关于铁路通信电源系统配置选型的研究

刘海建

*铁道第三勘察设计院集团有限公司 助理工程师，300251 天津

为保证铁路通信系统正常工作，一个安全、高效、可靠的通信电源系统是必不可少的。一旦通信电源发生故障，将对通信系统产生较大影响，甚至会造成通信中断，更严重的将导致铁路行车事故，威胁人身安全。因此，铁路通信系统的外供电源必须十分可靠、安全。在外供电源停电时，应使用备用蓄电池为通信系统暂时供电。

铁路通信电源系统是独立的供电系统，由交流供电系统和直流供电系统构成。其中，交流供电系统由电源输入输出线缆、不间断电源UPS及其后备电池组等构成;直流供电系统由电源输入输出线缆、高频开关电源及其后备蓄电池组等构成。

为使铁路通信系统正常工作，在铁路设计中，应确保铁路通信电源系统的先进性、可靠性和可扩展性，必须科学配置通信电源系统的设备容量和合理选择通信电源系统的输入输出线缆。

1 直流电源设备容量配置分析

通信直流电源设备主要由高频开关电源及其后备电池组构成，配置通信直流电源设备，也就是对高频开关电源及其后备电池组进行配置。高频开关电源及其后备电池组容量配置方法依据以下几点。

1．蓄电池组一般配置1或2组。

2．整流器备份一般采用N+1备份方式。

3．充电系数α，一般选择0.1～0.15;如果停电频度较高且持续时间较长，电池的充电系数可以选择0.15～0.2;对于电网较好的通信站或车站，可以选择0.1。

4．扩容考虑，如果通信站或车站近期负荷小、终期负荷大，为了减小近期投资额，可以按照近期负荷容量进行设计。

与直流电源容量相关的因素主要有负载设备的总功率、电池均充电流和未来扩容情况等。根据负载设备的总功率WL和负载设备工作电压VL(一般通信设备的直流基础工作电压为48V)，利用公式(1)可以求得设备负载工作电流IL

根据规范，客运专线设计中通信站及车站的直流电源后备电池组为2组，备用时间为1h;区间点的直流电源后备电池组为2组，备用时间为3h。后备电池组的容量C(Ah)为

其中，IL为设备负载工作电流(A)，VL为负载设备工作电压(V)，T为设计备用时间(h)，μ为温度系数(一般取值为0.006～0.01)，K为蓄电池放电效率。当放电时间为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。

已知蓄电池组容量C和充电系数α，可得电池均充电电流IC

电源输出总电流I为设备负载工作电流IL与电池均充电电流IC之和。

由于电源输出总电流是由N个整流模块并联输出得到，整流器采用N+1备份保护设计，可得整流模块数目

其中，IM为模块额定电流，CEIL()表示向上取整。

例如某个车站直流通信设备功率为3.3kW，并且市电情况较好，要求备用电池组供电时间为1h，利用公式(1)～(5)可以得:

通信设备工作电流IL:3300/48=69 A

备用电池组容量 C:69×1×1.25/0.55=157 Ah

根据实际电池规格，可选2组100Ah蓄电池，共200 Ah，电池均充电系数取0.1，则电池均充电电流为:200×0.1=20A

电源需输出的最大电流为:69+20=89A

根据整流模块的规格，可选额定电流为30A的整流模块，该种型号的整流模块数目为(89/30) +1=3.9，取整后为4。

所以，最终应该为该车站的通信系统配置为由4个额定电流为30A的整流模块构成的总输出电流为120A的直流电源系统，并选2组容量100 Ah的蓄电池构成后备电池组。对于一般情况，铁路通信直流电源设备容量配置分析见表1和表2。

