Глава XII
ЭЛЕКТРОПИТАНИЕ УЗЛОВ СВЯЗИ
§ 53. Общие положения
Наиболее крупные устройства проводной связи железнодорожного транспорта обычно располагают при административных центрах управления (МПС, управления и отделения дорог, крупные железнодорожные станции и т. д.). Здесь эти устройства образуют в своей совокупности узлы связи различной величины и назначения, в которые входят: местная и междугородная телефонные станции, линейноаппаратный зал (ЛАЗ), телеграфная станция, аппаратные связи передачи данных и многочисленные установки избирательной связи. Поскольку все устройства связи располагают вблизи друг от друга и часто в одном здании, то для них устраивается общая электропитающая установка. В целях ее упрощения устройства электропитания, предназначенные для различных устройств связи и создающие одинаковые выходные напряжения, по возможности объединяют друг с другом.
Помимо основного назначения указанной общей электропитающей установки — питания устройств связи, на нее возлагается еще важная дополнительная функция — аварийное освещение важнейших производственных помещений узла связи. Аварийное освещение предусматривается на случай возможного прекращения подачи электрической энергии в вечернее и ночное время и должно обеспечивать не менее 20 % норм обычного производственного освещения. Аварийное освещение устраивается при помощи таких же светильников, как и обычное рабочее освещение, и действует вместе с ним от сети переменного тока (с использованием в случае необходимости переходных трансформаторов). При прекращении подачи переменного тока аварийные светильники автоматически подключаются к одной из аккумуляторных батарей, вследствие чего освещение рабочих помещений узла связи не прекращается полностью, а лишь сокращается.
В состав объединенной электропитающей установки узла связи (рис. 106) входят: щит переменного тока ЩПТ, выпрямительные устройства ВУ1 и ВУ2, аккумуляторные батареи АБ и противоэлементы ПЭ или добавочные аккумуляторы ДА. Каждый комплект выпрямительных устройств и соответствующих аккумуляторных батарей служит для питания определенного устройства связи (например, телефонной станции, ЛАЗа и т. п.).
Коммутация всех цепей переменного тока и распределение электрической энергии по всем потребителям узла связи осуществляются на щите переменного тока ЩПТ, к которому электрическая энергия подводится от ближайших трансформаторных подстанций по двум трехфазным кабелям (фидерам) Фид1 и Фис2.
Рис. 106. Структурная схема электропитающей установки узла связи
Наличие двух фидеров от различных подстанций повышает надежность электроснабжения. При перерыве электроснабжения по обоим фидерам электроэнергия может подаваться от небольшой собственной резервной электростанции узла связи РЭС, управляемой автоматическим запускающим устройством 1. На щите переменного тока устанавливаются также контрольные измерительные приборы и устройства защиты цепей переменного тока от перегрузки.
Устройства связи УС1 и УС2 и т. д. питаются от выпрямительных устройств ВУ1, ВУ2 и т. д., работающих совместно с аккумуляторными батареями АБ, переключаемыми при помощи батарейных коммутационных щитков 2. Напряжение батареи при переходе ее в режим разряда регулируется при помощи противоэлементов ПЭ или добавочных аккумуляторов ДА, коммутируемых при помощи щитков 3. По отдельным цепям происходит питание от ЩПТ осветительной сети узла связи Осв, а также устройств безаккумуляторного питания БП. К щиту ЩПТ подключается также заземление узла связи 3. Питающие напряжения на зажимах устройств связи УС поддерживаются в допустимых пределах при помощи стабилизирующих устройств Ст.
Описанная структурная схема может несколько видоизменяться в зависимости от местных условий и упрощаться для электропитающих установок небольших размеров.
На железнодорожных станциях устройства связи иногда полностью или частично располагаются на постах электрической централизации (ЭЦ), где для них устраиваются отдельные электропитающие установки. Резервирование электроснабжения для питания устройств СЦБ и связи производится в таких случаях от общей резервной дизельной электростанции. В процессе своего развития электропитающие установки все более автоматизируются с целью сокращения количества обслуживающего персонала и повышения экономичности устройств связи.
