摘要:高速铁路通信电源是构成各种通信手段必不可少的组成部分,是高速铁路通信设备正常运行的保障,对确保通信质量具有重要的影响,因为通信设备发生故障是局部的,而通信电源的故障,影响面会更大。文章论述了高速铁路通信电源的特点,高速铁路通信电源对电源系统的新要求。
关键词:高速铁路通信;通信电源;施工技术;蓄电池组
中图分类号:TN913文献标识码:A文章编号:1009-2374 (2010)16-0085-03
高速铁路通信电源系统的可靠性是影响整个通信系统可靠性的极重要的因素,因为电源系统的故障会从根本上导致整个通信系统的故障。电源系统可靠性指标过分降低,会影响整个系统的性能。因此铁路通信电源历来受到有关部门的重视,铁道部先后制定了有关通信电源的技术要求和相关设计规范,并加强了技术管理;系统和设备随着技术的进步不断完善和提高,本文将围绕铁路通信电源系统的特点及铁路通信电源施工技术、蓄电池组的特点阐述了以下看法:
一、高速铁路通信电源的特点
通信电源是高速铁路专网通信系统的重要组成部分,任何情况下都要保证正常供电。一般专网通信都配备了较先进的电力电源供电系统,包括开关整流设备,免维护蓄电池,应急油机等。这些设备维护的好坏不仅影响电源系统设备的寿命和故障率,而且直接涉及铁路专用通信的平稳运行。
高速铁路通信电源是独立的供电系统,由外供交流供电系统和直流供电系统构成。其外供交流电源由两部分组成:其一是从铁路地区变、配电所、铁路专用专盘专线电源、电力贯通线电源、自动闭塞电力线电源及地方电源接引的外供交流电源;其二是指自备发电电源。
在高速铁路沿线,每隔一般为40～60km设置的10kV配电所,用于为自动闭塞电力线路和电力贯通线供电。在高速铁路干线、运输较繁忙的支线无能建有电力贯通线路;在自动闭塞区段除建有电力贯通线外,还建有自动闭塞电力线路。自动闭塞电力线路是为铁路自动闭塞信号设备供电的专用电源,高速铁路中间站的通信设备也由此供电。
铁路专网通信电源除了要进行日常的维护和检修外,更要进行定期检查和定期集中检修。可以按月度,季度,年度进行集中,要形成制度化,设定检修项目,设计相应表格等。总之,只有重视电源系统的日常维护,才能使电源系统更稳定,可靠的运行,从而保障高速铁路专网的正常运行。
二、高速铁路通信电源对电源系统的新要求
(一)低压、大电流,多组供电电压需求
低压、大电流,多组供电电压需求,功率密度大幅度提升,供电方案和电源应用方案设计呈现出多样性。
(二)模块化:自由组合扩容互为备用
提高安全系数,模块化有两方面的含义,其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。实际上,由于频率的不断提高,致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重,对器件造成更大的应力(表现为过电压、过电流毛刺)。为了提高系统的可靠性,而把相关的部分做成模块。把开关器件的驱动、保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),这既缩小了整机的体积,又方便了整机设计和制造。
(三)能实现集中监控
现代高速铁路通信运维体制要求动力机房的维护工作通过远程监测与控制来完成。这就要求电源自身具有监控功能,并配有标准接通讯接口,以便与后台计算机或与远程维护中心通过传输网络进行通信,交换数据,实现集中监控。从而提高维护的及时性,减小维护工作量和人力投入,提高维护工作的效率。
(四)自动化、智能化
要求电源能进行电池自动管理,故障自动诊断,故障自动报警等,自备发电机应能自动开启和自动关闭。
(五)小型化
现在通信设备的日益集成化、小型化,这就要求电源设备也相应的小型化,作为后备电源的蓄电池也应向免维护、全密封、小型化方向发展。
(六)新的供电方式
