一种铁路信号电源系统设备调试负载的设计

刘吉业

（天津铁路信号有限责任公司，天津 300300）

随着国内铁路建设的迅速发展，铁路信号电源系统设备（以下简称电源系统设备）的市场需求量也在逐年攀升，为了确保电源系统设备的制造质量稳定可靠，急需建立适用于目前铁路站场电源系统设备生产调试的综合测试安全平台（简称测试平台）。测试平台主要包括电源输入综合测试系统、信号集中监测系统、调试负载系统和老化负载系统4个部分。其中调试负载系统是测试平台的核心，要求能够为整套电源系统设备的各路输出电源同时施加精确负载进行调试，以确保电源系统设备的基本功能及各项指标均满足设计要求。本文将结合欧姆定律和串并联电路原理，以AC220 V 50 Hz输出电源为例，论述测试平台调试负载系统的设计思路。

1 设计方案

为使测试平台测试的输出电源制式种类更全面，将铁道行业标准《铁路信号电源系统设备》（TB/T 1528 -2018）中的输出电源种类进行分析和归纳，再结合近几年电源系统设备设计的技术条件，整理了常规制式电源系统设备所有额定容量、输出电源种类、额定输出电压及电流值统计表。为便于分析，本文只摘录了其中额定输出电压为AC220 V 50 Hz的部分，如表1所示，并以此为例展开设计方案论述。

表1 电源系统设备额定容量、输出电源种类、额定输出电压及电流值统计Tab.1 Statistics table of rated capacity, output power type, rated output voltage and current of power supply system equipments

将表1中各列不同容量电源系统设备的输出电源路数进行比较，筛选出30 kVA电源系统设备的输出电源数量最多，可达16路，因此需要设计的负载系统至少应满足16路电源同时加载调试。如果再预留2路备用，则需要设计18路负载。表1中所有负载电流（满载）种类有 ：1 A、2 A、2.5 A、4 A、5 A、6.3 A、10 A、12.5 A、16 A。 此 外，《 铁 路信号电源系统设备 第1部分：通用要求》（TB/T 1528.1-2018）中5.6.5.1规定：“当输入电压在规定的范围内，电源系统设备各输出回路负载在额定值的30%～100%范围变化时，输出电压允许波动应维持在AC220 V±10 V范围内”，因此还应考虑30%负载情况，其对应的负载电流值如表2所示。

从表2中可以看出，共有18个不同的负载电流值，这些电流值在调试过程中均有可能会出现。为了使调试负载通用性更强，考虑将上文中提到的18路负载，按照每一路都能满足这18种负载电流的方案进行设计。为此，以其中的1路负载为例，设计了3种方案进行优选。

表2 AC220 V电源额定输出电流种类统计Tab.2 Statistics table of rated output current types of AC220 V power supply

方案一：把标配输出额定电流分成30%和70%两个部分进行设计。

额定电流值主要是以表1中继电联锁30 kVA和计算机联锁30 kVA电源种类为基础，相应增加部分电流值，可以设置为5 A负载8路、4 A负载 6路、6.3 A 负 载 1路、2 A 负 载 1路、10 A负载2路，共18路。 每路分成30%负载和70%负载两部分，电气原理如图1所示。只闭合断路器QF1即可满足30%负载要求；同时闭合断路器QF1和QF2即可满足满载要求，还可以利用滑动变阻器Rt进行微调。

图1 方案一电气原理Fig.1 Electrical schematic diagram of scheme 1

其中 16 A 负载可以用 10 A、4 A 和 2 A 负载在接线端子上进行并联拼凑；2.5 A可以用两个5 A负载在接线端子上进行串联拼凑。

该方案原理较为简单，只要选择合适的电阻通过串并联即可实现功能。但如果标识不清，操作过程中容易造成混乱，也会给调试加载带来隐患。

方案二：设置常用标准负载若干，应用临时跨接线搭建串并联电路，凑出需要的负载值。

用一排5 A电阻、一排4 A电阻、一排用于微调的电阻、一排断路器，全部连接到塞孔端子上，利用带插塞的导线在端子上临时跨接连通电路。为便于分析，只选取该电气原理图的一部分进行论述。当需要为AC220 V电源提供12.5 A负载时，可按照如图2所示电路接配线。以此类推，通过改变临时跨接线的连线方式，可得到表2中其他电流值负载。