2 交流电源设备容量配置分析

通信交流电源设备主要由不间断电源UPS及其后备电池组构成，配置通信交流电源设备，也就是对不间断电源UPS及其后备电池组进行配置。

首先，通过交流通信设备的总功耗WH可得不间断电源UPS输出视在功率W0为:其中，PF为负载输入功率因数，一般取0.8。

表1 铁路通信直流电源分析——负荷 W

表2 铁路通信直流电源分析——系统容量

对于不间断电源UPS，当输出视在功率W0为UPS的额定输出视在功率W的60%～80%时，UPS工作在最佳运行状态

根据规范，客运专线设计中通信站及车站的不间断电源UPS后备电池组为1组，备用时间为1h;区间点的不间断电源UPS后备电池组为1组，备用时间为3h。UPS蓄电池组的容量C(Ah)为

其中，PL为负载功率(W)，Vf为蓄电池额定电压(V) (Vf=n×V单体电池，n为电池数量，一般V单体电池=12V)，T为备用时间(h)，η为UPS电池逆变效率(一般取0.92)，K为蓄电池放电系数。当备电时间T=1～3h，K=0.6;当备电时间T=3～5 h，K=0.8;当备电时间T=5～10 h，K=0.85;当备电时间T ＞10h，K=1。

例如通信站交流设备的交流总功耗为14.6kW，负载输出功率因数为0.8时，不间断电源UPS的输出视在功率W0为14600/0.8=18250VA，UPS的额定视在功率W为18250/0.8=22813 VA，根据产品的型号类型，可以选择容量为30 kVA的UPS。

对于一般情况，铁路通信交流电源设备容量配置分析见表3和表4。

不间断电源UPS的容量为30kVA，利用公式(8)可得负载功率PL=30×1000×0.8×0.8，UPS电池组容量C:

C=(30×1000×0.8×0.8)×1/(360×0.92×0.6)=97(Ah)计算得UPS蓄电池组容量为97 Ah。选择由30只电池单体12V电池组成的容量为120 Ah的蓄电池组。

表3 铁路通信交流电源分析——负荷 VA

表4 铁路通信交流电源分析——系统容量(UPS输出/输入功率因数按0.8计算)

3 电源线缆选型

3.1 交流电源线缆

根据IEC60950-1999要求，连接到交流电网电源上的软线应符合表5。

3.2 直流电源线缆

对于直流电源线缆的选择需要考虑:电缆允许的通流量的大小;70 mm2以下的电缆按照4 A/mm2的通流量计算;90 mm2以上的电缆按照2.5 A/mm2的通流量计算;应选择铜芯电缆。

电池电缆和直流负载电缆的选择:在YD5040-1997/2005《通信电源设备安装设计规范》中，应考虑从电池组侧电池连接端子到用电负载侧输入端子压降不超过3.2V(一般不超过3V)，其中直流配电屏内压降不超过0.5 V。

电池电缆和直流负载电缆的截面积A(mm2)关系

其中，ΣI为流过导线的总电流(A)，L为导线回路长度(m)，△U为导线上允许压降，K为导线的导电系数(K铜=57，K铝=37)。

根据公式(9)，可对导线进行选型。例如，铜导线上总电流为200A，导线回路长度40 m或100 m，允许压降3V。当L为40 m时，A=200×40/57/3=46.8 mm2，即选择截面积不小于50 mm2的电源电缆。当L为100 m时，A=200×100/57/3=117 mm2，即选择截面积不小于120 mm2的电源线缆。

考虑到通信电源系统的供电方式不同，在对通信设备供电电源线缆的选型时，应该逐段进行分析计算，逐段确定电源线缆的型号。

表5 交流导线截面计算法汇总表

4 结束语

近年来，随着控制技术、电池技术和计算机技术的发展，铁路通信电源系统正呈现出用高频开关电源取代相控电源、用阀控式密封铅酸蓄电池组代替防酸式蓄电池、用计算机集中监控代替人工控制等特点。通过从体制、规范、维护、产品标准等多方面的研究实践，铁路通信电源系统不断引进新技术、新产品，为我国铁路通信系统的发展奠定了坚实的基础。

［1］YD5040－1997/2005.通信电源设备安装设计规范［S］．

［2］王海燕．大准铁路通信电源状况分析［J］．科技与经济．2006．

［3］伍素琦．通信电源［M］．北京:中国铁道出版社．