牽引變電所直流電源應(yīng)急保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

李彥吉，馬建輝

（1 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860；2 河北創(chuàng)科電子科技有限公司，河北 邯鄲 056000）

近年來(lái)，牽引變電所發(fā)生了多起因強(qiáng)電侵入引發(fā)的全所停電退出運(yùn)行的事故。主要原因是雷電流侵入直流自用電系統(tǒng)，造成系統(tǒng)失電癱瘓。牽引變電所綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在直流失電后，一次設(shè)備就處于“無(wú)保護(hù)”狀態(tài)，存在很高的風(fēng)險(xiǎn)。一是無(wú)法及時(shí)切除雷電流，致使雷擊損害事故范圍擴(kuò)大；二是一旦發(fā)生短路、過負(fù)荷等故障時(shí)，各級(jí)斷路器均無(wú)法正常跳閘，可能導(dǎo)致牽引變壓器等高壓設(shè)備損壞、越級(jí)跳閘等重大事故。

中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“國(guó)鐵集團(tuán)”）針對(duì)實(shí)際情況發(fā)布了《牽引變電所二次系統(tǒng)防強(qiáng)電侵入優(yōu)化技術(shù)方案》［1］，要求牽引變電所增設(shè)獨(dú)立的應(yīng)急保護(hù)裝置，當(dāng)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)重要回路失電時(shí)、驅(qū)動(dòng)進(jìn)線高壓側(cè)斷路器跳閘。

1 現(xiàn)狀調(diào)查

由于直流電源系統(tǒng)在繼電保護(hù)中起著重要作用，牽引供電專業(yè)在直流供電系統(tǒng)上做了大量工作。如配置2套蓄電池組、采用防火控制電纜、直流供電系統(tǒng)采用環(huán)網(wǎng)模式、雙套電源繼電保護(hù)設(shè)備等。雖然這些措施增加了直流供電系統(tǒng)的可靠性，但由于線路上的隔離開關(guān)操作機(jī)構(gòu)箱與牽引變電所不共地引起反擊、高速鐵路高架橋占比高遭受雷擊的可能性大、饋線短路電流大等特殊的運(yùn)行工況，仍舊發(fā)生了多起直流電源失電的事故。

應(yīng)國(guó)鐵集團(tuán)解決獨(dú)立應(yīng)急保護(hù)的需求，國(guó)內(nèi)部分線路上是再增加一組“小容量蓄電池系統(tǒng)+應(yīng)急保護(hù)裝置”的方案，該方案實(shí)際上就是再增加1套直流電源，并將變壓器模擬量和火災(zāi)等告警信號(hào)引入裝置進(jìn)行綜合判斷。該方案要新立測(cè)控屏，前期投資費(fèi)用高；為安裝和蓄電池組相配套的充電設(shè)備，需要添加屏位，加大現(xiàn)場(chǎng)改造工作量；由于蓄電池后期需要不斷維護(hù)（特別是小容量蓄電池組的一致性較差），又增加了后期的維護(hù)成本和維護(hù)人員的工作量；最重要的是，相比于目前牽引變電所的直流系統(tǒng)，新增電源（尤其是電池）仍是相同的技術(shù)和相同的原理，安全性未有提升，只是徒增成本和工作量，性能難以達(dá)到要求。

2 應(yīng)急保護(hù)原理

本設(shè)計(jì)采用法拉電容作為儲(chǔ)能元件和雙路小容量恒流限壓電源供電的方案，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。設(shè)計(jì)方案充分利用了恒流源和儲(chǔ)能電容2個(gè)器件的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行組合，從而形成高可靠性直流應(yīng)急電源解決方案。

圖1 裝置原理結(jié)構(gòu)圖

AC 220 V交流電經(jīng)過變壓器隔離、整流模塊整流后輸出DC 110 V直流電，直流電源為裝置提供工作、控制電源。該裝置的獨(dú)立電源部分配裝交、直流避雷器，為裝置在遭遇雷擊和過壓時(shí)提供保護(hù)，另外配備一組6 F/135 V電容組，可以在變電所直流系統(tǒng)故障時(shí)提供電源，電容組正常充電電壓在116±2 V，最低允許工作電壓99 V，在電容組單獨(dú)供電時(shí)可以維持到15 min以上。

