一、前言
　　
　　孝柳线吕梁地区通往其他省内、外的货物运输的主要通道,是吕梁地区经济发展的铁路运输命脉。沿线车站及信号供电方式,详见图1所示。为了提高孝柳线供电的可靠性,经设计论证,提出了三个解决方案。
　　
　　二、新建自闭电力线路;连通现有贯通电力线路方案
　　
　　新建孝西至穆村自闭电力线路,作为孝西至穆村间13个车站的信号一路电源,将目前所使用的部分贯通线路作为孝西至穆村间13个车站的信号二路电源。
　　
　　根据《TB10008-99铁路电力设计规范》自闭电力线路和贯通电力线路供电的10kV配电所之间的距离一般为40-60km的规定,考虑地方电源的情况,可在孝西、中阳、穆村分别新建自闭、贯通配电室,新建孝西至穆村自闭电力线路115km,各站新建信号专用变压器台共13座。供电方式为孝西与中阳互为备用，中阳与穆村互为备用。原有贯通线引入新建配电室，接通离石庄至柳林贯通线路计18km，如图2所示。图中实线部分为现有贯通线，虚线部分为需要新建的配电室及自闭线路、贯通线路。此方案经过设计计算需要投资2968.3万元。
　　
　　三、新建中阳、穆村配电室;连通离石到柳林站的贯通线路方案
　　
　　为解决目前三角庄至离石单方向供电问题和王家会、柳林、穆村单电源供电问题,利用现有的部分电力贯通线路和太原铁路局孝西配电室,增设中阳和穆村两个配电室。如图3所示,图中实线部分为现有贯通线和配电室,虚线部分为需要新建的配电室及贯通线路。提高太原供电段孝西配电室的供电能力。供电方式为:中阳配电室与孝西配电室形成互供条件,中阳配电室与穆村配电室形成互供条件,连通离石到柳林的贯通线路,全长18km。此方案经过设计计算需要投资1204.9万元。
　　
　　四、UPS电源变换装置方案
　　
　　1）保持现有的各车站供电方式不变,利用电气化铁路接触网电源,在每一个车站增设UPS电源装置一套,作为信号系统的第二路电源如图4所示。此方案经设计计算每站按20kVA容量考虑每处投资需要42.5万元,全线13个站共需投资587.6万元。
　　
　　图中Ⅰ路电源从10kV电力线路上接引,经降压变压器,将10kV电源降为三相四线380V电源并引入信号机械室,Ⅱ路电源从车站接触网上接引,经降压变压器将27.5kV电源降为单相220V电源经UPS转换将单相220V电源转换成三相四线380V电源接入信号机械室。
　　
　　Ⅰ、Ⅱ路电源接入信号机械室后经交流接触器进行Ⅰ、Ⅱ路电源转换;两路电源转换时间应满足,铁路信号设计规范中关于两路电源转换时间不应大于0.15s的时间。经过对车站信号机械室两路电源切换时间进行的测试,两路电源的转换时间为15ms。因此,两路电源转换时间完全满足信号系统的技术要求。
　　
　　2）先期使用的UPS电源为工频UPS电源,其工作原理是从各车站的接触网上接引的27.5kV电源经降压变压器把27.5kV降为单相220V后,将单相220V引入到交流—直流转换电源装置机柜中。在交-直变换过程中:线性和非线性滤波器净化输入电源,滤掉谐波和瞬间尖峰脉冲等,同时也起到双向抗干扰作用。电源经过整流和LC滤波后,得到不稳定的直流屏直流电压。直流屏直流电压通过PMW直流控制器调整稳定和C型滤波继续滤除纹波,得到稳定的交流屏直流电压,采用SPWM三相逆变器,把直流电压变换成三相SPWM调制波,再通过LC正弦化处理电路和三相四线制输出隔离变压器变换成高品质的单相220V和三相380V工频正弦波交流电,向信号设备供电。
　　
　　五、方案比较
　　
　　第一方案:新建孝西、中阳和穆村配电室,增设信号专用自闭电力线路做为孝柳线13个车站的信号的一路电源,原有贯通电源作为沿线各站的生产、信号、红外线的第二电源。供电可靠性强但投资较大,为2968.3万元。
　　
　　第二方案:新建中阳和穆村配电室,提高太原铁路局孝西现有配电室的供电能力,将离石与柳林的电力线路连通,形成孝西至中阳互供、穆村与中阳互供,可以解决线路故障时的开天窗问题,但电源停电时或线路发生大面积故障时,还是不能完全保证正常供电的问题,投资在1204.9万元。
　　
　　第三方案:在保持现有各车站的供电方式不变的基础上,利用孝柳线电气化铁路的优势,在各站分别从接触网上接一路27.5kV电源经过降压变压器,将电压降为220V引进UPS电源变换装置,将单相220V电源转换成三相四线380V电源向信号设备供电,当10kV电源停电时由UPS电源变换装置供电,此方案投资规模为587.6万元。
　　
　　从以上方案可以看出第一方案供电可靠性强,但投资很大,第二方案,投资较大但供电可靠性较低。第三方案投资较小,供电较为可靠。
　　
　　六、第三方案实施效果
　　
　　根据技术方案分别在孝柳线枝柯车站,柳沟车站,中阳车站分别安装了20kVA的工频UPS电源变换装置,经过运行,效果较好。
　　
　　下面以中阳车站交直交电源为例,对各种测试参数分析如下:
　　
