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《電氣化鐵道雜志》2016年第5期

摘要：

針對電氣化鐵路接觸網隔離開關常見的誤動、拒動、誤報等故障現象，提出了一種集中式控制方案以此改善系統的可靠性，并闡述了該方案的相對優勢和應用前景。

關鍵詞：

電氣化鐵路；接觸網；隔離開關；遠動；集中控制；直控

0引言

在電氣化鐵路牽引供電系統中，隔離開關作為重要的開關設備，其動作可靠性直接關系到機車運行安全。在電氣化鐵路接觸網隔離開關遠動控制領域，當下普遍采用光纖控制方案，即就地遠動監控終端與電動操作機構一同安裝于戶外隔離開關柱上，用于對每臺隔離開關的監控。而變電所設置監控主站，通過光纖網絡同所內所有就地遠動監控終端進行通訊，從而實現監控所內所有隔離開關。光纖控制方案憑借光纖通信可靠、抗電磁干擾能力強的優點被廣為采用，但是，在實際運行中，隔離開關誤動、拒動現象卻時有發生，給鐵路運行部門帶來了諸多困擾。

1集中式控制方案簡介

1.1概述

傳統的光纖控制方案系統構成復雜，設備層級較多，其系統圖如圖1所示。哈大普鐵隔離開關遠動系統直接引進德國技術，采用集中式、直接控制的方案，與光纖控制方案有著較大的區別。多年運行經驗表明，該系統極少發生上文所述的誤動、拒動、誤報等故障，運行狀態穩定可靠。該系統中，德國ABB隔離開關所內監控主站直接采用一臺RTU裝置，無需外圍回路，僅通過3條線纜連接至每路隔離開關操作機構（西門子制造），而每路隔離開關的遙控分、合閘和遙信采集都是通過3條線纜實現的。同時，隔離開關操作機構的內部電氣回路已經被完全省去，僅保留了電機和傳動機構。見圖2。

1.2集中式控制方案構架

經過對哈大普鐵德國技術的深入分析并借鑒其先進理念，筆者提出了一種集中式、直控式的控制方案。該方案在變電所監控主站采用直控式RTU裝置，直接通過硬接線與戶外隔離開關操作機構相連。該RTU裝置設置多路控制板卡，對下可集中控制全所所有隔離開關，對上可直接通過光纖網絡與調度端通訊。通過圖3不難發現，相比于光纖控制方案，集中式控制方案已經省去了戶外就地監控單元，精簡了系統構架，減少了系統層級和設備數量。