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)

超級(jí)電容又叫做法拉電容、黃金電容，是通過極化電解質(zhì)儲(chǔ)能的一種電化學(xué)元件。它不同于傳統(tǒng)的化學(xué)電源，介于傳統(tǒng)電容和電池之間，是一種具有特殊性能的電源，主要依靠雙電層和氧化還原加電容電荷儲(chǔ)存電能，其存儲(chǔ)過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲(chǔ)能過程可逆，因此超級(jí)電容可以反復(fù)充放電數(shù)10萬(wàn)次。

電容充滿電后可以儲(chǔ)存116 V×6 F=696 C電量，DC 110 V系統(tǒng)直流最低電壓1.80 V×54=97.2 V（按蓄電池核算），在此電壓下降區(qū)間電容共可提供電量約為114 C。按照1 C=1 A·s，在超級(jí)電容作為后備電源以1 A用電負(fù)荷可以持續(xù)工作114 s，約2 min；而驅(qū)動(dòng)跳閘電流時(shí)脈動(dòng)電流時(shí)間較短約30～500 ms，維持本機(jī)正常工作的電流約100 mA，所以電容作為后備電源有效工作時(shí)間約在19 min以上，完全能滿足變壓器脫保護(hù)后跳閘的需要。

法拉電容作為后備電源的突出優(yōu)點(diǎn)是功率密度高，可達(dá)到300～5 000 W/kg，相當(dāng)于電池的5～10倍，充電時(shí)間短、循環(huán)壽命長(zhǎng)，沒有“記憶效應(yīng)”，長(zhǎng)期使用免維護(hù)，減少了后期的維護(hù)成本；最重要的是法拉電容的儲(chǔ)存原理不同于電池，能很好地應(yīng)對(duì)電流沖擊，并且對(duì)電壓的耐受性好。總體性能很好地滿足現(xiàn)場(chǎng)需求。雙路小容量恒流限壓電源以橋接方式對(duì)儲(chǔ)能電容進(jìn)行充電，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)短路沖擊耐受性高。

2.2 動(dòng)作邏輯

牽引變電所直流電源應(yīng)急保護(hù)裝置設(shè)置獨(dú)立電源系統(tǒng)為其自身提供工作電源和控制電源，該裝置可采集地震信號(hào)、火災(zāi)信號(hào)、牽引變電所一次回路的電流信號(hào)、電壓信號(hào)、直流母線電壓信號(hào)等進(jìn)行綜合判斷，確保應(yīng)急保護(hù)的動(dòng)作條件準(zhǔn)確、可靠，如圖2所示。

圖2 綜合應(yīng)急保護(hù)裝置工作邏輯圖

首先該裝置判斷自身工作、控制電壓和超級(jí)電容儲(chǔ)存能量是否滿足要求，只有本裝置工作正常才進(jìn)行跳閘邏輯判斷處理。

保護(hù)電源失效的判據(jù)：兩段直流母線電壓同時(shí)低于設(shè)定值，并且此時(shí)主變壓器電流大于設(shè)定值，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，判定保護(hù)電源失效，延時(shí)啟動(dòng)跳閘，發(fā)出聲光報(bào)警，報(bào)警信息可通過串口遠(yuǎn)傳到上位機(jī)端，否則發(fā)出報(bào)警，不啟動(dòng)跳閘。

2.3 直流母線監(jiān)測(cè)

分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩段直流母線的電壓，將模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳入主控制器中，經(jīng)過邏輯判斷，當(dāng)監(jiān)測(cè)值小于預(yù)警值時(shí)發(fā)出預(yù)警提示。當(dāng)一段母線電壓小于設(shè)定母線報(bào)警電壓發(fā)出報(bào)警提示，報(bào)警信息可以發(fā)送到遠(yuǎn)端；當(dāng)兩段母線電壓同時(shí)低于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，并且此時(shí)主變電流大于設(shè)定值，啟動(dòng)延時(shí)跳閘邏輯，跳開高壓側(cè)斷路器。