相应于电源小型化,供电方式应尽可能实行各机房分散供电,设备特别集中时才采用电力室集中供电,大型的高层通信大楼可采用分层供电(即分层集中供电)。
三、高速铁路通信电源施工技术和方法
(一)电力贯通线路为沿线各车站与行车有关的小容量负荷的主供电源,是自动闭塞线路供电的备用电源
1.铁路通信网分枢纽及以上通信设备均被列为一级负
荷;分枢纽以下电源室和中间站通信机械室为二级负荷。一级负荷的供电标准是:从两个不同的变电所各引一路或从不同的母线段引出两路供电。因此分枢纽及以上通信设备是由两路可靠交流电源供电的;分枢纽以下由一路可靠交流电源供电,当其附近有第二路交流电源时,采用两路交流电源供电。
2.铁路通信自备发电电源一般采用油机发电机组,对满足日照要求或风速要求的地区,采用太阳能或风力发展电源作为备用电源也是一种可行的方案,但其一次性投资较高。自备交流发电机组,随着技术的进步,目前均采用具有自动投入,自动撤出,自动补给性能的设备,此外还必须具有标准化接口和通信协议,以完成其遥信、遥测和遥控功能,达到少人维护、无人值守的目的。
3.自备发电机组的设置是保证对通信设备不间断供电的唯一可靠措施,尤其是对灾害造成的故障,其中断时间很难确定。所以铁路通信站均要求配置自备发电机组;中间站通信机械室每2～4个站配置1台机动式发电机组,故障时,由通信工区携带至故障地点使用,以确保供电的可靠性,同地可减少蓄电池组的备用时间,从而降低蓄电池的容量。
4.自备交流发电机组的容量,按满足通信设备用交流功率、直流电源的浮充功率、蓄电池组的充电功率、通信站主机房内应提供保证的用电功率。保证照明一般接实际情况计算、无资料时,除主机房的照明予以保证外,其余房屋的照明功率可按其30%～50%估算。
5.电源系统的可靠性是由交流供电系统,直流供电系统的可靠性共同组成,研究资料表明,交流供电系统的可靠性占系统总可靠性指标的65%,因此,提高交流供电可靠性最为重要。
6.铁路通信电源的直流供电系统由整流设备、直流配电设备及蓄电池组组成。其供电方式采用直流集中供电连续浮充充制,将整流设备与蓄电池组不分昼夜地并取浮充供给通信设备直流电源,同时供给蓄电池组自放电的补充充电电流。采用这种供电制度、蓄电池组效率高,寿命长,可靠性强,是首选的供电方式。铁路直流供电基础电压定-48V。其他种类电压:如-12V,-6V,-24V等或交流220V,当其负荷量较小时,可通过变换器或逆变器获得,特大通信枢纽(一般可按交换系统容量大于5万门)采用分散供电方式,具有减小电源线压降,减少故障影响面等优噗,随着铁路通信网走向市场、大容量的通信枢纽会有所增加,分散供电方式会得到更多的采用。
7.采用高频开关技术的整流设备,具有体积小,重量轻,模块化结构,扩容方便,并且效率高、功率因数高,允许输入交流电压变动幅度大,稳压精度高、噪声低等优点,已经取代相控电源,在铁路通信电源系统业已得到广泛的应用。
阀控式密封蓄电池具有体积小,比能量大,污染少,使用维护简便,可卧置叠放,可与通信设备同置一室,节省工程投资等优点,已被定为应用于通信电源系统的首选电池。其中贫液式电池因其内阻小,产品一致性和均一性好,更具有优越性。
8.对蓄电池组采用低压恒压充电方式在国际、国内已得到普遍应用,其优点是可以延长蓄电池的使用寿命,提高供电质量,简化直电线路。铁道部业已推行低压恒压浮充制供电方式,其原理与维护基本上同“连续浮充制”。不同之处在于浮充电压从原来的(2.18±0.02)V,提高到2.3V,外供交流电源停电后,由蓄电池放电;交流恢复供电后,仍以每块蓄电池端电压2.3V进行“在线式”浮充,即带负荷充电。其优点是在保证蓄电池不亏电的情况下延长其使用寿命,并具有简化操作、便于维护、提高供电质量等优点。
