铁路信号智能化电源屏的现状及技术发展方向.docx

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铁路信号智能化电源屏的现状及技术发展方向

铁路信号智能化电源屏的现状及技术发展方向

20世纪80年代后期开始，随着我国铁路装备技术的迅速发展，重载、提速、扩能工程的实施，铁路信号设备相继引进和开发了许多先进技术，装备在运输繁忙的干线上。

为适应铁道部电务维修体制改革、信号技术发展的需要，针对当时铁路信号电源设备制式单一、元器件可靠性差、整体技术落后的局面，多家企业和研究院所相继于90年代后期开始论证、研制和开发了铁路信号智能化电源屏，自2000年第一套智能化电源屏通过了铁道部技术鉴定至今，已有6家单位的智能化电源屏通过了铁道部技术鉴定或技术审查，大约有5～6家通过了路局级的技术审查或鉴定，目前还有一些单位正在继续研制开发中，形成了激烈竞争的局面，促进了智能化电源技术的发展。

一、铁路信号智能化电源屏的现状

从2000年第一套铁路信号智能化电源屏在现场正式运行至今，已有近10家单位的智能化电源屏上道运行。

2002年铁道部组织对原大、中、小站电源屏部颁标准进行了修订，编制并颁布了新的铁路信号电源屏的行业标准，但限于当时智能化电源屏的发展条件，没有单独针对铁路信号智能化电源屏制定技术标准，因此，目前智能化电源屏还没有一个统一的、确切的定义和可按照执行的、有针对性的设计规范和标准。

设计、建设单位对产品技术和质量不好把握，在基本建设的招投标文件中往往根据某家产品的指标、性能特点来确定标准，造成投标企业为了满足招标文件的要求，盲目改变自己经过技术鉴定的产品的原理、功能、指标，致使各种参差不齐的技术和质量的信号电源产品上道使用。

因此，目前的局面是智能化电源屏制式种类繁多，工作原理各异，外形结构五花八门，高度尺寸不一，颜色眼花缭乱，故障事故频发，严重的造成延时、停车，甚至出现火灾险情，年事故率呈现逐年增长势头，为行车安全带来重大事故隐患。

以重庆电务段2004年12月的统计的为例，自2000年开始，电务段先后安装智能化电源屏13站，分别由三个厂家提供，四年间各站电源屏均不同程度地发生故障，尤其是后2年，故障发生较频繁，仅2004年1月至12月一年间，智能化电源屏共发生故障13次，故障原因为：

轨道模块坏3次；信号模块坏3次；24伏电源模块坏3次；微机模块坏2次；道岔表示坏1次；监测系统切换板坏1次。

2005年1-9月全路电源屏的事故统计中，大多为各家的智能化电源屏，共发生48件事故，延时69.25小时，影响行车116列，严重影响了铁路正常运行。

家左右的单位，特别是近几年，主要集10目前智能化电源屏的组装、制造，主要集中在这．

中在几家中小型的民营企业，应该肯定的是这几家民营企业引进了其它行业的先进理念、先进技术和产品，在推进铁路信号智能化电源系统的技术进步方面起到了重要作用，新产品不断推陈出新，使铁路信号电源技术发展较快。

但是，不可否认的是，各自独立、互不交流、市场无序竞争、产品的技术和质量良莠不齐，其中有些企业确实具有一定的研制能力，但是在制造方面都不具备规范的生产实体，几乎全部关键模块都是搞委托加工，其产品质量完全取决于生产方的生产质量，特别是高频电力电子模块，多是委托其它行业的生产体，这些企业在其自己的行业可能实力较大，但信号电源模块多为特殊要求，小批量多品种，供货周期短，同时由于目前的铁路信号智能化电源处在技术更新比较大、更新速度比较快，信号电源种类繁多，涉及多个专业领域，产品技术服务需要专业人员等特点，一般的路外大型专业电源企业难以适应，在这种条件下生产的产品并不像人们所想象的高可靠，同时，5～6年后的售后服务也很难保障。

由于有近10家单位的智能化电源屏上道运行，有的实际运用已有五年，同时各家又在不断的完善、改进、提高，产品技术、质量都有了很大的进步，但仍存在着制式种类繁多，外形、结构、高度、尺寸不一，标准化、互换性差，在一个电务段里有多家产品在运行，日常维护和维修极为不便。

由于故障率高、设备电路复杂、采用的技术大多不为现场使用的电务维护人员所熟悉等问题，有些用户流露出对原有电源屏的怀恋。

铁路信号智能化电源市场规模有限，一年的产值大约在2.5亿左右，分摊到10多家单位，平均每家也就在2500万元左右，由于市场竞争激烈，各家赢利能力都有限，影响产品技术创新的投入和生产规模化装备的投入，造成产品发展后劲不足。