1.3直控式RTU裝置控制原理

直控式RTU裝置直接通過硬接線，從所內將控制命令直接加載到戶外操作機構，遙信信號也直接通過硬接線傳送到所內RTU裝置。該裝置的遙控和遙信回路采用通道共用的方式，僅通過3條線纜來實現對每路隔離開關的監控。見圖4。該直控式RTU裝置的突出特點是將遙控電路和遙信電路巧妙地結合。實現單路開關的遙信一般需要3線，實現單路開關的遙控同樣需要3線，該裝置的工作邏輯：在無遙控操作時，工作于遙信模式，即K1、K2斷開，K3閉合；在收到遠動執行命令，需要執行遙控操作時，K3斷開，K1或者K2閉合，將動力電源直接饋送至操作機構。不難發現，遙控電路和遙信電路是互斥的（K1、K2、K3在同一時刻，只允許一個閉合），即遙控和遙信電路不能同時工作。為了保證遙控和遙信電路可靠切換，避免互相短路造成設備損壞，直控式RTU裝置在遙控、遙信切換過程中進行嚴謹地判定，只有在符合切換條件的前提下，RTU裝置才會執行切換動作。其判定過程如圖5所示。而除了軟件判據之外，RTU裝置內部設置互斥硬件回路，形成屏障，進一步杜絕K1、K2、K3三個開關中出現2個或者3個同時閉合的情況，其原理如圖6所示。1）遙信模式。直控式RTU裝置的控制板集成遙信模塊和遙控模塊，在無遙控操作時，該裝置工作于遙信模式，即K3閉合，3條線纜通過操作機構行程開關并經由電機線圈構成遙信采集回路。操作機構內的行程開關SQ1和SQ2為常閉模式，其開合順序如圖7所示。可以發現，直控式RTU裝置采集的遙信直接通過行程開關SQ1和SQ2來反映。假設行程開關閉合狀態用1來表示，行程開關分斷狀態用0來表示。當RTU裝置采集遙信結果SQ1、SQ2為0、1時，則代表隔離開關處于分位；當RTU裝置采集遙信結果SQ1、SQ2為1、0時，則代表隔離開關處于合位；當RTU裝置采集遙信結果SQ1、SQ2為1、1時，則代表隔離開關處于分合中間狀態；當RTU裝置采集遙信結果SQ1、SQ2為0、0時，據圖7分析可知，SQ1和SQ2不可能同時處于分斷狀態，這種情況只有斷線時會出現。由上可見，直控式RTU裝置僅通過3條線纜和行程開關，完全可以實現對隔離開關分、合位遙信的采集。（2）遙控模式。當執行遙控操作時，直控式RTU裝置應暫時中斷遙信狀態（K3斷開），切換到遙控模式。RTU裝置通過K1或者K2輸出遠動控制命令，K1、K2閉合為定時限閉合，其時限可根據隔離開關的動作時限設定，例如，某隔離開關常規動作時間為4s，K1或者K2閉合時限可設定為5s左右（稍長于開關動作時限）。當K1或者K2閉合時，RTU裝置直接將動力電源饋送至操作機構電機，驅動電機正轉或者反轉，從而實現隔離開關分閘或者合閘。以合閘為例，其操作過程如下：隔離開關當前處于分位，SQ1處于分斷狀態、SQ2處于閉合狀態，RTU裝置采集遙信SQ1、SQ2為0、1。RTU裝置收到遠動執行合閘命令，立即切斷遙信回路，切換到遙控模式。RTU裝置閉合K2，動力電源經過SQ2加載于電機，電機正轉，隔離開關合閘。4s后，隔離開關合閘到位，SQ2分斷，SQ1閉合。而SQ2的分斷直接將動力電源切斷，電機停止轉動。此后延遲1s后（即啟動合閘5s后），RTU裝置合閘觸點K2到達閉合時限，K2彈開。此時完成合閘操作，RTU裝置自動切換回遙信回路，采集到SQ1、SQ2變位為1、0。遙控分閘過程同理，不同之處為電流流向相反，電機反轉，此不贅述。通過以上分析，發現采用直控式RTU裝置，僅通過3條線纜即實現了對隔離開關的遙控操作和遙信采集。不同于光纖控制方案，該方案無需戶外布置就地監控單元，且操作機構電氣回路亦大為精簡，僅保留了電機和傳動機構。

2集中式控制方案相對優勢

集中式控制方案下，所內監控主站可監控全所隔離開關，并直接將遙控命令（連同動力電源）饋送至操作機構。從系統可靠性方面分析得出該方案具有如下優勢。

（1）防止誤動。上文已經闡述該方案的控制原理，在無遙控操作時，戶外操作機構處于不帶電狀態，無論是受到干擾還是其他故障，因為操作機構根本沒有動力電源，從根本上杜絕了強電磁干擾感生電動勢或者控制電纜混線引起的誤動，隔離開關誤動的風險將大大降低。

（2）防止拒動，提高系統可靠性。戶外僅保留操作機構的電機和傳動機構以及3條輸電線纜，結構精簡，減少了中間環節，而使故障點減少，降低了拒動發生的概率，提高了系統運行的可靠性。