9.实例:从A站至B站新设长途直埋式低频电缆HEYFL227×4×0.9一条,电缆线路径路在许多地段因地形原因与既有电缆同沟,穿越铁路、公路、渠涵和小桥时采用钢管防护;B站新设的14×4和7×4电缆在B站两端站外与既有长途电缆线路割接,在B站设充气机对干缆充气维护。新设站场通信线路可采用HQ21型或全塑市话电缆HYA型,敷设方式为直埋。站场通信设备,采用程控电话集中机(模拟机)及共电电话,构成以车站值班员为中心的站场集中电话系统,并通过调度电话与行车调度构成行车指挥系统。
(二)高速铁路通信用蓄电池作为高速铁路通信系统后备的能源供应手段,其材料、结构和技术上的先进性,在性能上具有传统VRLA电池无可比拟的优越性
1.钒电池(Vanadium Redox Battery)。钒电池(VRB)是一种电解值可以流动的电池,目前正在逐步进入商用化阶段。
2.燃料电池。燃料电池是一种化学电池,也是一种新型的发电装置,它所需的化学原料由外部供给,如氢氧燃料电池,只要外部供给氢和氧,经过内部电极、催化剂和碱性电解液的作用,就能产生0.9V电压的直流电能,同时产生大量的热能。
3.电源监控系统的发展。随着互联网技术应用日益普及和信息处理技术的不断发展,通信系统从以前的单机或小局域系统逐渐发展至大局域网系统或广域网系统。不过通信设施所处环境越来越复杂,人烟稀少、交通不便都会增大维护的难度,这对电源设备的监控管理提出了新的需求,保护通信互联网终端的电源设备必须具备数据处理和网络通信能力。
4.高速铁路通信电源的环保要求。一方面的指标是通信电源的电流谐波要符合要求,降低电源的输入谐波,不但可以改善电源对电网的负载特性,减少给电网带来严重污染的情况,还可减少对其他网络设备的谐波干扰。另一个重要方面是材料的可循环利用和环境的无污染,这方面需要产品满足WEEE/ROHS指令。
5.在高速铁路通信电源开发、生产早期,人们主要集中研究电源的输出特性,较少考虑到电源的输入特性。例如:传统的在线式电源输入AC/DC部分通常采用桥式整流滤波电路,其输入电流呈脉冲状,导通角约为π/3,波峰因数大于纯电阻负载的1.4倍。这些谐波电流大的电源给电网带来了严重的污染,使电网波形失真,实际负荷能力降低,对于三相四线制的电网来说,还很有可能因中性线电流过大而出现不安全隐患。
(三)蓄电池是保障高速铁路通信设备不间断供电的核心设备,高速铁路通信设备对供电质量的要求决定了对蓄电池设备的要求
1.使用寿命长:从投资经济性考虑,蓄电池的使用寿命必须与高速铁路通信设备的更新周期相匹配,即10年左右。蓄电池的使用寿命与蓄电池工作环境以及循环充放电的频次有关。充放电频率越高,蓄电池使用寿命越短。
2.安全性高:蓄电池电解质为硫酸溶液,具有强腐蚀性,另外,对于密封电池,蓄电池的电化学过程会产生气体,增加电池内部压力,压力超过一定限度时会造成电池爆裂,释放出有毒、腐蚀性气体、液体,因此蓄电池必须具备优秀的安全防爆性能。一般密闭电池都设有安全阀和防酸片,自动调节蓄电池内压,防酸片具有阻液和防爆功能。充满电的蓄电池如果放置没有使用,也会由于自放电而损失一部分容量。由于温度越高蓄电池自放电越大,长期保存时请尽量避免高温场所。
(四)高速铁路通信电源技术的发展趋势
(1)高效率,高功率密度,宽的使用环境温度;(2)网络化智能化的监控管理;(3)全数字化控制。安全、防护、良好EMC指标;(4)绿色环保。
总而言之,这几年,随着高速铁路通信行业的发展,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,是目前高速铁路通信电源的发展潮流,高速铁路通信电源系统从体制、规范、维护,产品标准等方面不断纳入新技术、新产品,为高速铁路通信奠定了基础。随着高速铁路通信管理体制的改革,铁通网络将成为面向路内、路外经营服务的通信网,将对铁路通信电源提出更高的要求,以满足高速铁路通信走向市场的需要。
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作者简介:邱庆伟 (1974-),男,广东大埔人,中铁建电气化局集团南方工程有限公司助理工程师。