二、铁路信号智能化电源屏的技术概况及发展方向

铁路信号智能化电源屏是为铁路信号设备供电的重要设备，是车站联锁、区间闭塞等系统可靠运行的心脏，电源系统发生故障，将导致整个系统瘫痪，其重要性非同一般。

我国从70年代后期开始实现车站电气集中联锁以来，信号电源屏一直作为重要信号设备，由铁道部指定专业厂家生产。

电源屏的技术领域也仅涉及信号、电力两个专业，而随着智能化电源屏研制开发技术的需要，所涉及的专业技术涵盖了信号、电力、电子、网络、计算机、通信、电磁兼容等，从而智能化电源屏成为集成综合技术比较复杂的产品。

开发研制这样的智能化信号电源系统，需要具备以上多方面的专业知识、技术能力和规范的生产装备。

铁路信号智能化电源屏是向铁路信号设备供电的重要设备，具有两个基础功能：

1）、基本供电功能：

根据不同规模的铁路电气集中联锁站场、不同联锁方式、不同轨道电路制式、不同的区间自动闭塞方式等信号设备的供电要求，选配不同频率、不同容量、不同电压种类的交、直流电源单元，组合成各种车站电气集中联锁信号电源屏、驼峰编组场电源屏、．

区间闭塞电源屏、25周轨道电源屏等，或综合型信号电源屏，完成向各种信号设备供电的基本功能。

2）智能辅助管理功能：

应用计算机和通信、网络技术，对供电系统各个环节、关键器件的运行参数、状态进行监测、管理、记录、通信、报警、分析等。

目前使用的铁路信号智能化电源屏基本都具备以上两种基础功能，由于采用了不同的技术、性能、结构设计，在满足不同信号设备供电要求方面，其技术、质量、可靠性等方面存在着很大差异，都有存在着改进和提高的地方。

在对智能化电源屏没有一个统一的确切的定义和可按照执行的设计规范和标准的情况下，从智能化电源屏生产厂家现有技术水平、能力以及铁路大多数用户的要求，智能化电源屏结构上电源单元模块化，满足现场要求电源屏占用面积小，备用方式灵活，故障时方便维修、快速更换器件等需要；监测方面，采用现代数字信息处理及通信技术，可向微机监测提供输入、输出电源的各种参数，同时满足自身在工作状态显示、非正常工作记录、统计，故障判断、分析、储存等方面的需要。

在监测性能和功能方面，各个厂家对智能化理解的程度不同，采用的技术不同，有的采用单板计算机、有的采用工业控制计算机，功能、性能差异较大。

目前对智能化电源屏的理解可用“模块化+监测”来概括，这也为大多数人所认同。

在电源模块技术的采用上，有些厂家的产品全部或部分采用了高频电力电子技术，如PFC功率因数校正、大容量直流并联均流、交流并联均流（尚不完全成熟）、采用UPS电源等，满足信号设备的技术发展对供电新的技术指标的要求。

铁路信号智能化电源屏的配电系统功能单元可分为输入单元、模块单元、输出单元和智能监测单元：

（1）输入单元：

两路输入电源的引入、转换，交流集中稳压、整流，输入电源的浪涌抑制、雷电防护等。

（2）模块单元：

实现输出不同电压、容量、频率的交、直流电源，此部分是各家采用不同技术区别最大的地方，有的采用工频稳压（参数式稳压器或工频数字电压补偿型（微电脑补偿型）交流稳压器、工频隔离变压器）；有的采用高频电力电子技术的模块，同时也是模块化程度最高、最容易实现的部分。

（3）输出单元：

实现将各种经过稳定的输出电压进行分配、保护、监督，输出电源的浪涌抑制、雷电防护等。

（4）智能监测单元：

包括系统运行中的各种参数的实时采集、变换、处理、通信等，实现系统各种参数的监测、故障定位、报警、故障信息统计、储存等，同时可实现向微机监测提供电源运行参数的接口。

．

目前的智能化电源屏采用的系统技术可分为以下几种类型：

第一种、采用工频数字电压补偿型（微电脑补偿型）交流稳压电源或参数式稳压变压器、工频硅整流直流电源、工频50Hz铁磁分频器25Hz电源和电力电子高频直流开关电源、高频电子25Hz电源，根据生产单位技术能力、用户技术要求而组合电源系统，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。