2.4 主變壓器電流及低壓側(cè)電壓

為了不對(duì)既有系統(tǒng)造成影響，電流回路采用穿心互感器實(shí)現(xiàn)A、B、C三相電流的采集。電壓回路采用串聯(lián)自動(dòng)開關(guān)并接的方式。

2.5 地震及其火災(zāi)信號(hào)采集

采集外界地震、火災(zāi)信號(hào)，進(jìn)行綜合判斷。只有兩路地震（火災(zāi)）信號(hào)同時(shí)有效，延時(shí)時(shí)間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，判斷定地震（火災(zāi)）發(fā)生，才啟動(dòng)跳閘邏輯。

3 應(yīng)急保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

牽引變電所直流電源應(yīng)急保護(hù)裝置包括交流系統(tǒng)獨(dú)立供電部分、二次系統(tǒng)電壓監(jiān)測(cè)部分、信號(hào)檢測(cè)部分、一次側(cè)電流檢測(cè)部分、邏輯分析控制部分、液晶顯示屏部分、跳閘執(zhí)行器以及通信總線。

3.1 邏輯分析控制、液晶顯示部分

邏輯控制部分和顯示部分集中在一起，采用5寸WINCE觸摸屏方案。該顯示屏采用低功耗32位高速ARM處理器，核心主頻可到達(dá)533 MHz，另外提供多路通訊接口，可以擴(kuò)展多種外圍設(shè)備，為裝置的功能擴(kuò)充提供硬件支持。另外WINCE操作系統(tǒng)可以提供良好人機(jī)界面和消息循環(huán)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)控制、監(jiān)測(cè)以及報(bào)警多任務(wù)處理。

3.2 直流電壓監(jiān)測(cè)

直流電壓模塊監(jiān)測(cè)兩段母線電壓以及本機(jī)電壓，根據(jù)邏輯分合繼電器。

3.2.1 母線電壓監(jiān)測(cè)

直流母線監(jiān)測(cè)模塊采用低功耗單片機(jī)，該芯片自帶模擬量監(jiān)測(cè)通道，可以采集到mV級(jí)電壓，分辨率達(dá)到0.1 mV。采集回路前端通過高精度電阻分壓后，采用一階RC低通濾波電路，之后配置TVS管以保護(hù)后端處理器。

該監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集母線電壓，并通過通訊總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭壕э@示屏。判斷邏輯如下：兩段母線分別獨(dú)立監(jiān)測(cè)模塊，任意一段電壓小于預(yù)設(shè)值，例如小于100 V時(shí)（電壓限值可設(shè)），裝置發(fā)出母線電壓預(yù)警信息，可通過裝置串行輸出口發(fā)送到上位機(jī)或者其他遠(yuǎn)端監(jiān)控屏；當(dāng)兩段母線同時(shí)低于告警設(shè)定值時(shí)，同時(shí)交流側(cè)電流大于設(shè)定值，閉合跳閘允許繼電器，啟動(dòng)延時(shí)確準(zhǔn)程序，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)告警狀態(tài)未消除，如果此時(shí)手動(dòng)、自動(dòng)切換開關(guān)在自動(dòng)位置，閉合跳閘繼電器，跳開主變高壓側(cè)斷路器，綜合應(yīng)急保護(hù)動(dòng)作成功，并且在報(bào)警信息記錄該事件；如果此時(shí)手動(dòng)、自動(dòng)切換開關(guān)在手動(dòng)位置，只在報(bào)警信息表中增加此報(bào)警信息，不啟動(dòng)跳閘程序，通過手動(dòng)閉合開關(guān)完成跳閘。

3.2.2 本機(jī)電壓監(jiān)測(cè)

本機(jī)電壓監(jiān)測(cè)模擬量采集原理同上。判斷邏輯如下：當(dāng)本機(jī)電壓小于設(shè)定預(yù)警值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示本機(jī)電壓低，分開跳閘允許繼電器，以防止此時(shí)發(fā)生綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)電源失效，因?yàn)楸緳C(jī)跳閘能量不充分，使得一次側(cè)高壓斷路器處于不確定分合位置，造成事故。

如果在本機(jī)預(yù)警、告警時(shí)發(fā)生綜合自動(dòng)控制系統(tǒng)電源失效，只發(fā)出告警信息提示。

3.3 交流電流監(jiān)測(cè)

