引言
高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统（简称防灾系统）为高铁安全运行提供可靠的灾害预警及报警信息，是高铁行车安全的重要保障系统，高铁通信专业负责防灾系统监控单元和网络设备的维护管理。本文就高铁防灾系统监控单元电源频繁发生故障，影响防灾设备正常运行的问题进行分析探讨，并提出了具体的优化方案，旨在降低防灾监控单元电源故障率，提高防灾设备供电可靠性、稳定性，确保行车安全。
1轨道交通运行原理
轨道交通主要经历了以下历程：蒸汽机车时代、内燃机车时代和电气化机车时代；1975年7月1日，中国第一条电气化铁路“宝-成铁路”正式通车开启了我国铁路的电气时代。相关规划要求2020年前我国铁路电气化程度需达到70%左右；因此，本文仅针对电气化铁路的运行原理进行详细叙述。电气机车供电方式以交流牵引供电系统为主流（国内地铁主要使用直流），主要由牵引变电所、接触网和回流系统组成。牵引变电所是轨道交通系统中接触网与电力机车的电能来源。接触网是指在供电系统中，供受电弓取流的高压输电线。目前铁路系统牵引电压制式主要为25kV单相交流电。在交流牵引运行方式下，机车由接触网获得电能，牵引电流通过行车轨道返回到牵引变电所。接触网承担着将牵引变电所中的电能传递至机车的任务，接触网的状态好坏直接影响列车的运行能力。接触网供电方式可分为单边供电方式与双边供电方式两种。单边供电的优点在于线路建设简单，每一馈电区的电流流向是固定的，便于监视与分析。双边供电，每一馈电区的供电臂可由两端变电所供电，是较为复杂的双向馈电回路，如图1所示，与单边供电相比，供电的可靠性提高，但线路建设复杂。我国电气化铁路一般采用双边供电方式。区别于柴油机车、燃气机车等传统机车，电力机车有着自己独有的特征。电力机车通常采用牵引电动机，但其本身不带有原动机。机车整体自重较轻，适用于运行速度较快的轨道交通系统，此外不会造成环境污染。电力机车的缺点在于其运行完全依赖于外部电网，因此当电网出现故障时，电力机车的运行会受到极大影响，可能引起交通瘫痪、触电事故等。目前，我国轨道交通机车绝大多数采用电力机车。
2高铁的不间断电源研究
2.1高频开关电源整流模块分担负荷改造
小组成员对基站设备用电情况进行了统计，对高频开关电源整流模块R48-1800A参数进行了汇总。3月20日，小组对高开电源的使用情况进行了调查研究，一个通信基站所需要的平均直流电流为9A，部分基站达到的最大直流电流为19A。假设一路电停电，即两块整流模块提供通信基站的所有直流供电功能，一块整流模块的平均电流为4.5A，最大电流为9.5A，远远小于整流模块（R48-1800A）额度输出的最大电流37.5A的标准。如果把4块整流模块分成两组，组成主备用模块，避开两路电自动转换装置，保证直流的正常输出，大大减小了转换装置故障对设备运行稳定的影响。
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2.2不间断电源系统
通过上一小节可以得到，导致高铁停运和断电的原因很多，也就是说高铁里的通风设备和空调不可能时刻保持供电。然而，高铁为了保证高速运行的安全性，采用流线型全封闭的车厢设计，车窗无法在不损坏的前提下打开；而在轨道上随意打开车门通风也会带来很多安全隐患。因此，高铁断电后车厢温度上升导致乘客砸窗通风的事件时常发生；乘客砸窗通风可能会造成人员受伤、铁轨受影响，还会对高铁的继续运行产生影响。因此，有必要设计一款适用于高铁的不间断电源。不间断电源（UPS）作为保证可靠持续供电的设备在银行、医院、机房等场所已得到广泛应用。现有不间断电源主要分为三类：（1）后备式：后备式UPS包括整流器（充电器）、蓄电池和逆变器，负荷分别与市电和UPS相连。市电正常时，负荷由市电供电，同时市电给UPS充电；市电消失，负荷切换至UPS供电。（2）在线式：在线式UPS的组成和后备式相同。区别在于，市电经UPS向负载供电；因此，当市电消失，无需多余检测电路和投入环节，UPS中的蓄电池将直接向负载供电。（3）互动式：互动式UPS在实现一般UPS功能的同时还能实现电能质量补偿的功能。通过分析，上述三种现有UPS均不适用于高铁的应用；下面，将结合高铁特点，提出适用于高铁的不间断电源。由于高铁的空调为直流负荷，因此与传统UPS不同，本文所提拓扑没有逆变环节。为避免其他设备故障导致UPS无法正常充电/取电，本文所提UPS直接与受电弓处相连；因此，充电器包含整流装置和直流斩波装置。考虑到实际用途且为达到减小电池容量的目的，该UPS开关采用人工控制，必要时列车员手动投入UPS；这样也能节省检测电路和投切设备的成本。
2.3高频开关电源改造试验
2017年4月23日，小组成员进行高频开关电源改造试验：①确定模块1-6和7-12位置均有相近数量的模块；因两路交流电一路优先，因此一般是交流电一路工作；断开CB2及CB2上级空气开关，断开Rect7-12模块输入空气开关（依据负载功率，可以是两只或三只甚至更多），接图8中黄线所示位置接线；接好线后继续保持Rect7-12空气开关断开（改线的几个都保持断开）；②送CB2上级交流电、维持CB2、Rect7-12空开断开状态：此时，不管ATS状态，只要交流2有电，负载就一直正常；③断开CB1及上级空气开关，接绿色线示意，接模块1-6电缆；④在部分接线完成，合CB1及上级空开，此时模块1-6工作将正常；⑤将CB2及上级空开断开，同理接Rect7-12模块空开至CB2下端子线，接好后送CB2及上级空开，模块7-12正常工作。
2.4标准化
把实施中发现的问题进行整理补缺，并对改造的方案、设计图纸归档。把高铁基站高频开关电源改造工艺纳入班组作业指导书，对下步电源设备维护提供了更加可靠的管理方案。本次改造增加了基站电源设计方案，为新线设计提供了可靠的技术支撑，同时该方案的工艺荣获“上海市职工合理化建议创新奖”，已经逐步在全局高普速线路中进行推广。
结语
本文研究了应用于高铁的不间断电源，能在高铁故障时仍保证车厢内通风和空调系统供电，保障乘客的安全和舒适。并通过PSCAD仿真软件进行了仿真验证。但由于蓄电池有一定的重量，会影响高铁的运行速度。本系统的应用受限于蓄电池的成本和重量，未来电池的成本和重量下降后有广泛的前景。
参考文献
[1]铁路通信维护规则（铁总运[2014]295号）.中国铁道出版社.
[2]北京世纪瑞尔技术股份有限公司系统集成部.防灾系统设备维护手册V1.5[Z].2011.
[3]铁道第三勘察设计院集团有限公司.铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程设计暂行规定（铁总建设86号）[M].北京:中国铁道出版社,2013.
[4]关于印发《铁路“十三五”发展规划》的通知[EB/OL].
论文作者:芮岳鸣
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第24期
论文发表时间:2019/11/26
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