电气化铁路信号电源自动切换系统设计

陈 丹，周文卫，鲁小兵

0 引言

铁路信号电源屏为铁路信号设备提供电源服务，其供电电源质量和可靠性直接影响着信号设备能否正常运行[1]。铁路信号采用两路独立电源，一路主用、一路热备用的供电方式。当主用信号电源发生缺相、相偏或短路故障时，如果不能及时迅速的切换到备用信号电源，造成主用信号供电变压器缺相运行，此时线路上会出现有危害的负序分量；当变压器的中性点接地时，还会出现零序分量，这些都会对电务负荷电能质量造成一定的影响，导致电务信号设备不能正常运行[2]，影响行车效率，并可能引发安全事故。本文着重分析信号电源的缺相情况及信号电源自动切断系统构成和工作原理。

1 信号电源自动转换系统的研究现状

现有的信号电源转换装置一般是基于二次低压侧一相断线故障设计的，未考虑低压侧短路、高压侧断相、高压侧短路等情况。从掌握的情况分析，当主用信号供电变压器低压侧一相断线时，现有的车站信号电源转换装置能够自动转换到备用信号电源；而高压侧单相断线或短路故障时，转换装置不能判断发生故障，装置不动作，信号电源不能转换到备用信号电源，使得主用信号变压器处于非全相运行状态，导致电务信号供电系统产生严重的不对称运行。如果长期缺相运行,会造成故障相绝缘薄弱地方损坏，引发更严重的事故。

2 信号供电变压器缺相故障分析

铁路信号供电系统主要由地方变电站将三相110 kV高压变为10 kV中压（在铁路主变电所实现），输送到铁路配电所，铁路配电所通过“自闭、贯通”线路输送到各站场。各站场主要采用30 kV·A、50 kV·A 等不同容量的三相变压器，Y/yn-12接线方式，变压器高压侧电压为10 kV、中性点不接地，低压侧电压为380/220 V、中性点接地。

在铁路信号供电系统故障中，信号供电变压器高、低压侧都可能发生单相接地、单相断路、两相短路等故障，其中以高压侧单相断路故障最为频繁，对铁路信号的影响最严重。本文以Y/yn-12型变压器为例，运用 Matlab/Simulink对信号供电变压器非全相运行状态进行仿真，侧重分析高、低压侧缺相运行时其低压侧电压反应的不同情况。信号供电变压器仿真模型图略。

分别对高、低压侧的断相故障情况进行仿真，部分仿真波形如图1、图2所示。

图1 高压侧A相断线时Ua、Ub、Uc波形图

图2 低压侧a相断线时Ua、Ub、Uc波形图

由图1、图2可知，信号供电变压器高压侧一相断线时，低压侧故障相电压约为 11 V，非故障相电压降到190 V左右（线电压的一半）。变压器低压侧一相断线时，低压侧故障相电压约为0，非故障相电压正常为220 V。另外，当变压器高压侧或低压侧发生单相或两相短路故障，低压侧相对应的故障相电压明显降低，甚至为0；非故障相电压也会有相应的变化。

根据铁路信号供电的相关规定，铁路信号供电系统必须保证不间断给电务信号设备供电，必须不受外电网电压波动的影响，要求电务信号设备的输入电压波动范围不能超过10%。因此，结合以上对变压器故障情况的仿真分析，设定190 V为缺相故障时的阈值电压，即当检测到变压器低压侧的某一相或几相相电压低于190 V，可认为信号电源发生故障。

3 信号电源自动切断系统构成及工作原理

3.1 系统框架

根据以上对现有信号电源转换系统的分析，考虑在信号电源主回路中加装自动切断电路，当信号电源故障时将低压侧三相线路全部切断，则转换设备必定能可靠转换到备用电源。该自动切断系统主要由交流接触器及其线圈控制电路、电压采集变换电路、比较电路、继电器控制电路组成，其系统框架如图3所示。

图3 信号电源自动切断电路框架图

3.2 整体电路

信号电源自动切断系统的整体电路如图 4所示，图4中仅给出a相电压检测电路，b相、c相检测电路类似a相电路。

工作原理描述如下：将信号电源的相电压作为取样信号，同时取a、b、c三相相电压进行判断，以实现当信号电源有一相或者几相电压低于阈值电压时，比较器输出 V0为高电平，T1导通，继电器KA线圈得电使其常闭触点断开，接触器KM失电断开其触点，从而自动切断信号电源低压侧三相线路。同时当信号电源各相电压均恢复到正常时，自动恢复供电。

图4 信号电源自动切断系统整体电路图

3.3 各单元的组成及工作原理

（1）交流接触器及其线圈控制电路。该单元电路由FU、KM、KM-3、KA-1、SB1、SB2组成，如图4所示，其中熔断器FU起保护作用，KM-3为三相交流接触器的主触点，KM为接触器线圈，KA-1为继电器常闭触点，SB1、SB2用作手动闭合供电回路。当信号电源故障时，电压检查电路控制KA-1触点断开，KM线圈失电，KM-3触点断开，从而切断供电线路。

（2）电压采集变换电路。该单元电路由R1、R2、CHY-400V组成，见图4，单相交流电压隔离变送器CHY-400V[3]将a相220 V交流电变换成0～5 V标准直流电压信号，R1是变送器原边串接限流电阻，R2为变送器副边取样电阻。

（3）电压比较电路。该单元电路由R3、R4、R5、Rf、IC1组成，见图 4，其中 Rf是上拉电阻，R4、Rf用以设定阈值电压Vd。当IC1反向输入端输入的实际线路电压值V1＞Vd时，IC1输出V0为低电平，表示供电正常；反之 V0为高电平，表示有故障发生[4]。另外，非门、R6、LED为故障报警电路，R7和DZ为稳压限幅电路，Va为经过稳压之后的a相电平信号。

（4）继电器控制电路。该单元电路由逻辑或门、R8、VD1、VD2、T1及 KA 组成，见图 4，当Va、Vb、Vc任一为低电平时，T1截止，继电器KA线圈不得电，其常闭触点KA-1不动作，保持正常供电；当 Va、Vb、Vc任一为高电平时，T1导通，KA得电，KA-1断开，KM掉电，KM-3断开，从而切断电源主回路。VD1、VD2是为了当继电器KA动作瞬间所产生的反向电动势释放而设，起保护晶体管T1的作用。

4 结论

该系统在某铁路局电务段的实际试验效果良好，可以实现如下基本功能：当信号供电变压器发生缺相故障时，不论是高压侧还是低压侧故障，一旦检测到的电压低于所设定的阀值电压，即可控制接触器自动切断信号电源低压侧的三相线路，进而实现主、备用信号电源的自动转换。

[1]高静敏. 铁路信号电源屏的数据监测[J]. 希望月报，2007（9）.

[2]屈刚，李长凯，张强，等. Y/y0-12型配电变压器缺相运行分析[J]. 中国电力教育，2009（S1）.

[3]宇波模块产品手册.北京森社电子有限公司.

[4]农光平. 非接触式交流电流监控器新探[J]. 广西广播电视大学学报，2001，（4）.