接触网隔离开关集中式控制研究范文

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《电气化铁道杂志》2016年第5期

摘要：

针对电气化铁路接触网隔离开关常见的误动、拒动、误报等故障现象，提出了一种集中式控制方案以此改善系统的可靠性，并阐述了该方案的相对优势和应用前景。

关键词：

电气化铁路；接触网；隔离开关；远动；集中控制；直控

0引言

在电气化铁路牵引供电系统中，隔离开关作为重要的开关设备，其动作可靠性直接关系到机车运行安全。在电气化铁路接触网隔离开关远动控制领域，当下普遍采用光纤控制方案，即就地远动监控终端与电动操作机构一同安装于户外隔离开关柱上，用于对每台隔离开关的监控。而变电所设置监控主站，通过光纤网络同所内所有就地远动监控终端进行通讯，从而实现监控所内所有隔离开关。光纤控制方案凭借光纤通信可靠、抗电磁干扰能力强的优点被广为采用，但是，在实际运行中，隔离开关误动、拒动现象却时有发生，给铁路运行部门带来了诸多困扰。

1集中式控制方案简介

1.1概述

传统的光纤控制方案系统构成复杂，设备层级较多，其系统图如图1所示。哈大普铁隔离开关远动系统直接引进德国技术，采用集中式、直接控制的方案，与光纤控制方案有着较大的区别。多年运行经验表明，该系统极少发生上文所述的误动、拒动、误报等故障，运行状态稳定可靠。该系统中，德国ABB隔离开关所内监控主站直接采用一台RTU装置，无需外围回路，仅通过3条线缆连接至每路隔离开关操作机构（西门子制造），而每路隔离开关的遥控分、合闸和遥信采集都是通过3条线缆实现的。同时，隔离开关操作机构的内部电气回路已经被完全省去，仅保留了电机和传动机构。见图2。

1.2集中式控制方案构架

经过对哈大普铁德国技术的深入分析并借鉴其先进理念，笔者提出了一种集中式、直控式的控制方案。该方案在变电所监控主站采用直控式RTU装置，直接通过硬接线与户外隔离开关操作机构相连。该RTU装置设置多路控制板卡，对下可集中控制全所所有隔离开关，对上可直接通过光纤网络与调度端通讯。通过图3不难发现，相比于光纤控制方案，集中式控制方案已经省去了户外就地监控单元，精简了系统构架，减少了系统层级和设备数量。

1.3直控式RTU装置控制原理

直控式RTU装置直接通过硬接线，从所内将控制命令直接加载到户外操作机构，遥信信号也直接通过硬接线传送到所内RTU装置。该装置的遥控和遥信回路采用通道共用的方式，仅通过3条线缆来实现对每路隔离开关的监控。见图4。该直控式RTU装置的突出特点是将遥控电路和遥信电路巧妙地结合。实现单路开关的遥信一般需要3线，实现单路开关的遥控同样需要3线，该装置的工作逻辑：在无遥控操作时，工作于遥信模式，即K1、K2断开，K3闭合；在收到远动执行命令，需要执行遥控操作时，K3断开，K1或者K2闭合，将动力电源直接馈送至操作机构。不难发现，遥控电路和遥信电路是互斥的（K1、K2、K3在同一时刻，只允许一个闭合），即遥控和遥信电路不能同时工作。为了保证遥控和遥信电路可靠切换，避免互相短路造成设备损坏，直控式RTU装置在遥控、遥信切换过程中进行严谨地判定，只有在符合切换条件的前提下，RTU装置才会执行切换动作。其判定过程如图5所示。而除了软件判据之外，RTU装置内部设置互斥硬件回路，形成屏障，进一步杜绝K1、K2、K3三个开关中出现2个或者3个同时闭合的情况，其原理如图6所示。1）遥信模式。直控式RTU装置的控制板集成遥信模块和遥控模块，在无遥控操作时，该装置工作于遥信模式，即K3闭合，3条线缆通过操作机构行程开关并经由电机线圈构成遥信采集回路。操作机构内的行程开关SQ1和SQ2为常闭模式，其开合顺序如图7所示。可以发现，直控式RTU装置采集的遥信直接通过行程开关SQ1和SQ2来反映。假设行程开关闭合状态用1来表示，行程开关分断状态用0来表示。当RTU装置采集遥信结果SQ1、SQ2为0、1时，则代表隔离开关处于分位；当RTU装置采集遥信结果SQ1、SQ2为1、0时，则代表隔离开关处于合位；当RTU装置采集遥信结果SQ1、SQ2为1、1时，则代表隔离开关处于分合中间状态；当RTU装置采集遥信结果SQ1、SQ2为0、0时，据图7分析可知，SQ1和SQ2不可能同时处于分断状态，这种情况只有断线时会出现。由上可见，直控式RTU装置仅通过3条线缆和行程开关，完全可以实现对隔离开关分、合位遥信的采集。（2）遥控模式。当执行遥控操作时，直控式RTU装置应暂时中断遥信状态（K3断开），切换到遥控模式。RTU装置通过K1或者K2输出远动控制命令，K1、K2闭合为定时限闭合，其时限可根据隔离开关的动作时限设定，例如，某隔离开关常规动作时间为4s，K1或者K2闭合时限可设定为5s左右（稍长于开关动作时限）。当K1或者K2闭合时，RTU装置直接将动力电源馈送至操作机构电机，驱动电机正转或者反转，从而实现隔离开关分闸或者合闸。以合闸为例，其操作过程如下：隔离开关当前处于分位，SQ1处于分断状态、SQ2处于闭合状态，RTU装置采集遥信SQ1、SQ2为0、1。RTU装置收到远动执行合闸命令，立即切断遥信回路，切换到遥控模式。RTU装置闭合K2，动力电源经过SQ2加载于电机，电机正转，隔离开关合闸。4s后，隔离开关合闸到位，SQ2分断，SQ1闭合。而SQ2的分断直接将动力电源切断，电机停止转动。此后延迟1s后（即启动合闸5s后），RTU装置合闸触点K2到达闭合时限，K2弹开。此时完成合闸操作，RTU装置自动切换回遥信回路，采集到SQ1、SQ2变位为1、0。遥控分闸过程同理，不同之处为电流流向相反，电机反转，此不赘述。通过以上分析，发现采用直控式RTU装置，仅通过3条线缆即实现了对隔离开关的遥控操作和遥信采集。不同于光纤控制方案，该方案无需户外布置就地监控单元，且操作机构电气回路亦大为精简，仅保留了电机和传动机构。