§ 54. Основная схема электропитающей установки для устройств связи
Выпрямительные устройства для питания устройств связи обычно приспособлены для образования определенных, законченных схем электропитающих установок, обеспечивающих обслуживающему персоналу удобства их эксплуатации. В узлах связи железнодорожного транспорта наиболее часто используется схема, изображенная на рис. 107. В состав электропитающей установки, выполненной по этой схеме, входят два зарядно-буферных выпрямителя В1 и В2 и две одинаковых группы аккумуляторной батареи Б1 и Б2. Выключатели К1 и К2 служат для подключения выпрямителей к сети переменного тока и представляют собой пакетные выключатели или контакторы. Если мощность выпрямителей на стороне постоянного тока не превышает 1 кВт, то выпрямители выполняются по однофазной выпрямительной схеме и выключатели К1 и К2 делают двухполюсными. При большей мощности выпрямители выполняют по трехфазной схеме, а выключатели делаются трехполюсными.
Описываемая схема электропитающей установки позволяет включить любой выпрямитель на буферную работу с любой группой аккумуляторной батареи. В то же время другой выпрямитель может заряжать вторую группу батареи или же эти устройства могут оставаться в резерве отключенными. Если обе группы аккумуляторной батареи полностью заряжены, то они обе могут участвовать в буферной работе. В нормальных условиях питание устройств связи производится именно таким образом, т. е. один из выпрямителей осуществляет буферное питание вместе с обеими группами аккумуляторной батареи, соединенными параллельно. Для этой цели работающий выпрямитель и обе группы батареи подключают выключателями К3—К8 к питаемому устройству связи. Второй выпрямитель остается в резерве и может быть использован для замены первого в случае его неисправности. В описываемой схеме группы аккумуляторной батареи подключаются к выпрямителям и устройствам связи по способу, указанному на рис. 105, в.
Обычно один из полюсов электропитающей установки узла связи заземляется (на рис. 107 показано заземление положительного полюса, как это имеет место в электропитающих установках для телефонных станций). Такое заземление одного из полюсов позволяет значительно упростить схему установки и дает возможность осуществлять коммутацию (переключения) выпрямителей и батарей только на одном полюсе (для схемы, изображенной на рис. 107 — на минусе). Второй же полюс каждого выпрямителя и каждой группы батареи, присоединенный постоянно к общей земляной шине, в переключениях не нуждается. Кроме того, вдвое сокращается число предохранителей, так как на проводах (шинах), соединенных с заземленными полюсами, предохранители не устанавливаются.
Сокращение числа коммутационных элементов наряду с упрощением и удешевлением конструкции электропитающей установки име ет большое значение и в эксплуатации, так как снижает вредные потери напряжения в предохранителях и контактах, а также повышает надежность действия электропитающей установки в целом. Такое снижение потерь напряжения особенно важно при тех относительно невысоких напряжениях, которые используются для питания телефонных станций (24 или 60 В), и больших мощностях.
В схеме предусмотрено включение в цепь питания устройств связи одной или двух групп щелочных противоэлементов ПЭ1 и ПЭ2. Эти противоэлементы включают во время нормальной буферной работы батареи, когда напряжение ее чрезмерно велико для питаемых устройств связи. Противоэлементы снижают напряжение батареи на величину их обшей противо-э. д. с., сложенной с падением напряжения во внутреннем сопротивлении. С прекращением буферной работы, вызванным прекращением подачи электроэнергии из питающей сети, батарея переходит в режим разряда и ее напряжение сразу же несколько снижается. Для компенсации этого первоначального снижения после прекращения подачи электроэнергии специальный контактор контактом К9 автоматически шунтирует первую группу противоэлементов ПЭ1.
Дальнейшее снижение напряжения батареи в процессе ее разряда происходит постепенно и, когда это напряжение достигнет минимально допустимого значения, контактом К10 контактор выключит вторую группу противоэлементов. Такой способ регулирования напряжения батареи при ее разряде соответствует рис. 103, а, однако, заменив противоэлементы полупроводниковыми вентилями, в данной схеме можно применить и способ регулирования напряжения, показанный на рис. 103, в.
