鮑節(jié)爾

(中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段，上海 200434)

1 概述

伴隨我國鐵路的大規(guī)模建設，鐵路通信系統(tǒng)也得到迅猛發(fā)展，穩(wěn)定可靠的開關電源設備對于鐵路通信設備的正常運行越來越重要。開關電源設備主要由交流配電單元、整流單元、監(jiān)控單元、直流配電單元等部分組成，通過配置多個整流模塊和蓄電池實現(xiàn)冗余保護，通過配置ATSE完成兩路輸入交流電源的切換，切換后的一路交流電源為整流模塊供電。

本文通過分析研究目前開關電源設備存在兩路交流外電切換失效，導致通信設備失去供電宕機的案例，找出問題根本原因，提出合理有效的解決方案并實施，從而確保鐵路通信設備正常運轉。

2 既有開關電源現(xiàn)狀

目前上海通信段共有開關電源3 600余套，安裝在段管內的3 000余處通信機房中。除部分一、二類通信機房安裝兩套開關電源，實現(xiàn)兩套直流電源系統(tǒng)供電外，其余通信機房均安裝一套開關電源，單路直流電源系統(tǒng)供電。與兩路直流電源系統(tǒng)供電相比，單路直流電源系統(tǒng)供電對開關電源的要求更高，若開關電源及其蓄電池組不能正常工作，將直接影響通信設備供電。

3 存在的不足

考慮供電安全性，鐵路高頻開關電源，均要求引入兩路交流電源，在交流配電單元設置自動轉換開關（ATSE），經(jīng)切換后輸出交流電源至整流模塊或其他分路。整流模塊經(jīng)變壓、濾波等工序后輸出穩(wěn)定的-48 V直流電源供通信設備使用，如圖1所示。

從圖1中可以看出，ATSE是交流配電單元中的關鍵節(jié)點設備，其性能質量決定了交流配電單元乃至整個供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。如果ATSE故障，不能正常切換或切換不到位會造成無交流輸出的情況發(fā)生，必然由蓄電池向通信設備供電。此時，當因蓄電池劣化等原因造成蓄電池放電時間無法滿足搶修處置時間時，將面臨通信設備因無直流電而宕機的危險。

1）ATSE故障導致交流電無法對通信設備進行供電。2013年3月27日京滬高鐵某通信機房開關電源在兩路外電停電恢復供電后，由于該開關電源的ATSE切換時卡死，造成下部端子無交流輸出，整流模塊無法工作，致使蓄電池過放電欠壓保護，造成直流供電中斷，導致本站通信機房傳輸、接入、數(shù)據(jù)、交換、數(shù)調等相關通信設備宕機，影響京滬高鐵本站及相鄰站間的自動電話、調度電話、G網(wǎng)電話、CTC等業(yè)務，影響多趟高鐵列車，定性為鐵路一般D類事故。

2）特殊環(huán)境導致ATSE故障率較高。因一路交流電停電、供電部門檢修供電線路、開關電源兩路電倒換試驗等原因，供鐵路通信使用的兩路電切換次數(shù)較多，造成ATSE機械裝置頻繁切換動作，加速機械裝置老化。上海通信段管內每年都有ATSE在切換時發(fā)生故障導致不能對負載進行供電的案例。據(jù)統(tǒng)計，2013～2016年間共發(fā)生ATSE不能正常切換的故障35件，降低了鐵路通信電源的整體可靠性，影響鐵路通信網(wǎng)絡暢通及鐵路通信業(yè)務的穩(wěn)定運用。

4 改造原理和方案

設備管理的核心任務是保證設備的安全可靠性，提高設備經(jīng)濟運行水平，實現(xiàn)杜絕設備事故、控制維修費用、確保勞動安全的根本目標。因此，降低或杜絕因ATSE故障造成的影響成為必須研究的課題。

為確保開關電源整流模塊輸出間并聯(lián)后能正常運行，杜絕并聯(lián)的各個整流模塊因外特性不一致而造成的空載、降低分擔電流多的模塊的可靠性，實現(xiàn)完全穩(wěn)定可靠的全冗余系統(tǒng)，必須采用并聯(lián)模塊均流技術，保證各模塊間電應力和熱應力的均勻、合理分配，均分負載電流，防止一個或多個模塊工作與電流極限狀態(tài)。常用的并聯(lián)均流技術有輸出阻抗法、主/從設置法、平均電流自動均流法、最大電流自動均流法、熱應力自動均流法、外加均流控制器均流法等。

