鐵路接觸網作業車車載音像監控系統電源柜的研制

王榮新

(中國鐵路昆明局集團有限公司玉溪供電段,昆明 650100)

0 引 言

鐵路接觸網作業車(以下簡稱車輛)是鐵路機車供電設備即接觸網設備檢修的專用工程車輛[1],同鐵路機車一樣在鐵路軌道線路上運行,運送鐵路供電設備管理單位專業檢修人員(即接觸網工)和檢修料具,為接觸網工進行電氣化鐵路軌道線路上方接觸設備檢修提供適于高空作業的工作平臺,隨車配置交流發電機組為作業現場使用電動工具、接觸網工車內休息提供交流電源。為保證鐵路行車安全受控和順利進行鐵路運輸行車組織,車輛同鐵路機車一樣安裝有行車安全控制設備GYK和無線通信設備CIR,行車安全控制設備GYK、無線通信設備CIR狀態良好是車輛上線運行的前提條件,狀態不良車輛嚴禁上線運行[2-4]。

現有車輛車載系統主機與行車安全控制設備GYK、無線通信設備CIR統一布置在1個柜體內,共同使用車輛電源,攝像通道電源、錄音通道電源、顯示通道電源、主機電源均由1個電源開關統一集中控制[5],存在以下問題。

1)鐵路接觸網作業以液力傳動車輛為主[6],發動機不起動的情況下長時間開啟系統,極易造成車輛發動機的啟動電源蓄電池虧電,導致車輛不能啟動;運行、作業過程中經過道岔、緊急制動操作等引起車輛顛簸、震動,引起系統任一個通道的電源發生故障,都會造成行車安全控制設備GYK、無線通信設備CIR供電故障,影響車輛正常使用[7]。

2)不能按運用場景對系統各通道進行選擇使用,比如車輛在作業前從駐地車站開往待作業車站過程中不需要開啟平臺攝像通道,但系統開機后全部通道就處于開啟狀態,不能單獨關閉平臺攝像通道,該通道長期開啟造成故障率大幅增加。

3)現用系統的主機主要使用2個廠家(品牌)的定型產品,攝像通道、錄音通道、顯示通道使用的產品較多,系統使用的部件涉及多個廠家(品牌), 系統部件的電源有DC 24 V、DC 12 V兩種規格。部件發生故障或后期需要進行系統升級時,只能使用原廠家(品牌)的產品,不方便故障處理,不利于后期進行其他廠家(品牌)系統的升級和改進。

4)系統與行車安全控制設備GYK、無線通信設備CIR等安裝在同一個柜體內,空間狹窄,不方便操作、維護。

1 系統電路原理

為解決以上問題,研制獨立的車輛車載系統電源柜,實現的功能:隔離系統電路與車輛電路,消除系統故障對車輛正常行車的影響;通過車輛發動機、車載發電機組兩路電源的合理利用,完善外接民用交流電源取電電路,提高系統電源可靠性;通過完善供電、配電系統進行主機、各通道電源獨立供電控制,實現各通道可以選擇性地使用,滿足各種實際運用場景需要;可調整機柜空間,具備DC 24 V、DC 12 V兩種電源規格,滿足系統維護、升級可以使用不同廠家(品牌)產品的需要。

車輛車載系統電路原理如圖1所示，系統電路由蓄電池1、車輛發動機自帶發電機2、車載柴油發電機組3、外接交流電路4、電源柜開關5、DC 24 V/DC 12 V電源轉換模塊6、開關組7、主機8、Ⅰ端攝像機9、Ⅰ端顯示屏10、Ⅰ端拾音器11、Ⅱ端拾音器12、Ⅱ端攝像機13、Ⅱ端顯示屏14、前方攝像機15、后方攝像機16、作業平臺攝像機17組成。

系統的設備電源可以使用DC 12 V,也可以使用DC 24 V,使用DC 12 V設備的配電原理如圖2所示。

圖2 鐵路接觸網作業車車載音像監控系統配電原理

2 電源柜電路原理

2.1 電路結構

電源柜電路包括如系統電路原理圖1所示的蓄電池1、車輛發動機自帶發電機充電電路2、車載柴油發電機組充電電路3、外接交流充電路4、DC 24 V/DC 12 V電源轉換模塊6、電源開關5和開關組7共6部分,各部分功能如下:

1)蓄電池1由2只12 V蓄電池串聯成DC 24 V,為系統各設備提供DC 24 V電源,電量不足時可以進行充電。

2)車輛柴油發動機自帶充電發電機充電電路2由既有充電發電機充電電路[7]和接觸器組成,車輛電源向系統蓄電池充電,向系統各設備供電。

3)車載交流發電機組充電電路3由既有車載交流發電機組交流供電電路和充電模塊組成,交流發電機組發出AC 200 V電源經充電模塊轉換為DC 24 V電源,向系統蓄電池充電,向系統各設備供電。

4)外接交流充電電路4由外接民用AC 220 V電源和充電模塊組成,外接民用AC 200 V電源經充電模塊轉換為DC 24 V電源,向系統蓄電池充電,向系統各設備供電。

5)DC 24 V/DC 12 V電源轉換模塊6把系統蓄電池DC 24 V電源轉換為DC 12 V,為系統的DC 12 V設備供電。

6)電源開關5和開關組7為小型斷路器組,開啟、關閉系統及系統各設備電源。

2.2 工作原理

如圖2所示,電源柜電路工作原理簡述如下:

1)系統自帶獨立蓄電池作為電源,車輛DC 24 V電源通過接觸器、小型斷路器與系統蓄電池連接。車輛電源故障時接觸器控制端子無電,接觸器自動切斷車輛DC 24 V電源與系統蓄電池的連接;系統蓄電池故障時,司機斷開與接觸器連接的小型斷路器,切斷系統蓄電池與車輛DC 24 V電源的連接。在車輛DC 24 V電源電量不足、系統蓄電池故障等特殊情形下,通過接觸器、小型斷路器進行系統蓄電池與車輛DC 24 V電源隔離,實現車輛DC 24 V電源向行車安全控制設備GYK、無線通信設備CIR正常供電,保障車輛正常使用。

2)車輛DC 24 V電源由柴油發動機自帶的發電機充電,車輛柴油發動機啟動后,其自帶發電機發電,發電機中性點N極向接觸器線圈提供控制電壓后接觸器工作,發電機正極發出的電壓經接觸器向系統蓄電池充電,并為系統供電。如果發電機不發電,發電機中性點N極不能向接觸器線圈提供控制電壓,接觸器不工作,系統電源不會反向為車輛供電,此時系統由自身蓄電池供電。由此保障只有在車輛電源處于充電的狀態下,車輛電源才自動向系統蓄電池充電,如果車輛電源故障則自動斷開車輛電源與系統蓄電池的連接。

3)車載交流發電機組與AC 220 V/DC 24 V充電模塊組成系統蓄電池充電電路。啟動車載交流發電機組,將系統AC 220 V插頭插入既有車內側墻上的AC 220 V插座,使用車載交流發電機組向系統蓄電池充電。

4)外接民用AC 220 V電源與AC 220 V/DC 24 V充電模塊組成系統蓄電池充電電路。外接民用AC 220 V電源插座連接系統AC 220 V插頭,使用外接民用AC 220 V電源向系統蓄電池充電。

5)DC 24 V/DC 12 V轉換模塊把系統電源DC 24 V轉換為DC 12 V電源,滿足電源DC 12 V的系統設備使用。通過不同的接線,實現DC 24 V、DC 12 V兩種系統設備均可以使用。

6)系統所有設備均由小型斷路器單獨控制供電,在系統工作中,可按實際需要開啟或關閉任一個攝像通道、顯示屏、錄音通道。

3 電源柜結構及應用

3.1 系統功率

當前在接觸網作業車上廣泛使用的系統有2個主流品牌,2個品牌的主要設備功率如表1所示。

表1 系統主要部件電源規格、功率

品牌1標配系統功率89 W,配大顯示屏系統功率179 W;品牌2標配系統功率129 W,配大顯示屏系統功率169 W。

系統總功率為系統主要設備功率、機柜附件(如散熱風扇等)功率、電線路損耗功率之和,約為200 W,預留后期設備升級,按1.5倍的冗余即系統總功率為300 W。

3.2 電器選型

1)蓄電池:按車內實際空間選用6-QW-120鉛酸蓄電池,單只電壓DC 12 V、容量120 A·h,2只串聯電壓DC 24 V、容量240 A·h。

2)AC 220 V/DC 24 V充電模塊:根據車載交流發電機組、外接交流電源長時間使用,以及小電流充電更安全的應用特點,選用額定輸出DC 24 V、5 A左右的模塊。

3)DC 24 V/DC 12 V電源轉換模塊:系統總電流25 A,選用額定輸出DC 12 V、25 A左右的模塊。

4)DC 24 V接觸器:系統總電流25 A,選用控制電壓DC 24 V、主觸點電流25 A左右的接觸器。

5)小型斷路器:連接DC 24 V接觸器、DC 24 V/DC 12 V轉換模塊的小型斷路器,系統總電流25 A,按32 A選用;連接AC 220 V/DC 24 V充電模塊、控制各通道的小型斷路器,充電電流5 A,按6 A選用。

6)導線:連接DC 24 V接觸器、DC 24 V/DC 12 V轉換模塊的導線,按系統總電流25 A選用,為6 mm2軟導線;連接AC 220 V/DC 24 V充電模塊、控制各通道的導線,按充電電流5 A選用,為2.5 mm2軟導線。

電源柜選用的主要電器品牌及參數如表2所示,電源柜選用的主要電器實物如圖3所示。

表2 電源柜主要電器品牌及參數

圖3 電源柜主要電器

3.3 機柜選型

1)安裝位置。機柜安裝在車輛司機室內側壁AC 220 V插座附近,便于取電。

2)尺寸。按機柜車內安裝位置和選定蓄電池、主機、接觸器、電源轉換模塊、充電模塊、VGA分配器等電器品牌體積,確定尺寸范圍。

3)結構。柜內有活動隔板分層,可按安裝的電器尺寸調整高度;柜門采用鋼化玻璃門,從外部可以觀察柜內電器;柜內四周有線槽、導軌、端子排,便于安裝供電配電線纜、小型斷路器;柜門相對的后蓋板采用柵格網,便于散熱;上面板、兩側面板為可拆卸結構,便于維護。

從車輛內部總體布局,按上述三方面的要求,選擇600 mm×600 mm×1 200 mm機柜。

3.4 電源柜組裝

按優化機柜、機柜內布線、安裝電器、電器接線、通電調試的順序進行組裝。

1)優化機柜。在機柜上面板、后板(即柵格網)上各安裝1個散熱風扇,進行柜內電器的通風散熱;在機柜上面板開1個方形孔,加裝數顯電壓表,用于指示蓄電池電壓;在機柜上面板上安裝系統電源開關(系統電源開關即圖2與DC 24 V/DC 12 V電源轉換模塊連接的2個小型斷路器),加裝磁性防護罩,避免乘車人員誤觸碰系統開關。

2)機柜內布線。沿機柜內布四周線槽內加裝6 mm2軟導線、2.5 mm2軟導線,在導軌上加裝32 A、6 A小型斷路器。

3)安裝電器。調整機柜內隔板位置,機柜分隔成上、下兩部分,下部安裝蓄電池,主機、接觸器、電源轉換模塊、充電模塊、VGA分配器等固定在隔板上。

4)電器接線。對照圖2配電原理圖,各電器、小型斷路器、端子排通過線纜進行連接。

5)通電調試。檢查、核對電器接線與圖2配電原理圖正確無誤后,通電檢查各部端子接線有無松動情況,測量各通道小型斷路器輸出電壓。調試正常后,對各小型斷路器粘貼文字標識。

3.5 電源柜應用

1)開啟系統電源開關后,按需要閉合所需要的通道開關,就可以使用對應通道。車輛發動機啟機后,車輛自動向系統蓄電池充電,通過電源柜上面板上的數顯電壓表觀察蓄電池電壓,判斷蓄電池存電情況。

2)車輛運行中系統故障時,通過斷開車輛充電開關(與24 V接觸器連接的小型斷路器),隔離系統與車輛電路。

3)車輛在待作業的車站長時間停留,此時發動機停機,啟動車載發電機組向系統供電。

4)車輛在駐地停留時,使用外接AC 220 V交流電源向系統供電。

4 結 語

該電源柜結合鐵路接觸網作業車使用特點,解決了現有鐵路接觸網作業車車載音像系統自用電源與車輛電源互相影響、自用電源電量不足難以及時充電、使用中音像設備后期升級電源不匹配等實際問題,研制后經現場使用效果良好。隨著鐵路安全管理“人防、物防、技防” 三防安全管理理念的貫徹實施,以及鐵路接觸網設備規程修制改革現代化裝備的推進,用于強化鐵路供電設備檢修現場管理、提升檢修質量的車載“技防”設備將越來越多[8]。該電源柜原理簡單,安裝方便,對于接觸網作業車專業技術人員有借鑒作用。