基于分时复用原理解决道岔融雪系统补强后电力容量不足的难题

金鑫

摘要：本文提出了道岔融雪系统由于功率补强带来的各种问题，介绍了一种通过增加基于分时复用原理的功率分配模块，解决电力增容的难题的方案，并以18号单开道岔加热条配置方案为例，详细说明了功率分配模块的系统结构、工作原理、安装方案，安装前后输出功率对比。

关键词：电加热道岔融雪系统;隔离变压器;功率分配模块

1. 前言

电加热道岔融雪系统（以下简称融雪系统）多年来在现场应用效果良好。在现场实际应用中发现遇到特大暴雪时岔区密贴检查器、尖轨尾部顶铁、芯轨人字轨等无电加热元件部位易夹雪，造成道岔不能正常转换到位。通过对系统补强可解决上述问题，但随之带来了原有道岔融雪隔离变压器功率不足，电力容量不足需增容的难题，一方面造成大量工程投资;另一方面改造周期长，施工难度大。本文通过研究一种功率分配模块解决电力增容的难题，从而节约大量工程投资，缩短改造周期，大幅降低施工难度。

2.融雪系统工作原理

我国铁路道岔融雪大量应用电加热道岔融雪系统，系统由远程控制中心工作站、车站控制终端、控制柜、隔离变压器、电加热元件等组成。其中电加热元件安装于基本轨、牵引点底部、锁闭框等重要部位。融雪系统通过控制安装在道岔上的加热条工作状态，辐射、传导热量到道岔上，使道岔上的积雪、积冰融化达到除雪、除冰的目的，防止道岔不能正常转换到位。

3. 电加热元件的配置

3.1 电加热元件加热功率配置原则

不同的地域，不同类型的道岔所安装加热条的规格、型号、数量不同。道岔一般按道岔号码区分，例如：12 号单开道岔（内锁）、12 号单开道岔（外锁）、18 号单开道岔（普速）、18 号单开道岔（客专）等。地域一般分为：严寒地区、寒冷地区、其它地区等。

根据上述条件，不同类型的道岔所需求的加热功率不同，例如18号单开道岔（客专）在不同地域下的加热功率（加热功率是根据道岔所配置的电加热元件总功率计算得来的）可参考下表1。

3.2 电加热元件补强前、补强后的配置

以郑徐客专18号客专线（07）009道岔尖轨为例，电加热元件补强前主要加热基本轨、锁闭框等部位，具体配置如图1;补强后增加了密贴检查器、牵引点底部、尖轨尾部顶铁等位置，具体配置如图2。

3.3 补强前、后加热功率的计算及带来的难题

补强后，电加热元件覆盖了岔区全部动作位置，解决了大到暴雪时岔区密贴检查器、尖轨尾部顶铁、芯轨人字轨等无电加热元件部位易夹雪的问题。同时补强带来了加热功率的增加，如表2。造成原有隔离变压器功率不足，电力容量不足需增容的难题。如果更换对应隔离变压器、改造电力设备增加容量，一方面造成大量工程投资，另一方面改造周期长，施工难度大。

4. 电力增容解决方案

4.1 岔区加热工作原理分析

融雪系统电加热元件工作电源来自隔离变压器，隔离变压器次级采用双线圈，两个线圈之间隔离，其初级输入电源来自控制柜，电压为AC380V，次级输出电压为AC220V并接入电加热元件，安装过程中远轨与近轨处安装的加热条分别接入次级两个线圈，这样可以避免因加热条短路造成轨道电路短路，影响行车安全。

仔细分析，融雪系统的补强方案及其工作方式，可以发现融雪系统工作时采用周期性加热的方式，加热启动后岔区温度由设置的“开启加热温度”加热到“关闭加热温度”后关闭，如此周而复始，因此通过将单台隔离变压器内接入的电加热元件分时加热，延长加热时间，那么只需在隔离变压器内做相应更改，即可解决补强后原有隔离变压器功率不足和电力容量不足需增容的难题。从而节约大量工程投资，有效缩短改造周期，大幅降低施工难度。

4.2 基于分时复用原理功率分配模块的需求分析

针对上述分析，设计一种在隔离变压器二次线圈分时开关的功率分配模块，控制同一时间内所接通的电加热元件不超过隔离变压器的额定功率，即可实现隔离变压器输出功率的二次分配，设计时需要考虑的问题包括：

4.2.1 隔离变压器次级2个线圈同时间内所带负载要均衡，防止出现线圈间的不平衡问题。

4.2.2 要确保远轨与进轨所接电加热元件接入隔离的电路，避免造成轨道电路短路。

4.2.3 选用高可靠性的大功率开关元件，并做好散热。

4.2.4 选用高可靠性的控制MCU，模块整体做好三防处理。

4.3 大功率开关元件的选择

隔离变压器安装于道旁，使用环境较为恶劣，传统的带有机械触点的继电器、接触器等不能满足现场环境。因此固态继电器（SSD）是较为合适选择，原理如图3，其除具有与电磁继电器一样的功能外，还具有兼容逻辑电路，高寿命，高可靠，输入功率小，灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好等特点。由于没有机械零部件，无触点，因此能在高沖击，振动的环境下工作，安装简易，具有良好的防潮防霉防腐蚀性能等诸多优点。同时由于双向控硅的正向降压可达1～2V因此导通后的功耗和发热量也较大，安装时需做好散热。

4.4 功率分配模块的工作原理

4.4.1 MCU按固定时序，控制4个固态继电器，分时接通部分电加热元件，确保在固定时间段内隔离变压器带载功率不大于其额定功率，其原理图4。

4.4.2 隔离变压器增加功率分配模块后输出功率以郑徐客专18号客专线（07）009道岔尖轨7KB及9KB隔离变压器为例，如表3。

4.4.3 隔离变压器增加功率分配模块后其工作时序以郑徐客专18号客专线（07）009道岔尖轨7KB及9KB隔离变压器为例，如图5、图6。

5. 结束语

通过对融雪系统工作原理、电加热元件的配置的分析，通过研制一种新型的功率分配模块方案，解决了由于融雪系统补强造成的电力容量不足需增容的难题，通过实际应用，该方案在郑徐客专应用效果良好，节约大量工程投资，缩短改造周期，大幅降低施工难度。

参考文献：

[1]《客运专线铁路信号产品暂行技术条件汇编（一）》（科技运 [2008] 36号）.

[2]《哈大客专道岔融雪装置补强方案评审意见》（运电信号函 [2013] 313号）.

[3]《中国铁路总公司运输局关于京沪、京广高铁道岔融雪装置补强方案的通知》（运电信号电 [2016] 1763号）.