Если прекратится подача электроэнергии из сети переменного тока, то прекратится и буферная работа, и батарея будет разряжаться, продолжая бесперебойное питание устройств связи. После возобновления подачи электроэнергии возобновится и прерванная буферная работа. Но при этом необходимо восстановить полный запас электроэнергии в обеих разряженных (частично или полностью) группах батареи. На первый взгляд это можно было бы сделать или отключив обе группы от нагрузки и подключив их на заряд, или зарядив обе группы в то время, когда они остаются подключенными к питаемым устройствам. На самом же деле оба эти способа на практике оказываются очень неудобными. Отключить обе группы батареи от цепи питания устройств связи нежелательно, так как питание от одного лишь зарядно-буферного выпрямителя (без параллельно включенной аккумуляторной батареи) приводит к увеличению пульсаций тока преобразователя. Заряд батареи с одновременным питанием устройств связи на практике производить трудно из-за того, что во время заряда напряжение батареи значительно возрастает и намного превышает максимальные допустимые значения напряжений питания. Вследствие этого обе разряженные группы лучше заряжать, отделив их поочередно от выпрямителя питающего устройства связи и подключив их к резервному выпрямителю. Именно для этой цели батарея и должна состоять из двух одинаковых групп и в электропитающей установке должны быть два одинаковых зарядно-буферных выпрямителя.
В электропитающих установках, находящихся в особо хороших условиях электроснабжения от местной сети переменного тока, при наличии двух выпрямителей В1 и В2, работающих в режиме непрерывного подзаряда, одну из групп батареи (например, Б2) можно исключить, так как необходимое резервирование подачи питающего тока (в описанных благоприятных условиях крайне редкое) может быть достигнуто и с одной группой Б1. Поскольку же исключенная группа Б2 служила не только резервным средством, но и элементом сглаживающего фильтра, то вместо нее нужно включить такой конденсатор, реактивное сопротивление которого было бы равно внутреннему сопротивлению заменяемой группы rб.
Емкость такого конденсатора (в микрофарадах) может быть определена по формуле
где f — частота первой гармоники выпрямительной схемы (100 Гц при однофазной, 300 Гц при трехфазной и 600 Гц при шестифазной мостовой схеме).
Величина rб складывается из сопротивления батареи, всех контактов в ее цепи и проводов, соединяющих ее с батарейным щитком.
При отсутствии в электропитающей установке одной группы батареи Б2 процесс эксплуатации установки изменяется следующим образом. В нормальных условиях устройства связи получают питание от одного из выпрямителей, работающего в буферном режиме с имеющейся группой аккумуляторной батареи. Если подача электроэнергии из сети переменного тока на время прекратится, то батарея будет продолжать питание и частично или полностью разрядится. При возобновлении подачи электроэнергии следует отключить батарею от буферного выпрямителя, который теперь примет питание на себя, и включить ее на заряд от другого выпрямителя. К питающему выпрямителю нужно подключить сглаживающий конденсатор для снижения пульсаций выпрямленного тока. После окончания заряда аккумуляторная батарея вновь переключается на буферную работу.
Емкость каждой группы аккумуляторной батареи должна быть достаточна для питания соответствующих устройств связи при разряде в течение 1 ч, а в случаях особо хорошего электроснабжения — 0,5 ч. При одногруппных батареях емкость должна всегда обеспечивать работу в течение 1 ч. Описанная выше основная схема электропитающей установки (см. рис. 107) может несколько изменяться и дополняться в зависимости от местных условий ее применения. Чаще всего возникает необходимость увеличения ее мощности, для чего можно увеличивать число используемых в ней выпрямительных устройств, соединяя их на параллельную работу. Для регулирования напряжения аккумуляторной батареи при ее аварийном разряде можно вместо противоэлементов применять добавочные аккумуляторы (см. рис. 104, в).
Основная схема электропитающей установки включает в себя некоторые ценные в эксплуатации элементы автоматизации, к числу которых следует, прежде всего, отнести стабилизацию напряжения выпрямительных устройств, а также возможность автоматической коммутации противоэлементов (при наличии соответствующего оборудования, описываемого ниже). Однако такая степень автоматизации все же является ограниченной и недостаточно эффективной в смысле снижения эксплуатационных расходов. В дальнейшем будут описаны устройства, обеспечивающие более полную автоматизацию действия электропитающей установки и входящей в ее состав резервной электростанции.