　　1）输入电压、输出电压各次谐波分析见图5。从图中可以看出,输入电压的谐波含量主要是奇次谐波,分别为3次、5次、7次、21次。超过国家GB/T14595-93《电能质量公用电网谐波》的国家标准中380V奇次谐波4%的规定。输入电压的偶次谐波较低,没有超过2%的国家标准。经过UPS电源转换设备后输出的A相B相C相电压奇、偶次谐波都低于1%,符合国家标准。
　　
　　2）输入电压、输出电压的波形图,如图6所示。
　　
　　从图上看,输入电压的波形畸变的很严重,而经过UPS电源设备转换后三相电压的波形图很平滑。
　　
　　3）输入电压、输出电压的电压值、谐波总畸变率、正序电压、负序电压及输出三相电压相角如下表所示:
　　
　　从表中可以看出,输入电压的谐波总畸变率为12.88%,超过国家GB/T14595-93[电能质量公用电网谐波]标准0.38kV不大于5%的规定。输出的A相、B相、C相电压谐波总畸变率均不超过5%。从输出的A、B、C相电压的初相角来看,A相0.2°、B相123.8°、C相243.0°,基本上是对称相差120°。符合GB/7260-1987[不间断电源设备]相位角偏差不大于3度要求。负序分量对正序分量之比不超过5%的规定。
　　
　　七、运行中存在的问题及解决的方法
　　
　　1）工频UPS电源在投运时,发现交流输出的电压不稳定,波动较大。经测试发现,交流输入及整流后的直流电压波动也比较大,电压不能稳定在一个值上。经分析认为,接触网的电压由于负荷变化、列车启动等原因瞬间波动较大,这就造成输入电源电压、整流后的直流电压及交流输出电压波动变化。电源设备在设计时,在整流器的触发控制电路中设置了电压反馈环节,它是将取得的整流后的电压变化的信号送到触发控制电路中的脉冲移相环节,控制脉冲的相移来自动调节整流器输出电压,以保持整流器输出直流电压的稳定。反馈速度的快慢决定了脉冲移相的快慢,根据接触网的这种电压波动变化比较快的情况,在现场对反馈程序进行修改加快了调整的速度,从而解决了整流后直流电压不稳定的问题。直流电压稳定了,输出交流电压也就稳定了。
　　
　　在使用后发现的另一个问题是交流电压输出电压波动较大,由于电压波动较大造成监控计算机显示屏黑屏。对这个问题经现场检查发现主要是在贯通电源停电后车站只有UPS电源供电,车站人员为了工作方便将一些非信号用电负荷都接到UPS电源上,这样就造成了UPS电源严重过负荷,如在中阳站发现贯通电源停电后UPS电源电流在30A～50A间波动,由于交直交电源容量较小,如果严重过负荷就会造成电压大幅度降低,造成显示屏黑屏,严重时会造成信号继电器不能吸起。车站人员将非信号负荷撤出后电压恢复正常。
　　
　　2）高频模块化UPS运行中存在的问题
　　
　　孝柳线车站信号电源后期投入运行的工频UPS电源改为了高频模块化UPS电源,这种高频模块化UPS电源的优点是功率模块可以N加1个备用。在开通的初期,由于对高频模块化电源抗谐波的认识不足,高频模块化UPS电源无法正常投入运行,经过现场分析试验在220V电源输入端加装了滤波器,解决了这个问题。
　　
　　通过对以上问题的分析和处理,笔者建议设备制造商在针对接引电气化铁路接触网电源的工频UPS电源设备在电压反馈设计环节应多考虑电压波动瞬间变化较快的问题,以满足输出电压的稳定;二是设备管理部门要加强对车站使用人员的宣传工作,非信号负载禁止从UPS电源上接引,保证信号设备的用电安全;三是设计部门要充分考虑车站用电的情况,在条件允许的情况下可加大UPS电源的容量来满足生产需要。四是使用模块化高频UPS时输入电源前一定要力加装与功率模块参数相匹配的电源虑波器。
　　
　　从接触网接取27.5kV电源,用作向车站信号设备供电的备用电源,尤其在外部电源困难的地区是解决铁路电力供电的有效途径,国外已有采用,我国铁路系统在这方面已进行了多年的探索。现代电力电子技术进步形成的UPS电源变换装置性能提高,使得UPS电源变换装置在单/三相变换、电压稳定程度、谐波抑制方面可以满足铁路运行条件要求,同时价格在各种方案中具有明显优势。孝柳线三个车站使用接触网电源向信号系统供电的实践,就是技术进步与我国铁路系统在这方面实践经验相结合的产物。
　　
　　参考文献
　　
　　[1]铁道部专业设计院主编铁路工程设计技术手册(电力)中国铁道出版社1991
　　
　　[2]铁道部专业设计院主编TB10008-99铁路电力设计规范中国铁道出版社出版1999
　　
　　[3]张丕林,何蕴香静止型不间断电源装置的应用与维护中国电力出版社1996
　　
　　[4]柳春生现代供配电系统实用与新技术问答机械工业出版社2008
　　
　　[5]徐海明刘璐沈琼编现代电源应用技术手册中国电力出版社2007
　　
　　作者简介
　　
　　祖秉妊,石家庄开发区新导配电自动化有限公司工程师,研究方向:电子电气。
　　
　　王伟华,石家庄开发区新导配电自动化有限公司工程师,研究方向:铁道供电。
　　
　　王兰和,中国铁路北京局集团公司石家庄供电段高级工程师,研究方向:铁道供电
　　
　　编辑：Harris