目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第二种、采用电力电子高频交流稳压电源（高频隔离）、高频直流开关电源、高频电子25Hz电源，独立模块进行组合成电源系统，配备单板计算机的智能数字型监测辅助功能。

目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第三种、采用工频交流稳压（参数式或恒压变压器、微电脑补偿交流稳压器或工频变压器）、整流后，构成直流母线；分回路经DC/DC变换成直流电源，为各种直流信号设备供电；分回路经DC/AC逆变成各种交流电源，为各种交流信号设备供电，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。

目前有2-3家采用的是这种系统集成技术。

第四种、高频化整流，构成直流母线；分回路经DC/DC变换成直流电源，为各种直流信号设备供电；分回路经DC/AC逆变成各种交流电源，为各种交流信号设备供电，配备各种形式的工业控制计算机或单板计算机的智能数字型监测辅助功能。

目前有的厂家正在论证或研制中，尚没有经过现场实际验证。

前三种是目前的主流智能化电源屏，在现场运行的数量比较大，其它运行数量比较少或在研制中的其它智能化电源限于公开程度和掌握资料上，不十分了解，在此不做详细叙述。

下面对以上四种类型的铁路信号智能化电源屏的配电系统组成方式及其技术、性能、结构进行简要分析：

第一种类型，可根据用户要求和现有信号设备对电源技术指标的要求，可组成如下几种电源系统组成方式：

1）交流集中稳压+工频交流隔离+工频直流整流（全工频方式）

。

1电源系统组成方案见图

图1

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，由一套交流集中稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）稳压后，经过工频交流变压器进行变压、隔离变换后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；经过工频交流变压器进行变压、隔离，在采用单相或三相桥式整流后变换为直流电源向继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。

交流集中稳压器故障后自动转为旁路，由电网直接供电。

模块单元的备用方式可采用1+1、N+1等备用方式，备用模块可手动或自动转换，此种备用方式可减少备用容量和数量。

另外，还可采用将模块单元、输出单元做成主、备屏的备用方式，就像传统的电气集中电源屏的整屏备用方式一样，优点是一旦主屏发生严重的、短时难以恢复的事故，可以尽快转到备用屏，恢复向信号系统供电。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换、交流稳压器和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）电气原理基本采用传统的工频电磁型电气集中电源屏技术。

电路简单，器件直观，现场电务维修人员对电气系统比较熟悉，维修方便。

（b）工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好，负载适应性强，可耐受较大感性、容性负载的冲击。

（c）工频电磁器件，不会产生高频电磁干扰，电磁兼容性好。

工频器件可靠性高，寿命长。

d（）

该电源系统存在的问题是：

（e）采用一套集中稳压设备，故障后没有备用设备，直供后，失去了稳压功能，降低了供电质量。

（f）集中稳压设备采用工频稳压，对输入电源的干扰，例如高频闪变、尖峰等，防护性能差。

（g）交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电中断。

（h）铁磁分频器25Hz电源效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。

变频器体积、重量大，不易模块化。

（i）直流电源采用工频变压器变压、隔离、单相或三相桥式整流，输出直流电压纹波系数大，交流输入侧谐波电流大，输入功率因数低，特别是大容量整流时，输入端谐波电流对电网的干扰大。

（j）备用模块或备用屏若采用冷备用方式，主用模块或主用屏故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

2）交流集中稳压+工频交流隔离+高频开关直流电源（工频+高频相结合）

电源系统组成方案见图2。

图2

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，由一套交流集中稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）稳压后，在分回路经过工频交流变压器进行变压、隔离后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电的直流电源是从两路电源切换．

后，经高频开关型直流电源并联均流输出。

交流集中稳压器故障后自动转为旁路，由电网直接供电。

模块单元的备用方式可采用1+1、N+1等备用方式，备用模块可手动或自动转换。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换、交流稳压器和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）交流电源基本采用传统的工频电磁型电源技术。

工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好，工频器件可靠性高，寿命长。

（b）交流部分电路简单，器件直观，现场电务维修人员对电气系统比较熟悉，维修方便。

（c）高频开关型直流电源模块具有完善的输入、输出保护功能，输入设置过压保护；输出设置过压、欠压保护；输出电流被限制在一规定的限值，当过载甚至短路时，其输出电流都能被可靠限制，能可靠地抵抗输出短路故障。

保护反映速度快、功能可靠，既保护电源本身不被损坏，又保护了负载设备不受过电压、过电流的冲击。

（d）由于高频开关型直流电源采用储能续流技术，在两路输入电源转换时，可保证直流输出不间断供电，同时，输出稳压精度高（可达1%），纹波成分低（峰值电压小于200mV），满足新型信号设备，如ZPW-2000型自动闭塞系统对直流供电要求不间断、交流纹波成分低等新的技术指标要求。