利用開關電源整流模塊均流穩(wěn)壓的特點，通過對存在問題的分析和對不同廠家不同型號開關電源設備的研究，采用分布式電源系統(tǒng)的思路，結合鐵路通信直流供電實際需求，我們對開關電源交流配電結構進行技術優(yōu)化改造。將每臺開關電源的整流模塊均分成兩組，使兩路交流電不再經(jīng)過ATSE切換，分別直接給每組整流模塊供電，兩組整流模塊直流輸出至同一直流母排上，共同對直流負載進行供電，改造后如圖2所示。

圖2 開關電源電路示意圖Fig.2 Schematic diagram of switching power circuit after transformation

改造后的開關電源分成兩組整流模塊組，每組不少于兩個模塊，每組的模塊輸出并聯(lián)，其容量可以按需擴容，每組實現(xiàn)了完整穩(wěn)定可靠的全冗余系統(tǒng)，兩組整流模塊在一臺開關電源內實現(xiàn)了“兩臺”開關電源的功能。由于輸入交流電源不經(jīng)過ATSE，只要任意一路交流有電，相應的整流模塊組始終工作，杜絕因ATSE故障造成的整流模塊停機，大大提高了電源系統(tǒng)的安全性，確保通信設備在線工作。

5 安全效益分析

2016～2018年間，上海通信段組織對管內京滬、寧杭、杭深、金溫、寧安等多條高鐵線1 000余套通信開關電源實施技術改造，方案簡單易實施，改造成本較低，改造后的安全效益明顯。

1）開關電源可靠性明顯提升。通過技術改造可以有效解決高頻開關電源內ATSE故障引起的直流供電系統(tǒng)中斷的情況，提高開關電源安全可靠性。上海通信段管內實施技術改造后的1 000余套通信開關電源，未再發(fā)生因ATSE設備失效造成直流供電中斷的情況，有效保障了鐵路通信系統(tǒng)的安全運行，如圖3所示。

圖3 ATSE設備失效事件統(tǒng)計圖Fig.3 ATSE equipment failure accident statistical diagram

2）改造成本較低。改造所涉及主要材料為防雷單元和電源配線，改造后開關電源的整流模塊按“N+N”分兩組進行配置，需要根據(jù)現(xiàn)場設備用電量對整流模塊數(shù)量進行重新配置。一般情況下，對一套開關電源進行改造的防雷單元和配線材料成本，占整個開關電源成本的2%左右。

3）改造作業(yè)易實施。一臺開關電源技術改造只涉及拆除和新增部分電源線，增加防雷單元，現(xiàn)場作業(yè)人員可以在30 min內完成作業(yè)。無論高速鐵路還是普速鐵路天窗時間，均滿足作業(yè)要求，避免了通信作業(yè)對運輸生產(chǎn)的干擾。作業(yè)時停用兩路交流電，通信設備利用蓄電池組供電，既滿足通信設備正常供電需求，又確保作業(yè)期間的勞動安全。且批量改造時，可提前制作配線，進一步降低作業(yè)難度并減少作業(yè)時間。

4）有效提高蓄電池壽命。改造前交流停電時ATSE切換動作都會有一定時延，在此期間所有整流模塊有一個停機再起機的過程，并且蓄電池進行短暫放電。經(jīng)過改造后只要有一路交流正常工作，其對應的一組整流模塊就會正常工作，蓄電池就不會產(chǎn)生放電，減少蓄電池非正常充放電次數(shù)，提高了電池使用壽命。

6 結論

本文論述的鐵路通信高頻開關電源技術改造方案，簡單易操作，安全可靠，成本低。改造后消除了因ATSE失效造成直流供電中斷的可能性，直流供電系統(tǒng)更加安全可靠。經(jīng)過在上海通信段管內實踐證明，該方案的可行性、安全性得到驗證，可供參考借鑒。