鐵道信號(hào)斷相保護(hù)器改進(jìn)方案研究

劉新志 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司南京電務(wù)段

1 問(wèn)題提出

目前鐵路信號(hào)設(shè)備使用的DBQR 型斷相保護(hù)器是與JWXC-1700 型繼電器配合使用于三相交流電動(dòng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的保護(hù)電路中，監(jiān)督、保障三相電機(jī)的正常工作。其內(nèi)部核心采用的是由R 型鐵芯繞制而成的電流互感器，具有一致性好、動(dòng)作靈敏、工作可靠、溫升低、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。但是，隨著轉(zhuǎn)轍設(shè)備控制技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)場(chǎng)需要斷相保護(hù)器同時(shí)具備13 s或30 s 的限時(shí)功能，即在提供輸出的同時(shí)開(kāi)始進(jìn)行記時(shí)，在定時(shí)達(dá)到13 s 時(shí)切斷輸出，控制JWXC-1700 型繼電器落下，從而達(dá)到保護(hù)三相電機(jī)的作用。由于線路上的車次越來(lái)越密集，要求信號(hào)專業(yè)維護(hù)人員的工作量亦越來(lái)越大，設(shè)備發(fā)生障礙時(shí)處理問(wèn)題的時(shí)間越來(lái)越短，如何在較短的時(shí)間內(nèi)完成相應(yīng)的處置任務(wù)，這就要求斷相保護(hù)設(shè)備故障定位非常準(zhǔn)確，縮短信號(hào)工的判斷問(wèn)題時(shí)間。

項(xiàng)目確定后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要，我們提出了在現(xiàn)有DBQR 型斷相保護(hù)器具有的功能基礎(chǔ)上增加冗余設(shè)計(jì)，智能控制，A/B/C 三相實(shí)時(shí)電流顯示和A/B/C 三相各相獨(dú)立斷相或過(guò)流報(bào)警等功能。對(duì)斷相保護(hù)器進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，研制DBQZ 型智能斷相保護(hù)器，以滿足現(xiàn)場(chǎng)的需要。

2 電路結(jié)構(gòu)

DBQZ 型智能斷相保護(hù)器是由電源電路、三相電流檢測(cè)電路、CPU 控制電路、三相電流顯示電路和報(bào)警電路組成。

2.1 電源電路

電源電路有變壓器、整流電路、濾波電路、開(kāi)關(guān)型恒壓電路和冗余設(shè)計(jì)輸出DC24V 電路組成。設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖1 所示：

圖1 雙路DBQ 電源電路設(shè)計(jì)原理圖

為保證斷相保護(hù)器在斷相或轉(zhuǎn)轍機(jī)卡阻過(guò)流等現(xiàn)象的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，DBQZ 型智能斷相保護(hù)器需額外采用電源屏供電。供電電壓采用交流220 V 電壓，供電端子為71，72。冗余設(shè)計(jì)兩路直流24 V輸出控制器，當(dāng)DBQZ 型智能斷相保護(hù)器一組控制出現(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)打開(kāi)另一路控制輸出，保證了1700 繼電器能夠及時(shí)供電。

開(kāi)關(guān)恒流源提供的12 V 和5 V 電源是為DBQZ 型智能斷相保護(hù)器控制及其他電路的供電使用。開(kāi)關(guān)恒流源具有較寬的輸入電壓范圍，除了導(dǎo)通就是截止，不會(huì)產(chǎn)生額外的熱量，提高了器件的可靠性。

2.2 三相電流檢測(cè)電路

三相電流檢測(cè)電路由三組精密的電流傳感器構(gòu)成，可以測(cè)量交流電流的范圍為0 A-20 A，能將交流電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，每安培輸出100 mV 的電壓信號(hào)，再通過(guò)放大電路將微弱的電壓信號(hào)放大為CPU 可識(shí)別的信號(hào)，從而實(shí)時(shí)檢測(cè)電流的變化。三相電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理如圖2。