高频开关型直流电源，可设置PFC功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰。

（e）直流电源模块采用并联均流输出，N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。

该电源系统存在的问题是：

（f）交流部分采用一套集中稳压设备，故障后没有备用设备，直供后，失去了稳压功能，降低了供电质量。

（k）交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电中断。

（l）25周电源可采用铁磁分频器，也可采用高频开关电子25Hz电源模块。

但铁磁分频器效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。

变频器体积、重量大，不易模块化。

（g）交流备用模块若采用冷备用方式，主用模块故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

3）交流分散稳压+高频开关直流电源（工频+高频相结合）

。

3电源系统组成方案见图

图3

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过分散的工频交流稳压器（无触点工频数字电压补偿型交流稳压器或参数式稳压器）进行稳压、隔离变换后向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电的直流电源是从两路电源切换后，经高频开关型直流电源输出。

模块单元的备用方式可采用1+1、N+1等备用方式，交流备用模块可手动或自动转换。

此种电源系统在结构上，输入单元中的两路电源转换和模块单元的大部分可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）分散式交流稳压电源采用工频电磁型电源，如参数式稳压器或无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。

工频电磁器件，抗输入电源浪涌和抗输出负载的冲击性能比较好。

（b）直流电源采用高频开关型直流电源模块，并联均流输出。

N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。

该电源系统存在的问题是：

（c）采用分散式交流稳压电源，数量多，同时故障点多。

参数式稳压器由于存在着温升高，谐振电容寿命短，易爆等缺点，现已很少使用。

目前大多采用无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。

交流电源模块不能并联输出，因此，两路输入电源转换时造成输出交流电源供电（d）．

中断。

（e）25周电源可采用铁磁分频器，也可采用高频开关电子25Hz电源模块。

但铁磁分频器效率低，输入功率因数低，25Hz波形差，失真度大。

变频器体积、重量大，不易模块化。

（f）交流备用模块若采用冷备用方式，主用模块故障报警后，操作人员需到现场手动操作切换至备用。

第二种类型，电源系统组成方式：

4）高频交流稳压电源模块+高频直流开关电源+高频电子25Hz电源（高频化）

电源系统组成方案见图4。

图4

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，采用分散的高频开关交流稳压模块向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；采用高频开关型直流电源向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。

模块单元的备用方式可采用1+1、N+1等备用方式，交流备用模块自动切换。

此种电源系统在结构上，模块单元可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）中小容量的交流电源采用高频开关型交流稳压模块，同高频开关直流电源模块一样，具有完善的输入、输出保护功能。

（b）高频交流开关电源，由于采用了功率因数校正、高压储能、高频脉宽调制和交流逆变等技术，所以具有输出电源电压稳压精度高，波形失真度小，频率稳定的高指标．

的输出电源质量，由于采用的是交-直-交的工作方式，因此对质量差的电网电源具有一定的净化作用；同时，由于采用功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰；采用储能续流技术，在两路输入电源转换时，可保证交流输出不间断供电；单位功率体积比大，所以做成同等容量的模块体积要小，模块化程度高。

（c）25周电源采用高频开关电子25Hz模块，同样具有以上优点，可保证两路输入电源转换时，轨道电路不会出现红光带。

（d）直流电源采用高频开关型直流电源模块，并联均流输出。

N+1或N+M备用方式，模块故障后可自动退出，不影响系统正常工作。

该电源系统存在的问题是：

（e）高频开关型交流稳压模块，目前国内以中小容量的单相电源模块为主，技术相对成熟，质量基本能满足使用要求。

但大容量交流电源，如三相交流转辙机电源，技术复杂，应用范围小，可靠性差，特别是成本很高。

所以，目前几家的智能化电源屏，大容量交流电源，仍采用工频交流稳压电源，如采用无触点工频数字电压补偿型交流稳压器。

（f）高频开关型电源模块，由于采用大量的电力电子器件，对系统集成综合技术要求高，若综合防护技术差，就存在着诸如输入抗电网干扰能力差、抗负载冲击能力差、防雷性能低等，同时对电磁兼容要求高。

