李旭超 程新
中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东 青岛 266000
摘要：现阶段，社会进步迅速，我国的铁路工程建设的发展也有了一定的改善。高铁是中国工业发展极致化的表现，全面电气化运行的高铁系统，也给国内电气控制技术提出了诸多新要求。根据TB10621—2014《高速铁路设计规范》要求，高速铁路接触网电压级别为对地27．5kV/50Hz，而信号机等信号系统的信号供电网运行在市电电压等级上。
关键词：铁路机车电气屏柜；可维修性设计；研究
引言
随着物联网及5G通信技术的快速发展，两者结合应用于高速铁路，加快推进了中国高铁向智能化方向发展的速度。牵引供电系统是高速铁路实现智能化运行的重要组成部分之一，而智能化牵引变电所又是牵引供电系统实现智能化运行的核心。我国目前智能化牵引变电所的应用仍处于起步阶段，当前运行的电气化铁路绝大部分以普通型的牵引变电所为主，设备不够智能，运行状态以人工判断检修为主，整个供电系统故障判断及故障后恢复仍然以人工为主。随着中国电气化铁路的快速发展，人工成本逐年增加，智能化铁路是铁路发展的必然趋势，要实现铁路智能化运行，智能化牵引变电所的应用是必不可少的环节。
1我国铁路智能变电所技术现状
当前，我国电气化铁路牵引供电系统运行方式虽然包含直供加回流、AT供电等，但每种供电方式所采用的供电设备、综合自动化保护系统大致相同，设备组成仍然是以传统形式为主，变电所设备运行状态以人工定期检测试验为主；综合自动化保护系统只是通过对供电系统的电流、电压等运行数据进行检测，实现对供电系统运行故障区段的及时切断，但系统故障判断和恢复供电方案的确定仍以人工为主；变电所日常值班或值守需配备人力，还不能实现无人化监测，变电所内设备运行状态通过值班人员进行定时巡查，记录各种表计运行数据，通过听、闻、观、测来判断；变电所倒闸作业需要供电调度中心操作和变电所值守人员确认共同完成。变电所二次保护系统通过控制电缆及信号电缆采集设备运行状态及数据，变电所线缆数量众多，出现故障后排查困难。随着中国铁路的快速发展，铁路运行的安全性、可靠性要求越来越高，运营维护的工作量快速增加，智能化高速铁路是发展必然趋势，智能建造、智能装备、智能运维将有效解决建设和运维人员需求量大的问题。
2电气屏柜可维修性设计方法
可维修性一般从定性和定量2个方面评价：①依据GB/T21562.3—2015《轨道交通可靠性、可用性、可维护性和安全性规范及示例第3部分：机车车辆RAM的应用指南》，可维修性一般的定性要求包括可接近性、可拆卸性、模块化、可操作性、易洁性、标准化和互换性等，设计者一般将这些要求转化为通用的设计准则；②定量要求包括平均修复时间、最大修复时间等。具体到电气屏柜，应遵循上述设计原则，结合产品任务、功能、维修特点，开展可维修性设计。以某公司自主研发的低压电器柜和高压网侧柜2种电气屏柜为例，探讨其可维修性设计方法和思路。
2.1区域化设计
分析电气屏柜内的零部件功能及作用，根据功能或布置结构实施区域或块划分。区域化设计可简化屏柜结构层次，降低维修操作的复杂性。例如，低压电器柜根据其功能实施区域化设计，分为辅助电源输出控制、辅助负载保护和库内动车3块功能区，每个区域预留适当的工作空间和维修通道，每个功能区的零部件合理布置，形成独立的功能模块。每个功能模块可独立拆除、装配，在需要局部更换或修复时，可以快速、无差错地更换部件，简化后期维修。
2.2模块化设计
模块化设计是将一类产品的功能通过分析后分解，研制具有互换特征（功能和尺寸互换）的单元，形成独立功能的通用模块。将电气屏柜零部件模块化应用于新产品设计中，可缩短设计周期，而且产品可以测试和调整模块单元，故障发生后容易被发现和检修。在保证性能要求一致和接口要求的情况下，模块化设计可以改变模块结构，提高产品质量和可靠性，利于换修，减少维护保养工作量和维修时间。对低压电器柜开展模块化设计，可以考虑将3个独立的模块作为特定功能单元，应用于新产品开发中。（1）辅助电源输出控制功能模块。选择能满足大部分辅助电源功率的接触器，作为标准化功能模块，采用铜母排对外连接，减少电器元件之间的相互连接，减少拆装器件和接线工作量，缩短维修时间。（2）辅助负载保护断路器功能模块。辅助变流器输出的AC380V电源，经过各辅助负载保护断路器和控制接触器，至各辅助负载。辅助负载用保护断路器一般采取标准导轨安装方式，断路器为上下出线方式，对外连接出线设置于整个结构的两侧。维修时只需整体拆卸断路器组的安装板。更换同类型不同机械接口产品时，只需更改安装板的安装接口，可减少由于更改带来的设计和维修成本费用。（3）库用动车功能模块。库用动车功能模块由地面提供AC380V电源，经过保护断路器、控制接触器，一路至库内动车时，必须运行AC380V辅助负载；另一路通过变压器升压为AC690V，经过整流器输出DC1000V电源，通过预充电电阻和接触器实现预充电。充电完毕后，闭合工作接触器至库内动车轴，可以实现机车库内动车功能。库内动车模块集中，整个结构对外采用端子排连接，便于查线和检修。
2.3对接触网异常放电故障的捕捉
接触网是高铁供电系统的核心功能实现设施，受到高速行车过程的动力学扰动，接触网可能发生绝缘子爬电、异常电弧放电和异常单相接地等诸多常见故障。这些故障在发生早期较难被系统监测发现，因此考察该系统的实际数据挖掘效果，可以判断该系统的算法效能。在SimuWorks组件的仿真环境下构建某区间接触网、信号网和贯通网逻辑模型，设定各300次上述故障，考察该监测系统做出报警的时间窗口，同时设定300次正常运行状态作为参照量。对接触网的监测数据控制效果均可以确保在故障发生后200ms内发现故障，且故障报警的特异性和敏感性均达到98%以上。特异性为该系统判断报警状态为0的状态占全部正常状态的比例，敏感性为该系统判断报警状态不为0时的状态占全部故障状态的比例。
结语
目前国内电力系统已经有上千座智能变电站投入运行，现有智能变电站基本实现了全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化、高级应用互动化，全面提升了变电站运行维护水平和安全可靠性，在技术创新、设备研制、标准制定、工程建设等领域取得了阶段性成果。在铁路系统，传统的牵引变电所具有较大的提升空间，智能牵引变电所的广泛应用将是中国智能高铁发展的方向。智能牵引供电系统以先进的信息化、网络化技术突破牵引变电所亭间的信息孤岛瓶颈，进行系统整合、多信源数据共享，建立广域测控保护、故障自愈重构、故障报警预警机制和系统健康评估体系，对提高牵引供电系统的安全可靠性和可维护性意义重大。
参考文献
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