圖2 三相電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)原理圖

2.3 CPU 控制電路

CPU 控制電路具有的功能有：

（1）具有判斷每相斷相或卡阻（超電流）的能力。

（2）能夠分別測(cè)量每相的電流并實(shí)時(shí)顯示電流值。

（3）具有一相、多相斷相或卡阻報(bào)警功能。

（4）具有正常電流時(shí)給出13 s 或30 s 輸出直流24 V 的功能，斷相或卡阻時(shí)切掉直流24 V 輸出的功能。

（5）具有斷相或卡阻時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)的功能。

（6）端子 3、4 封連時(shí)為 13 s 輸出，不封連時(shí)為30 s 輸出。

（7）具有冗余控制輸出功能。

圖3 CPU 控制電路原理圖

CPU 控制電路設(shè)計(jì)原理見(jiàn)圖3，其核心由帶有定時(shí)器、計(jì)時(shí)器、中斷、模擬量測(cè)量、控制開(kāi)關(guān)量、數(shù)據(jù)總線和地址總線的高速單片機(jī)來(lái)完成。將A/B/C 三相電流檢測(cè)的模擬量信號(hào)進(jìn)行鑒別并處理，控制數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示A/B/C 三相電流。CPU 控制電路實(shí)時(shí)判斷各相電流是否正常，若三相電流正常，輸出控制器輸出13 s 或30 s 持續(xù)的24 V 直流電壓，保證1700 繼電器正常工作。若三相電流一相或多相小于0.5 A 或大于5 A，CPU 控制電路給出斷相或卡阻報(bào)警信息并切斷輸出控制器，不輸出24 V 直流電壓，保證1700 繼電器可靠落下。由于DBQZ 型智能斷相保護(hù)器是電源屏供給的持續(xù)的220 V 電源，所以DBQZ 型智能斷相保護(hù)器能夠保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)碼管顯示當(dāng)前故障信息，便于信號(hào)工查詢故障原因。

2.4 顯示和報(bào)警功能

顯示采用2 位數(shù)碼管構(gòu)成一組顯示，共 3 組，分別是 A、B、C 三相電流顯示，精確度為0.1 A。報(bào)警用高亮紅色發(fā)光二極管顯示。電流正常時(shí)不會(huì)有報(bào)警，二極管不會(huì)發(fā)光，某相斷相或過(guò)流時(shí)，二極管點(diǎn)亮，并保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，數(shù)碼管顯示不正常狀態(tài)的電流值。

3 系統(tǒng)原理

當(dāng)三相轉(zhuǎn)轍機(jī)供電工作正常時(shí)，A、B、C 相電流分別通過(guò)端子 61-51、41-31、21-11 在電流傳感器上產(chǎn)生感應(yīng)電流。CPU 控制電路檢測(cè)到實(shí)時(shí)電流值，判斷其在合適范圍內(nèi)，并實(shí)時(shí)顯示每相電流值。時(shí)間計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，并打開(kāi)控制器輸出24 V 直流電壓，控制JWXC-1700 安全型繼電器工作。當(dāng)計(jì)數(shù)器工作到 13 s 或 30 s 時(shí)，24 V 直流電壓輸出關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)了限時(shí)輸出的功能。

當(dāng)轉(zhuǎn)轍機(jī)缺相或卡阻（過(guò)流）時(shí)，CPU 控制電路檢測(cè)到實(shí)時(shí)電流值，判斷其不在合適范圍內(nèi)，保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)，故障指示燈點(diǎn)亮，顯示故障時(shí)的當(dāng)前電流值。計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，控制輸出電路不輸出直流24 V 電壓，這樣就實(shí)現(xiàn)了斷相保護(hù)功能。信號(hào)工通過(guò)數(shù)碼管和故障指示燈的顯示就可以判定出是哪相缺相或卡阻，方便故障定位，減少工作量，提高工作效率。

4 測(cè)試驗(yàn)證

對(duì)智能斷相保護(hù)器的測(cè)試可通過(guò)下面方法進(jìn)行：

圖4 智能斷相保護(hù)器測(cè)試電路圖

如圖4 所示，DBQZ-智能斷相保護(hù)器；ZOB-三相自耦變壓器；BHJ-保護(hù)繼電器（JWXC-1700）；Ra、Rb、Rc-滑線式變阻器；KA、KB、KC、Ka、Kb、Kc-單聯(lián)開(kāi)關(guān)；KM1、KM2、KM3-同步接觸器 KM 的主接點(diǎn)。

連接在電路中的DBQZ 智能斷相保護(hù)器一次側(cè)繞組分別輸入交流電壓380 V±19 V，調(diào)整負(fù)載電阻，使電流表讀數(shù)為1A, 合上斷路器，DBQZ 智能斷相保護(hù)器的綠指示燈持續(xù)亮，此時(shí)JWXC-1700 繼電器應(yīng)可靠吸起，DBQZ 智能斷相保護(hù)器輸出的直流電壓應(yīng)符合2.3.4 的規(guī)定，13 s（或 30 s）后，綠燈滅，輸出關(guān)閉。重新調(diào)整負(fù)載電阻，使電流表讀數(shù)為5A，合上斷路器，保護(hù)器的綠指示燈持續(xù)亮，此時(shí)繼電器應(yīng)可靠吸起，DBQZ 智能斷相保護(hù)器輸出的直流電壓應(yīng)符合2.3 中第四條的規(guī)定，13 s（或 30 s）后，綠燈滅，輸出關(guān)閉。

當(dāng)三相交流電路輸入、輸出的任一相斷路（切斷開(kāi)關(guān)KA 或Ka、KB 或Kb、KC 或 Kc） 時(shí)，DBQZ 智能斷相保護(hù)器輸出直流電壓應(yīng)切斷并限時(shí)故障報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

DBQZ 型智能斷相保護(hù)器，在原有DBQR 型斷相保護(hù)器原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加電子電路實(shí)現(xiàn)了斷相保護(hù)、限時(shí)輸出、報(bào)警及保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)等功能的合一，從而可減少提速道岔電路中繼電器的數(shù)量及種類，減少設(shè)備成本，提高提速道岔控制電路的安全可靠性。