（3）防止非干擾性誤報。由于所級監控主站直接通過3條硬接線采集操作機構行程開關的位置信息，而無需經過戶外就地監控單元，這避免了戶外就地監控單元自身問題而引發的誤報，也避免了戶外就地監控單元和所級監控主站因通訊或者規約匹配問題發生的誤報。當然，集中式控制方案在抗戶外電磁干擾方面并無優勢，也就是說在電磁干擾引起的遙信誤報方面，集中式控制方案可能面臨更大的考驗。

（4）系統故障率低，運維方便。集中式控制系統結構精簡，電路簡單，使得系統的運行維護更加簡便易行。

3集中式控制方案的弊端和處理措施

3.1系統弊端

集中式控制方案在提高系統可靠性和降低系統投資方面均具有顯著優勢，但不可否認該方案在如下2個方面仍存在相對劣勢。

（1）控制距離較短。由于采用了直接控制方式，所級監控主站和隔離開關之間直接通過硬接線實現遙控和遙信采集。這在隔離開關距離變電所較近的場合（2km之內）并無問題，但是當隔離開關十分偏遠時，傳輸線纜上的衰耗就會凸顯，這將有可能影響遙信的精度和遙控電源的強度。當然，從實驗室數據上分析，集中式監控方案在10km范圍是能夠可靠監控隔離開關的，但是在實際應用中，由于受限于復雜的運行環境，其可靠性可能會有所降低。

（2）遙信回路受電磁干擾影響較大。不同于光纖控制方案，所級監控主站到隔離開關的一段距離中，采用光纖通訊，而光纖是不存在電磁干擾問題的。集中式控制方案在此段距離上使用了硬接線，在此段距離中傳送電磁信號的遙信回路在抗電磁干擾方面將會面臨更大的考驗。

3.2處理措施

當然，在預防上述缺陷方面，集中式控制方案并非無計可施，通過一定的技術手段和變通，揚長避短，是可以充分改善監控系統性能的。

（1）就近安裝直控式RTU裝置。在個別隔離開關距離變電所偏遠的場合，可將所級監控主站（即直控式RTU裝置）安裝在隔離開關附近。為了防止監控主站受戶外惡劣環境的影響，可將其安裝于具備足夠防護等級的保溫箱內。這樣既具備了集中監控系統的優勢，又避免了長距離衰耗的問題。這種方式在哈大普鐵上亦被采用，運行經驗和數據亦充分支持筆者論點。

（2）提高RTU裝置電磁兼容能力，使用屏蔽電纜。為了防止長距離硬接線受戶外強電磁干擾，一方面應保證直控式RTU裝置具備足夠的電磁兼容能力，過濾掉一般干擾信息；另一方面，敷設的連接線纜應使用帶屏蔽電纜，并按施工規程可靠接地，最大限度防止外部電磁干擾進入系統內部。

4結語

電氣化鐵路接觸網隔離開關監控系統在以往運行中故障率較高，給牽引供電系統帶來了較多的不良影響，如何解決系統的常見問題，充分改善系統性能，一直以來是業內的工作重點。在此過程中，鐵路總公司、各路局機關以及各設備廠家都付出了很多努力，并提出了很多改進意見。當然，不存在絕對優勢的方案，筆者認為權衡利弊，取長補短，因地制宜，才能最大程度改善接觸網隔離開關監控系統的性能。而集中式控制方案正是基于這種思路，充分發揮直控式、集中式控制的優勢，采用某些技術細節彌補自身不足，是一種相對較為優秀的方案。哈大普鐵的運行經驗也證明了該方案的可靠性，這是值得借鑒并進一步研究和推廣的方案。

參考文獻：

[1]中國鐵路總公司運輸局，接觸網電動隔離開關遠動控制優化技術方案，遠供設備函，[2015]37號.

[2]中國鐵路總公司運輸局，寒溫及寒冷地區鐵路牽引供電和電力系統若干問題指導意見，鐵總運，[2013]135號.

[3]李焱.高速鐵路接觸網隔離開關遠動控制技術的研究[J].電氣化鐵道，2015，（2）：1-3.

作者:孟令宇 井友剛 單位:沈陽鐵路局