2集中式控制方案相对优势

集中式控制方案下，所内监控主站可监控全所隔离开关，并直接将遥控命令（连同动力电源）馈送至操作机构。从系统可靠性方面分析得出该方案具有如下优势。

（1）防止误动。上文已经阐述该方案的控制原理，在无遥控操作时，户外操作机构处于不带电状态，无论是受到干扰还是其他故障，因为操作机构根本没有动力电源，从根本上杜绝了强电磁干扰感生电动势或者控制电缆混线引起的误动，隔离开关误动的风险将大大降低。

（2）防止拒动，提高系统可靠性。户外仅保留操作机构的电机和传动机构以及3条输电线缆，结构精简，减少了中间环节，而使故障点减少，降低了拒动发生的概率，提高了系统运行的可靠性。

（3）防止非干扰性误报。由于所级监控主站直接通过3条硬接线采集操作机构行程开关的位置信息，而无需经过户外就地监控单元，这避免了户外就地监控单元自身问题而引发的误报，也避免了户外就地监控单元和所级监控主站因通讯或者规约匹配问题发生的误报。当然，集中式控制方案在抗户外电磁干扰方面并无优势，也就是说在电磁干扰引起的遥信误报方面，集中式控制方案可能面临更大的考验。

（4）系统故障率低，运维方便。集中式控制系统结构精简，电路简单，使得系统的运行维护更加简便易行。

3集中式控制方案的弊端和处理措施

3.1系统弊端

集中式控制方案在提高系统可靠性和降低系统投资方面均具有显著优势，但不可否认该方案在如下2个方面仍存在相对劣势。

（1）控制距离较短。由于采用了直接控制方式，所级监控主站和隔离开关之间直接通过硬接线实现遥控和遥信采集。这在隔离开关距离变电所较近的场合（2km之内）并无问题，但是当隔离开关十分偏远时，传输线缆上的衰耗就会凸显，这将有可能影响遥信的精度和遥控电源的强度。当然，从实验室数据上分析，集中式监控方案在10km范围是能够可靠监控隔离开关的，但是在实际应用中，由于受限于复杂的运行环境，其可靠性可能会有所降低。

（2）遥信回路受电磁干扰影响较大。不同于光纤控制方案，所级监控主站到隔离开关的一段距离中，采用光纤通讯，而光纤是不存在电磁干扰问题的。集中式控制方案在此段距离上使用了硬接线，在此段距离中传送电磁信号的遥信回路在抗电磁干扰方面将会面临更大的考验。

3.2处理措施

当然，在预防上述缺陷方面，集中式控制方案并非无计可施，通过一定的技术手段和变通，扬长避短，是可以充分改善监控系统性能的。

（1）就近安装直控式RTU装置。在个别隔离开关距离变电所偏远的场合，可将所级监控主站（即直控式RTU装置）安装在隔离开关附近。为了防止监控主站受户外恶劣环境的影响，可将其安装于具备足够防护等级的保温箱内。这样既具备了集中监控系统的优势，又避免了长距离衰耗的问题。这种方式在哈大普铁上亦被采用，运行经验和数据亦充分支持笔者论点。

（2）提高RTU装置电磁兼容能力，使用屏蔽电缆。为了防止长距离硬接线受户外强电磁干扰，一方面应保证直控式RTU装置具备足够的电磁兼容能力，过滤掉一般干扰信息；另一方面，敷设的连接线缆应使用带屏蔽电缆，并按施工规程可靠接地，最大限度防止外部电磁干扰进入系统内部。

4结语

电气化铁路接触网隔离开关监控系统在以往运行中故障率较高，给牵引供电系统带来了较多的不良影响，如何解决系统的常见问题，充分改善系统性能，一直以来是业内的工作重点。在此过程中，铁路总公司、各路局机关以及各设备厂家都付出了很多努力，并提出了很多改进意见。当然，不存在绝对优势的方案，笔者认为权衡利弊，取长补短，因地制宜，才能最大程度改善接触网隔离开关监控系统的性能。而集中式控制方案正是基于这种思路，充分发挥直控式、集中式控制的优势，采用某些技术细节弥补自身不足，是一种相对较为优秀的方案。哈大普铁的运行经验也证明了该方案的可靠性，这是值得借鉴并进一步研究和推广的方案。

参考文献：

[1]中国铁路总公司运输局，接触网电动隔离开关远动控制优化技术方案，远供设备函，[2015]37号.

[2]中国铁路总公司运输局，寒温及寒冷地区铁路牵引供电和电力系统若干问题指导意见，铁总运，[2013]135号.

[3]李焱.高速铁路接触网隔离开关远动控制技术的研究[J].电气化铁道，2015，（2）：1-3.

作者:孟令宇 井友刚 单位:沈阳铁路局