交流監(jiān)測(cè)模塊用于采集主變高壓側(cè)三相電流，采集芯片同母線電壓監(jiān)測(cè)部分。電路設(shè)計(jì)部分采用TA1005-1M互感器，絕緣電阻常態(tài)大于1 000 MΩ，抗電強(qiáng)度可承受工頻每分鐘2 000 V、50 Hz。監(jiān)測(cè)芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主變高壓側(cè)電流，將采集到的數(shù)據(jù)通過通信總線傳到顯示控制模塊，顯示控制模塊顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)，并根據(jù)跳閘控制邏輯實(shí)施應(yīng)急保護(hù)功能。

當(dāng)電流大于設(shè)定值時(shí)，發(fā)出告警提示信息，并將告警信息添加到告警信息列表中，并且此時(shí)兩段直流母線電壓均低于設(shè)定值，閉合跳閘允許繼電器，啟動(dòng)跳閘延時(shí)確認(rèn)程序，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，啟動(dòng)跳閘功能，跳開主變壓器高壓側(cè)斷路器，完成在既有直流電源退出，其他設(shè)備都無(wú)法正常工作時(shí)應(yīng)急保護(hù)。

3.4 地震、火災(zāi)監(jiān)測(cè)

地震、火災(zāi)監(jiān)測(cè)由開關(guān)量采集模塊來(lái)完成，分別采集地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的2組獨(dú)立無(wú)源常開接點(diǎn)和煙霧探測(cè)器的動(dòng)作接點(diǎn)。

開關(guān)量監(jiān)測(cè)模塊采集接口提供DC 110 V電壓，通過光耦隔離輸入到控制芯片中，控制芯片根據(jù)監(jiān)測(cè)到的電壓來(lái)區(qū)分當(dāng)前接點(diǎn)分合位置，在程序中設(shè)置了報(bào)警門限，檢測(cè)到的電壓小于DC 50 V時(shí)判斷分?jǐn)酄顟B(tài)，大于50 V時(shí)判定閉合狀態(tài)，這樣可以有效消除線路干擾的影響。

3.5 跳閘控制

跳閘控制根據(jù)以上監(jiān)測(cè)到的信息以及控制邏輯輸出的判斷結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)主變壓器高壓側(cè)斷路器跳閘線圈，完成跳閘操作。

該控制執(zhí)行器采用歐姆龍G2RL-1A-E-24 V高容量繼電器，觸點(diǎn)最大電壓DC 300 V，最大電流16 A，分合次數(shù)可達(dá)到10萬(wàn)次。

4 結(jié)束語(yǔ)

牽引變電所綜合應(yīng)急保護(hù)裝置研制完成，并在某變電所進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)安裝試運(yùn)行。

（1）牽引變電所直流電源應(yīng)急保護(hù)裝置充電采用雙路小容量恒流限壓電源、橋接方式，電路體積較小，電路簡(jiǎn)單、對(duì)短路沖擊的耐受性更高。

（2）采用超級(jí)電容作為儲(chǔ)能元件，體積小、耐沖擊電流大，充放電壽命可達(dá)數(shù)10萬(wàn)次，加上限壓、限流保護(hù)等措施，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，技術(shù)成熟，長(zhǎng)期免維護(hù)、故障率極低。

（3）采用嵌入式軟件綜合故障分析和邏輯判斷，智能控制跳閘動(dòng)作并配合硬件閉鎖。通過多電源互投的冗余技術(shù)為裝置提供電源并把電能存儲(chǔ)在法拉電容中，當(dāng)變電所由于保護(hù)電源失電而導(dǎo)致變壓器脫保護(hù)，本裝置可以通過法拉電容儲(chǔ)存的電能在有效的工作時(shí)間內(nèi)跳開主變高壓側(cè)斷路器，以實(shí)現(xiàn)主變脫保護(hù)后對(duì)變壓器的最后一級(jí)保護(hù)功能。

（4）該裝置尺寸只有475×250×250（長(zhǎng)×寬×高，單位mm），大小等同一塊100 Ah的蓄電池，可直接放置在原電池屏中，如圖3所示。

圖3 應(yīng)急保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝圖