铁路信号电源系统零线电流的分析

 ,梁文燕

摘要：铁路信号电源系统是为各种信号设备集中供电的电源设备。实际应用中会发现部分站场即使在三相负载相对平衡时，零线也会存在较大电流，本文重点对此现象原因进行分析。

Abstract: The Railway signal power supply system equipments is a kind of power supply equipment for all kinds of signal equipments. In practical application, it is found that even when the three-phase load is relatively balanced, the zero-line  still have large current, this article focuses on the analysis of this phenomenon.

关键词：铁路信号电源系统  UPS  零线电流

一、现状概述

铁路信号电源系统，是为铁路信号设备如计算机联锁、列控、轨道电路、继电器等供电的设备，是铁路信号系统正常运行的保证。随着铁路跨入高速时代，不间断电源系统即UPS在铁路电源系统中的运用也日益普遍。

在一些站场，我们对信号电源系统的运行情况进行测试，发现了一些“奇怪”的现象，即零线中有较大的电流。传统观念认为，在三相四线制的配电系统中，如果三相负载平衡，那么电网中的零线电流应该很小。然而在实际测试时发现有些站场的零线电流较大，可以达到火线电流的0.8～1.5倍之间，且测量可发现其零线电流的频率为150Hz，而有些站场零线电流很小。针对此现象进行具体分析，主要原因为采用高频UPS时因需零线参与工作和负载为非线性等因素导致。具体分析如下：

二、原因分析

1、UPS的影响

UPS是一种含有储能装置的不间断电源设备，且其逆变输出电源不受输入端电网波动影响，在电网电压波动、畸变等情况下都可以输出稳定性极高的正弦波。目前铁路信号电源系统已基本都采用UPS稳压的工作方式设计。

UPS正常供电时，交流电由输入端经开关送入整流器，整流器将电流整流为直流电后输出，给电池充电，并供给逆变器，逆变器再将直流电转化为交流电，同时进行滤波，使输出电源变成稳定的交流电源，然后通过静态转化开关后供给负载。UPS可分为工频机和高频机，工频机在逆变输出时会使用变压器，而高频机则无变压器。

经对多个站场、多种型号UPS进行测试，发现UPS均为市电逆变的工作状态时，使用高频UPS的站场零线电流都较大，而使用工频UPS的站场零线电流都较小，因此不同类型的UPS会对零线电流产生不同的影响。下面分别通过对工频和高频UPS工作原理分析其零线电流不同的原因。

（1）工频UPS的工作原理

工频UPS采用可控硅整流器，其逆变器输出端采用隔离变压器进行升压和隔离直流成分。UPS的输出零线是由输出变压器二次侧中性点引出，整流部分不需要零线参与，电池直接接在整流器输出侧，因工频UPS整流部分不需要零线参与工作，故工频UPS在正常逆变的工作状态下其零线不会有电流。工频UPS的工作原如图1所示：

图1 工频UPS原理示意图

（2）高频UPS的工作原理

随着技术的不断发展，高频UPS因其输入功率因数高、本身功耗小、对外干扰小、体积小、对电网的适应能力强等特点逐渐取代工频UPS成为市场发展趋势。与工频UPS比较,大部分高频UPS使用IGBT高频整流器，其整流属于升压整流模式，整流后的直流电压升至800V左右，可直接通过逆变器调制滤波后输出所需的稳定电压，从而省掉了升压功能的输出隔离变压器。高频UPS输入三相整流器均设计为三个独立的单相整流器，三个单相整流器共用输入零线，此方式不可避免整流器和逆变器的高频谐波耦合在零线上，产生零线电流。高频UPS的工作原理如图2所示：

图2高频UPS原理示意图

综上，工频UPS内含有隔离变压器，其输出零线由变压器引出供后面负载端使用，且与整流器、逆变器隔离，零线不参与整流工作，并减少了整流、逆变产生的高频谐波给输出零线带来的干扰，因此工频UPS的零线电流极小；而高频UPS零线会引入整流器并作为三个单相整流器的共用零线而参与工作，零线将不可避免的存在电流，且逆变产生的高频谐波也带来干扰，会产生零线电流。因此，根据工频UPS和高频UPS的工作过程可看出使用高频UPS时其零线电流不可避免，而工频UPS因不需零线参与工作而无零线电流。

2、非线性负载对零线电流的影响

铁路信号电源的负载主要为非线性负载，且使用开关电源、计算机等类似设备越来越多，这些负载的输入端大部分是单向整流电路构成，经过整流时，会在相线上产生大量的谐波电流。单相整流电路引起的谐波电流中三次谐波电流占比最高。典型的单向整流电路如下图3中所示，这种电路从电网中吸收电流大多数为脉冲状如图4所示。

图3单向整流器的电路图

图4单向整流器的电流电压脉冲图

当相电流波形为正弦波时，相邻两相之间相差120°，在频率相同、幅度相同时，零线上叠加的矢量总和为0。如果相电流为脉冲波形,其同样相差120°，他们在中线上叠加的效果如图5所示，当其中一相上出现电流时，其余两相上的电流为0，因此在零线上不会发生抵消，且相线上出现的每个电流脉冲都会出现在零线上，零线上的电流脉冲数是相线上的脉冲数的3倍，故零线上一个周期的脉冲电流个数为三个，即频率为150Hz。

图5在零线上叠加的波形图

根据以上分析可明确，负载设备为非线性负载时，即使三相处于平衡状态，零线上仍然会叠加出较大的电流。而高频UPS内部也采用高频功率器件实现电压变换，本身也属于非线性阻抗，再加上信号系统设备中存在较多单相整流型非线性负载，零线电流就会超出相线电流。并且根据上述分析可知，随着现代电子设备的发展及越来越多的应用，零线电流较大现象也将越来越普遍。

三、零线电流的应对

传统观点认为，零线中的电流没有相线的电流大，故一些工程选择零线往往比相线细。实际上三相负荷本身就不可能绝对平衡，加之近些年UPS的大量应用，单相整流电路的非线性负载越来越多，即使三相负载相对平衡，零线总是有一定电流。如果零线电流较大，超过其额定载流量可能会导致零线过热，甚至有火灾隐患。所以在工程配线时，必须充分考虑电线的阻燃、耐高温等特性，并合理选择零线线径。但加粗零线线径仅能够解决零线过热的问题，无法消除零线电流。

如果需消除零线电流，目前常用的的方法有：

1）并联无源滤波器或有源滤波器，滤波器可以滤除各次谐波电流，但此方法仅能够解决滤波器接入点上游的谐波问题，而接入点下游的谐波电流基本不受影响，因此高频谐波对负载侧的设备的影响依然存在。

2）在负载设备的电源输入端串联单相的滤波器，此方法可以解决三次谐波导致的各种问题，但必须在全部谐波源负载端安装滤波器，将会大量增加成本。

3）使用零线谐波电流阻断器，将其串联安装在零线上，就能够解决安装位置下游的三次谐波导致的各种问题，但零线谐波电流阻断器可能会带来零线电压偏移，电压畸变较大等问题。

4）并联曲折变压器，此方法可以有效解决3次谐波导致的各种问题，但曲折变压器本身体积大、损耗大、且制作精度要求高。

根据以上零线电流的消除方法可看出每种方案各有优缺点，是否需要消除零线及消除方法需根据实际情况选择。

四、结语

通过以上分析可看出，由于非线性负载设备越来越多的使用，零线上存在较大电流的情况将会越来越普遍。故在进行铁路信号电源系统设计及工程配线时，务必考虑零线线径是否能满足使用要求等问题。另外，也可根据站场的实际情况，选择是否需要进行零线电流的消除及适合的消除方法。