电力双电源智能切换装置故障解决方案的探讨

电力双电源智能切换装置故障解决方案的探讨
【摘要】介绍双电源智能切换装置构成、工作原理及故障现象，分析双电源智能切换装置的故障原因，并针电源跳闸故障提出两路电源的对应相的相位差最小接线方法，有效的解决由于残留电压导致的两路电源短路跳闸问题。

【关键词】双电源；施工方法；相位差；残余电压；接地
引言
双电源智能切换装置在保证铁路信号电源的可靠性方面有着重要的作用，随着铁路信号设备对供电可靠性的要求越来越高，阜淮线电气化改造工程中信号电源采用三路电源供电，一路自闭电源、一路贯通电源、一路站变电源。

自闭电源作为主用电源直接接入信号电源一号防雷箱，贯通电源和站变电源经设在信号箱变内的双电源智能切换装置切换后接入信号电源二号防雷箱。

在建设过程中，淮南站和桂集站多次在自闭电源停电后切换至贯通电源时出现贯通和站变电源的空气开关跳闸，危及行车安全。

因此，如何解决双电源切换装置空气开关跳闸问题，提高信号电源供电的可靠性就是工程验收前亟待解决的问题。

1、信号电源的组成与故障分析
1.1信号电源的组成
本工程的信号电源是由设在车站信号楼附近的信号箱变及设在信号楼的信号防雷箱等设备组成的供电单元。

自闭电源经电缆接入信号电源一号防雷箱，贯通电源与站变电源经双电源切换装置后由电缆接入信号电源二号防雷箱，信号电源构成示意图如图1所示。

1.2PSK-E 型双电源智能切换装置的构成图
本工程采用的PSK-E型双电源智能切换装置是综合应用先进的电力电子技术、微电子技术和信息技术实现两路独立电源智能化管理、快速转换的新产品；是当前国际领先的“柔性交流输电控制技术”在低压配电线路用户端的延伸应用。

在设计时采用了电压过零点捕捉切换和不间断切换的切换控制策略，同时辅以触发器电气互锁电路。

在保证了电源切换过程安全的前提下，装置的切换时间得到了大大的缩短。

高速切换性能使得该双电源智能切换装置在切换技术上达到一个新的高度，该装置由主电路单元，切换控制单元和显示操作单元组成。

1.3智能双电源电子快速切换系统的结构和原理
在电源正常工作时，微控制器控制晶闸管驱动电路开通一路电源，同时通过互锁电路锁定另一路电源，从而保证信号系统的单电源供电；当电源发生故障时，微控制器的12位ADC模块将经过隔离采样和交直流变换的模拟电压/电流信号
转换为数字信号。

微控制器通过处理这些数字信号，判断出当前电源的故障情况，然后选择合适方式进行电源切换；监控系统通过RS485总线取得电源状态数据并将这些数据显示出来。

智能双电源电子快速切换系统的结构和原理如图2所示：
2、故障现象及原因
2.1故障现象
在上海铁路局管内的阜淮线电力工程施工期间，淮南站和桂集站信号电源多次出现自闭电源停电后，贯通电源切换后贯通和站变电源同时跳闸现象，造成信号电源中断，信号死锁，危及行车安全。

通过现场的测量，淮南站贯通和站变两路电源电源停电后可控硅输入端电压大于75V，两路电源相位差最大为170V，切除备用站变电源，重新投入贯通电源，供电正常。

桂集站信号电源出现自闭停电后，贯通和站变电源也先后跳闸，从“运行数据记录”菜单中调出的故障记录显示，跳闸时的最大电流为64A，超过电动开关的额定值50A，有过负荷现象。

PSK-E 三相切换装置内部主接线图如图3所示：
2.2原因分析
针对两站双电源智能切换装置的上述现象，原因大致有几种情况：
（1）残余电压，双电源智能切换装置核心元件是绝缘栅双极晶体管IGBT （Insulated Gate bipolar Transistor），其等效电路如图4所示，这种结构使IGBT 既有MOSFET可以获得较大直流电流的优点，又具有双极型晶体管较大电流处理能力、高阻塞电压的优点。

在实验过程中，由于在晶闸管无触点开关的关断条件中，晶闸管无触点开关必须承受负压才能关断。

由于双电源智能切换装置采用电压过零点检测切换技术，其原理为：在检测切换控制器检测到需要切换电源时，程序首先封锁可控硅的触发脉冲并检测输入电压的过零点，由于可控硅的续流性，可控硅此时并未关断，必须在交流电压在自然过零点时反向强迫关断时会存在残余电压，导致两路电源短路跳闸。

