铁路接触网作业车车载音像监控系统电源柜的研制

王荣新

(中国铁路昆明局集团有限公司玉溪供电段,昆明 650100)

0 引 言

铁路接触网作业车(以下简称车辆)是铁路机车供电设备即接触网设备检修的专用工程车辆[1],同铁路机车一样在铁路轨道线路上运行,运送铁路供电设备管理单位专业检修人员(即接触网工)和检修料具,为接触网工进行电气化铁路轨道线路上方接触设备检修提供适于高空作业的工作平台,随车配置交流发电机组为作业现场使用电动工具、接触网工车内休息提供交流电源。为保证铁路行车安全受控和顺利进行铁路运输行车组织,车辆同铁路机车一样安装有行车安全控制设备GYK和无线通信设备CIR,行车安全控制设备GYK、无线通信设备CIR状态良好是车辆上线运行的前提条件,状态不良车辆严禁上线运行[2-4]。

现有车辆车载系统主机与行车安全控制设备GYK、无线通信设备CIR统一布置在1个柜体内,共同使用车辆电源,摄像通道电源、录音通道电源、显示通道电源、主机电源均由1个电源开关统一集中控制[5],存在以下问题。

1)铁路接触网作业以液力传动车辆为主[6],发动机不起动的情况下长时间开启系统,极易造成车辆发动机的启动电源蓄电池亏电,导致车辆不能启动;运行、作业过程中经过道岔、紧急制动操作等引起车辆颠簸、震动,引起系统任一个通道的电源发生故障,都会造成行车安全控制设备GYK、无线通信设备CIR供电故障,影响车辆正常使用[7]。

2)不能按运用场景对系统各通道进行选择使用,比如车辆在作业前从驻地车站开往待作业车站过程中不需要开启平台摄像通道,但系统开机后全部通道就处于开启状态,不能单独关闭平台摄像通道,该通道长期开启造成故障率大幅增加。

3)现用系统的主机主要使用2个厂家(品牌)的定型产品,摄像通道、录音通道、显示通道使用的产品较多,系统使用的部件涉及多个厂家(品牌), 系统部件的电源有DC 24 V、DC 12 V两种规格。部件发生故障或后期需要进行系统升级时,只能使用原厂家(品牌)的产品,不方便故障处理,不利于后期进行其他厂家(品牌)系统的升级和改进。

4)系统与行车安全控制设备GYK、无线通信设备CIR等安装在同一个柜体内,空间狭窄,不方便操作、维护。

1 系统电路原理

为解决以上问题,研制独立的车辆车载系统电源柜,实现的功能:隔离系统电路与车辆电路,消除系统故障对车辆正常行车的影响;通过车辆发动机、车载发电机组两路电源的合理利用,完善外接民用交流电源取电电路,提高系统电源可靠性;通过完善供电、配电系统进行主机、各通道电源独立供电控制,实现各通道可以选择性地使用,满足各种实际运用场景需要;可调整机柜空间,具备DC 24 V、DC 12 V两种电源规格,满足系统维护、升级可以使用不同厂家(品牌)产品的需要。

车辆车载系统电路原理如图1所示，系统电路由蓄电池1、车辆发动机自带发电机2、车载柴油发电机组3、外接交流电路4、电源柜开关5、DC 24 V/DC 12 V电源转换模块6、开关组7、主机8、Ⅰ端摄像机9、Ⅰ端显示屏10、Ⅰ端拾音器11、Ⅱ端拾音器12、Ⅱ端摄像机13、Ⅱ端显示屏14、前方摄像机15、后方摄像机16、作业平台摄像机17组成。

系统的设备电源可以使用DC 12 V,也可以使用DC 24 V,使用DC 12 V设备的配电原理如图2所示。

图2 铁路接触网作业车车载音像监控系统配电原理

2 电源柜电路原理

2.1 电路结构

电源柜电路包括如系统电路原理图1所示的蓄电池1、车辆发动机自带发电机充电电路2、车载柴油发电机组充电电路3、外接交流充电路4、DC 24 V/DC 12 V电源转换模块6、电源开关5和开关组7共6部分,各部分功能如下:

1)蓄电池1由2只12 V蓄电池串联成DC 24 V,为系统各设备提供DC 24 V电源,电量不足时可以进行充电。

2)车辆柴油发动机自带充电发电机充电电路2由既有充电发电机充电电路[7]和接触器组成,车辆电源向系统蓄电池充电,向系统各设备供电。

3)车载交流发电机组充电电路3由既有车载交流发电机组交流供电电路和充电模块组成,交流发电机组发出AC 200 V电源经充电模块转换为DC 24 V电源,向系统蓄电池充电,向系统各设备供电。

4)外接交流充电电路4由外接民用AC 220 V电源和充电模块组成,外接民用AC 200 V电源经充电模块转换为DC 24 V电源,向系统蓄电池充电,向系统各设备供电。

5)DC 24 V/DC 12 V电源转换模块6把系统蓄电池DC 24 V电源转换为DC 12 V,为系统的DC 12 V设备供电。

6)电源开关5和开关组7为小型断路器组,开启、关闭系统及系统各设备电源。

2.2 工作原理

如图2所示,电源柜电路工作原理简述如下:

1)系统自带独立蓄电池作为电源,车辆DC 24 V电源通过接触器、小型断路器与系统蓄电池连接。车辆电源故障时接触器控制端子无电,接触器自动切断车辆DC 24 V电源与系统蓄电池的连接;系统蓄电池故障时,司机断开与接触器连接的小型断路器,切断系统蓄电池与车辆DC 24 V电源的连接。在车辆DC 24 V电源电量不足、系统蓄电池故障等特殊情形下,通过接触器、小型断路器进行系统蓄电池与车辆DC 24 V电源隔离,实现车辆DC 24 V电源向行车安全控制设备GYK、无线通信设备CIR正常供电,保障车辆正常使用。

2)车辆DC 24 V电源由柴油发动机自带的发电机充电,车辆柴油发动机启动后,其自带发电机发电,发电机中性点N极向接触器线圈提供控制电压后接触器工作,发电机正极发出的电压经接触器向系统蓄电池充电,并为系统供电。如果发电机不发电,发电机中性点N极不能向接触器线圈提供控制电压,接触器不工作,系统电源不会反向为车辆供电,此时系统由自身蓄电池供电。由此保障只有在车辆电源处于充电的状态下,车辆电源才自动向系统蓄电池充电,如果车辆电源故障则自动断开车辆电源与系统蓄电池的连接。

3)车载交流发电机组与AC 220 V/DC 24 V充电模块组成系统蓄电池充电电路。启动车载交流发电机组,将系统AC 220 V插头插入既有车内侧墙上的AC 220 V插座,使用车载交流发电机组向系统蓄电池充电。

4)外接民用AC 220 V电源与AC 220 V/DC 24 V充电模块组成系统蓄电池充电电路。外接民用AC 220 V电源插座连接系统AC 220 V插头,使用外接民用AC 220 V电源向系统蓄电池充电。

5)DC 24 V/DC 12 V转换模块把系统电源DC 24 V转换为DC 12 V电源,满足电源DC 12 V的系统设备使用。通过不同的接线,实现DC 24 V、DC 12 V两种系统设备均可以使用。

6)系统所有设备均由小型断路器单独控制供电,在系统工作中,可按实际需要开启或关闭任一个摄像通道、显示屏、录音通道。

3 电源柜结构及应用

3.1 系统功率

当前在接触网作业车上广泛使用的系统有2个主流品牌,2个品牌的主要设备功率如表1所示。

表1 系统主要部件电源规格、功率

品牌1标配系统功率89 W,配大显示屏系统功率179 W;品牌2标配系统功率129 W,配大显示屏系统功率169 W。

系统总功率为系统主要设备功率、机柜附件(如散热风扇等)功率、电线路损耗功率之和,约为200 W,预留后期设备升级,按1.5倍的冗余即系统总功率为300 W。

3.2 电器选型

1)蓄电池:按车内实际空间选用6-QW-120铅酸蓄电池,单只电压DC 12 V、容量120 A·h,2只串联电压DC 24 V、容量240 A·h。

2)AC 220 V/DC 24 V充电模块:根据车载交流发电机组、外接交流电源长时间使用,以及小电流充电更安全的应用特点,选用额定输出DC 24 V、5 A左右的模块。