（g）目前的高频开关型交流电源模块不能并联输出，因此，在主、备模块转换时，输出交流电源仍不能做到不间断。

（h）高频开关型交、直流电源模块的使用寿命还有待进一步的验证、考验。

（i）高频开关型电源模块，电路复杂，维修需要专业技术人员进行，并需具备维修、测试、检验用的设备和仪器仪表。

第三种类型，电源系统组成方式：

5）工频整流构成DC400V母线+高频50、25Hz交流开关电源+高频直流开关电源（工频+高频）

。

5电源系统组成方案见图

图5

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过工频稳压器（如恒压变压器无触点工频数字电压补偿型交流稳压器）或工频整流变压器升压、整流构成DC400V直流母线，或两路电源同时各自升压、整流后，并联构成直流母线。

直流母线可并接电容或电池储存电能。

然后，经过高频DC/AC逆变为交流电源输出，DC/AC逆变模块可并联均流输出，向信号点灯、轨道电路、道岔表示等交流信号设备供电；经过高频DC/DC变换为各种直流电源输出，DC/DC电源模块可并联均流输出，向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。

模块单元采用热备N+1或N+M冗余备用方式。

此种电源系统在结构上，模块单元可做成标准化的模块。

该电源系统的优点是：

（a）采用直流母线储能，或两路电源同时整流并联工作，因此，在两路电源切换时，输出交、直流电源不间断；同时，所有输出交、直电源模块全部采用并联均流方式，不存在有接点的切换，因此，真正做到了在任何转换条件下的“零秒”切换。

（b）DC/AC逆变模块采用并联均流输出，可构成大容量交流电源输出，单、三相电源均能实现。

该电源系统存在的问题是：

（c）由于输入端采用大容量工频稳压器或变压器升压、隔离、单相或三相桥式整流，滤波和高压储能，因此交流输入侧谐波电流大，输入功率因数低，输入端谐波电流对电网的干扰大，对电网造成较大污染。

集中的直流母线出现故障会导致系统瘫痪。

（d）．

（e）若采用两路电源同时供电的输入方式，当其中一路停电，由另外一路承担全部负荷，存在着质量较差的一路电源平时也参与工作，可能会干扰电源系统正常运行。

另外，存在着每路输入电源过流防护值的设定问题，若按全部额定负荷设置，在两路电源同时工作时，设定值明显不合理。

（f）输出交、直流电源模块大量采用均流并联的高频电力电子模块，电磁兼容问题体现的比较突出，相互干扰造成技术指标不稳定，性能下降。

（g）目前交流逆变模块并联技术尚不成熟，据说在西方国家也是处于测试阶段，未到大规模应用的程度，国际上大型UPS并联先进技术也少见几例。

目前，有些单位的智能化电源屏使用的交流逆变模块大多是国内小型企业自己开发的产品，技术先进性、产品可靠性、质量稳定性都不十分理想，在使用过程中出现过重大质量事故，严重影响行车安全。

第四种类型，电源系统组成方式：

6）高频整流构成DC400V母线+高频50、25Hz交流开关电源+高频直流开关电源（完全高频化）

电源系统组成方案见图6。

图6

该电源系统的工作方式是：

两路电源一主一备输入，经交流接触器自动切换后，经过并联均流的高频整流器升压、整流构成DC400V直流母线。

直流母线可并接电容或电池储存电能。

逆变模块并联均流输出交流电源，向信号点灯、轨道电路、道岔表示等DC/AC然后，经过高频．

交流信号设备供电；经过高频DC/DC变换为各种直流电源输出，模块并联均流输出，向区间自动闭塞、继电器、直流电动转辙机等直流信号设备供电。

模块单元采用热备N+1或N+M冗余备用方式。

此种电源系统实现了真正意义上的全高频化，全模块化。

该电源系统的优点是：

（a）此电源系统综合了第二种类型和第三种类型高频电源部分的特点，系统输入整流采用高频电力电子整流单元，并联均流输出，构成直流母线。

高频整流单元由于采用了功率因数校正，功率因数在0.95以上，大大减少了输入谐波电流对电网的干扰，电源系统输入阻抗几乎接近纯阻性，减少了对电网的干扰；另外，整流后的直流母线电源电压稳定，谐波成分少，为后面的DC/AC、DC/DC变换模块提供纯净的直流电源，保证交、直流电源模块输出纯净、稳定、可靠的电源。

因此，此电源系统可以称的上是真正的“绿色”电源。

（b）在两路电源切换时，输出交、直流电源不间断；同时，所有输出交、直电源模块全部采用并联均流方式，因此，真正做到了在任何转换条件下的“零秒”切换。

（c）由于交、直电源模块全部采用并联均流方式，因此，可组成任意容量的单、三相输入、输出电源。

同时，模块可设计成标准尺寸、标准容量系列的电源模块，