器進行負載電阻的切換和累加，以實現(xiàn)精確加載，如圖4所示。

圖4 單支輸出回路加載控制斷路器實物Fig.4 Real product picture of single output loop loaded with control breaker

系統(tǒng)選用0.5級精度的數(shù)顯儀表，方便調試人員觀察當前電源輸出回路的電壓值和電流值，判定加載操作的正確性，提高系統(tǒng)調試工作的質量和效率。

3 結構及布局設計

由圖3電氣原理可見，調試負載系統(tǒng)的每一個分支電路，都是由負載電阻、斷路器、指示燈、數(shù)顯儀表、接線端子組成的。由于負載電阻在運行時會大量發(fā)熱，影響調試區(qū)域整體工作環(huán)境，因此在考慮結構設計方案時將電路拆分成兩個部分，繞線電阻單獨集中安裝在電阻柜內(nèi)，其他器件安裝在控制柜內(nèi)。所有控制柜安裝在系統(tǒng)調試區(qū)，電阻柜安裝在與控制柜一墻之隔的易于散熱的負載區(qū)，內(nèi)外兩種機柜分別一一對應，通過兩柜間接線端子連線連通電路，實現(xiàn)調試加載功能。效果如圖5所示。

圖5 調試負載系統(tǒng)結構及布局效果Fig.5 Effect diagram of structure and layout of commissioning load system

4 結論

建立鐵路信號智能電源系統(tǒng)綜合測試安全平臺，是行業(yè)規(guī)劃發(fā)展的需要，是提高電源系統(tǒng)設備實物質量的關鍵所在。本文所論述的鐵路信號電源調試負載系統(tǒng)是該平臺的一個重要組成部分，對保證電源系統(tǒng)設備交付后的可靠運行起到了舉足輕重的作用。通過斷路器的開合直接控制負載電流的大小，摒棄微調滑動變阻器易壞又不準確的缺點，使電源調試負載高效而準確地實現(xiàn)連續(xù)可調，適用性廣、準確性高，大幅縮短交貨周期，贏得市場。