3)DC 24 V/DC 12 V电源转换模块:系统总电流25 A,选用额定输出DC 12 V、25 A左右的模块。

4)DC 24 V接触器:系统总电流25 A,选用控制电压DC 24 V、主触点电流25 A左右的接触器。

5)小型断路器:连接DC 24 V接触器、DC 24 V/DC 12 V转换模块的小型断路器,系统总电流25 A,按32 A选用;连接AC 220 V/DC 24 V充电模块、控制各通道的小型断路器,充电电流5 A,按6 A选用。

6)导线:连接DC 24 V接触器、DC 24 V/DC 12 V转换模块的导线,按系统总电流25 A选用,为6 mm2软导线;连接AC 220 V/DC 24 V充电模块、控制各通道的导线,按充电电流5 A选用,为2.5 mm2软导线。

电源柜选用的主要电器品牌及参数如表2所示,电源柜选用的主要电器实物如图3所示。

表2 电源柜主要电器品牌及参数

图3 电源柜主要电器

3.3 机柜选型

1)安装位置。机柜安装在车辆司机室内侧壁AC 220 V插座附近,便于取电。

2)尺寸。按机柜车内安装位置和选定蓄电池、主机、接触器、电源转换模块、充电模块、VGA分配器等电器品牌体积,确定尺寸范围。

3)结构。柜内有活动隔板分层,可按安装的电器尺寸调整高度;柜门采用钢化玻璃门,从外部可以观察柜内电器;柜内四周有线槽、导轨、端子排,便于安装供电配电线缆、小型断路器;柜门相对的后盖板采用栅格网,便于散热;上面板、两侧面板为可拆卸结构,便于维护。

从车辆内部总体布局,按上述三方面的要求,选择600 mm×600 mm×1 200 mm机柜。

3.4 电源柜组装

按优化机柜、机柜内布线、安装电器、电器接线、通电调试的顺序进行组装。

1)优化机柜。在机柜上面板、后板(即栅格网)上各安装1个散热风扇,进行柜内电器的通风散热;在机柜上面板开1个方形孔,加装数显电压表,用于指示蓄电池电压;在机柜上面板上安装系统电源开关(系统电源开关即图2与DC 24 V/DC 12 V电源转换模块连接的2个小型断路器),加装磁性防护罩,避免乘车人员误触碰系统开关。

2)机柜内布线。沿机柜内布四周线槽内加装6 mm2软导线、2.5 mm2软导线,在导轨上加装32 A、6 A小型断路器。

3)安装电器。调整机柜内隔板位置,机柜分隔成上、下两部分,下部安装蓄电池,主机、接触器、电源转换模块、充电模块、VGA分配器等固定在隔板上。

4)电器接线。对照图2配电原理图,各电器、小型断路器、端子排通过线缆进行连接。

5)通电调试。检查、核对电器接线与图2配电原理图正确无误后,通电检查各部端子接线有无松动情况,测量各通道小型断路器输出电压。调试正常后,对各小型断路器粘贴文字标识。

3.5 电源柜应用

1)开启系统电源开关后,按需要闭合所需要的通道开关,就可以使用对应通道。车辆发动机启机后,车辆自动向系统蓄电池充电,通过电源柜上面板上的数显电压表观察蓄电池电压,判断蓄电池存电情况。

2)车辆运行中系统故障时,通过断开车辆充电开关(与24 V接触器连接的小型断路器),隔离系统与车辆电路。

3)车辆在待作业的车站长时间停留,此时发动机停机,启动车载发电机组向系统供电。

4)车辆在驻地停留时,使用外接AC 220 V交流电源向系统供电。

4 结 语

该电源柜结合铁路接触网作业车使用特点,解决了现有铁路接触网作业车车载音像系统自用电源与车辆电源互相影响、自用电源电量不足难以及时充电、使用中音像设备后期升级电源不匹配等实际问题,研制后经现场使用效果良好。随着铁路安全管理“人防、物防、技防” 三防安全管理理念的贯彻实施,以及铁路接触网设备规程修制改革现代化装备的推进,用于强化铁路供电设备检修现场管理、提升检修质量的车载“技防”设备将越来越多[8]。该电源柜原理简单,安装方便,对于接触网作业车专业技术人员有借鉴作用。