图2 方案二电气原理Fig.2 Electrical schematic diagram of scheme 2

该方案较为复杂，对操作者的技能水平要求较高，需备有大量临时跨接线，接线效率较低而且很容易接错。

方案三：采用阻值利用率高的电阻通过断路器控制进行并联组合的方式。

利用自然数1～9任意组合相加，每个数字只用一次，拼凑从1～12的所有数字，发现只要有1、2、4、5就可以全部拼凑完成，如表3所示。因此，可以选用这4个电流值所对应的电阻进行有效并联，实现表2中10 A以内的所有整数电流值。

表3 利用自然数1、2、4、5拼凑的12以内数字Tab.3 Numbers up to 12 pieced together with natural numbers 1, 2, 4 and 5

以此类推，可以用0.1、0.2、0.4、0.5拼凑出从0.1～1.2之间的十分位小数，以满足30%负载小数以及整路负载微调的需求。

综上，18路负载中有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 负 载通过断路器控制进行选择性并联，实现负载值从0.1～13.2 A的连续可调，电气原理如图3所示。为了满足16 A负载的需要，其他3路在此基础上再增加一只10 A负载，因此10 A额定负载也不再需要拼凑。通过控制断路器开合状态可以方便地实现负载的接入与断开，从而实现负载电流值的精确调节，操作灵活方便，可明显提高调试工作效率。

经过对比分析，方案三无论从设计合理性、操作便捷性以及对操作者技能水平要求等方面均优于其他方案。本文讨论的仅仅是AC220 V 50 Hz电源系统设备的负载设计情况，其他电源如DC220 V、DC24 V、DC48 V、AC24 V、AC380 V 等均参照此方案设计，这里不再论述。

2 关键元器件选型

根据如图3所示电气原理，调试负载系统所用关键元器件主要有断路器、电阻器、电压表及电流表。

图3 方案三电气原理Fig.3 Electrical schematic diagram of scheme 3

由于调试负载系统功率较大，而且精度要求较高，因此选用高精度DR大功率绕线电阻作为各路输出电源的主要消耗功率器件。为了使其不至于过热、发红，消除安全隐患，延长负载使用寿命，在选型时可考虑2 ～3倍的功率余量。同时为节约安装空间，降低机柜结构的设计难度，可将同一支路的多个小功率电阻绕制在一只电阻支架上，实现一个电阻多个阻值的布局。

系统选用断路器来实现对各分支电阻器的通断控制，容量按照每一路负载容量的1.2～1.5倍进行选择，能够有效控制负载的通断与过流、短路。通过上合印有不同电流值的断路器进行负载电阻的切换和累加，以实现精确加载，如图4所示。

图4 单支输出回路加载控制断路器实物Fig.4 Real product picture of single output loop loaded with control breaker

系统选用0.5级精度的数显仪表，方便调试人员观察当前电源输出回路的电压值和电流值，判定加载操作的正确性，提高系统调试工作的质量和效率。

3 结构及布局设计

由图3电气原理可见，调试负载系统的每一个分支电路，都是由负载电阻、断路器、指示灯、数显仪表、接线端子组成的。由于负载电阻在运行时会大量发热，影响调试区域整体工作环境，因此在考虑结构设计方案时将电路拆分成两个部分，绕线电阻单独集中安装在电阻柜内，其他器件安装在控制柜内。所有控制柜安装在系统调试区，电阻柜安装在与控制柜一墙之隔的易于散热的负载区，内外两种机柜分别一一对应，通过两柜间接线端子连线连通电路，实现调试加载功能。效果如图5所示。

图5 调试负载系统结构及布局效果Fig.5 Effect diagram of structure and layout of commissioning load system

4 结论

建立铁路信号智能电源系统综合测试安全平台，是行业规划发展的需要，是提高电源系统设备实物质量的关键所在。本文所论述的铁路信号电源调试负载系统是该平台的一个重要组成部分，对保证电源系统设备交付后的可靠运行起到了举足轻重的作用。通过断路器的开合直接控制负载电流的大小，摒弃微调滑动变阻器易坏又不准确的缺点，使电源调试负载高效而准确地实现连续可调，适用性广、准确性高，大幅缩短交货周期，赢得市场。