（2）相位差过大，如果检测切换控制系统中的两路晶闸管同时导通且两路供电电源有相位差和电压差，由此而造成的电源短路，会给供电安全带来灾难性后果。

在一般情况下，两路供电电源的电压幅值和相位总是有差异的，即两路电源之间总存在电压差，这个电压差会引起电源的相间短路，所以两路电源不能同时供电。

但是当两路电源的相位和幅值相差足够小时，装置足以承受电源并供所引起的瞬时短路电流，两路电源形成互为负载的供电状态，并且由于该过程的时间在半个周波以内，其并不能对电网造成有效的冲击。

现场的贯通电源和站变电源来自不同发电厂，施工人员仅用相序表测量了两路电源相序正确就接线了，现场实测相位差为最大170V，双电源智能切换装置采用的是电压切换过程中切换延迟时间和高速并联切换，检测切换系统中复合无触点开关的开通条件中，两路电源相位差或电压差较大的时候，在一路无触点开关的开通时时刻，另一路无触点开关必须处于关断状态。

所以，切换系统在切换过程中，在正常情况下从给出
一路开关的关断信号到给出另一路电源的开通信号之间必须有一个延迟时间，以保证两路电源之间不会发生短路。

试验证明，并联切换时相位差越小，切换时出现短路的可能性越低，所以在接线时应在核对相序后，测量相位差，选相位差较小的接入。

（3）接地不规范，电子元件可能因接地不正确而受到干扰，电子设备运行中可能受到电源传输耦合、传输线干扰、地电流干扰带来的电磁干扰的影响，接地阻抗越小，干扰对信号的影响也就越小。

工地现场车站的接地和接零是很混乱的，施工时如未按要求对零线重复接地，就可能影响切换装置检测及通信功能的正常运行。

如某路电源出现接地故障，会抬高地电位，造成残留电压升高，既影响可控硅的使用寿命，又降低双电源切换装置高速切换的可靠性。

（4）过负荷，由于桂集站在本次工程改造后即封闭，信号负荷大约为原负荷的60%，设计给出的开关额定值为50A。

由于信号改造工程滞后电力工程，施工过渡期间在贯通电源上增加了取暖设备，自闭电源停电后造成贯通电源过载，引起跳闸。

3、解决方案讨论
（1）提高接地的可靠性，双电源智能切换装置输出端的零线是直接并联的，施工时技术人员应向作业人员进行技术交底并明确接地要求，认真检查双电源智能切换装置的接地连接质量，确保零线和PE线分开，站变零线接入箱变后需在箱变内做重复接地，确保两路零线无电位差，防止接地问题对双电源智能切换装置造成系统影响。

（2）适当延长两路电源的切换时间，延时切换和零电流检测切换均可以实现单工频周期内的电源切换。

由于电源切换发生时间的不确定性，为了保证电源切换的安全可靠，延迟时间往往取得较大，这就带来了切换间断时间长和不能精确控制的弊端。

零电流检测切换由于电流检测的不精确性导致了电源切换时机判断经常会出现较大误差，为了弥补这个缺陷，实现高速切换，该装置采用了电压过零点捕捉切换技术。

可控硅的负压关断特性使得其在承受负压时能够可靠的关断。

在使用了高精度的电压检测技术后，电压过零点捕捉切换可以实现高精度的高速切换，根据铁标TB/T3027-2002第11.2项“供电及电源设备”技术条件的规定：二路电源切换时间小于0.15S，针对这台双电源切换装置，我们把切换时间设置为0.1S，消除残余电压及可控硅自身质量缺陷对切换装置的影响。

（3）选择较低电位差，信号设备多事感性负载，相位差过大，会导致电压的叠加，对信号设备有影响，同时由于相位差过大，也造成可控硅承受较大反向电压，影响可控硅的使用寿命。

施工时技术人员在技术交底时应明确要求作业人员测量两路电源的相位差，不能仅核对相序，要先找出相位差最低的相，按相位差最低原则配对相序。

4、结束语
在近两年的试运行中有两点问题值得重视，一是对电源供电质量标准提高了，电网扰动和电源零线、接地线安装不良都会引起在用电源切换；二是切换电
流过零控制不准确将导致晶闸管软损伤、漏电压升高、寿命缩短。

在双电源切换装置安装施工时，由技术人员认真熟悉双电源智能切换装置的工作原理及技术要求，根据现场情况认真准备技术交底资料并切实履行交底工作。

只有认真做好检测、调试和试验工作，才能提高双电源智能切换装置的安装质量，从而保证双电源智能切换装置的运行可靠性。

采取可靠接地方式、选择最小电位差及适当延长故障电源切换时间等施工方法，有效地解决了阜淮线上双电源装置引起的贯通和站变两路电源的跳闸问题。

参考文献
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[3]陈广利，陆曙.电源自动切换技术及其发展方向.冶金动力，第3期，（2004），13-15。

[4]王兆安，黄俊.《电力电子技术》（第四版）.机械工业出版社，（2002），18～19。