牽引變電所直流電源應急保護裝置的設計

李彥吉，馬建輝

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

近年來，牽引變電所發生了多起因強電侵入引發的全所停電退出運行的事故。主要原因是雷電流侵入直流自用電系統，造成系統失電癱瘓。牽引變電所綜合自動化系統在直流失電后，一次設備就處于“無保護”狀態，存在很高的風險。一是無法及時切除雷電流，致使雷擊損害事故范圍擴大；二是一旦發生短路、過負荷等故障時，各級斷路器均無法正常跳閘，可能導致牽引變壓器等高壓設備損壞、越級跳閘等重大事故。

中國國家鐵路集團有限公司（以下簡稱“國鐵集團”）針對實際情況發布了《牽引變電所二次系統防強電侵入優化技術方案》［1］，要求牽引變電所增設獨立的應急保護裝置，當綜合自動化系統重要回路失電時、驅動進線高壓側斷路器跳閘。

1 現狀調查

由于直流電源系統在繼電保護中起著重要作用，牽引供電專業在直流供電系統上做了大量工作。如配置2套蓄電池組、采用防火控制電纜、直流供電系統采用環網模式、雙套電源繼電保護設備等。雖然這些措施增加了直流供電系統的可靠性，但由于線路上的隔離開關操作機構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行工況，仍舊發生了多起直流電源失電的事故。

應國鐵集團解決獨立應急保護的需求，國內部分線路上是再增加一組“小容量蓄電池系統+應急保護裝置”的方案，該方案實際上就是再增加1套直流電源，并將變壓器模擬量和火災等告警信號引入裝置進行綜合判斷。該方案要新立測控屏，前期投資費用高；為安裝和蓄電池組相配套的充電設備，需要添加屏位，加大現場改造工作量；由于蓄電池后期需要不斷維護（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成本和維護人員的工作量；最重要的是，相比于目前牽引變電所的直流系統，新增電源（尤其是電池）仍是相同的技術和相同的原理，安全性未有提升，只是徒增成本和工作量，性能難以達到要求。

2 應急保護原理

本設計采用法拉電容作為儲能元件和雙路小容量恒流限壓電源供電的方案，結構原理如圖1所示。設計方案充分利用了恒流源和儲能電容2個器件的優點進行組合，從而形成高可靠性直流應急電源解決方案。

圖1 裝置原理結構圖

AC 220 V交流電經過變壓器隔離、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提供保護，另外配備一組6 F/135 V電容組，可以在變電所直流系統故障時提供電源，電容組正常充電電壓在116±2 V，最低允許工作電壓99 V，在電容組單獨供電時可以維持到15 min以上。

2.1 儲能系統

超級電容又叫做法拉電容、黃金電容，是通過極化電解質儲能的一種電化學元件。它不同于傳統的化學電源，介于傳統電容和電池之間，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存電能，其存儲過程不發生化學反應，儲能過程可逆，因此超級電容可以反復充放電數10萬次。

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

法拉電容作為后備電源的突出優點是功率密度高，可達到300～5 000 W/kg，相當于電池的5～10倍，充電時間短、循環壽命長，沒有“記憶效應”，長期使用免維護，減少了后期的維護成本；最重要的是法拉電容的儲存原理不同于電池，能很好地應對電流沖擊，并且對電壓的耐受性好。總體性能很好地滿足現場需求。雙路小容量恒流限壓電源以橋接方式對儲能電容進行充電，電路結構簡單，對短路沖擊耐受性高。

2.2 動作邏輯

牽引變電所直流電源應急保護裝置設置獨立電源系統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、火災信號、牽引變電所一次回路的電流信號、電壓信號、直流母線電壓信號等進行綜合判斷，確保應急保護的動作條件準確、可靠，如圖2所示。

圖2 綜合應急保護裝置工作邏輯圖

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

保護電源失效的判據：兩段直流母線電壓同時低于設定值，并且此時主變壓器電流大于設定值，在延時時間內狀態未恢復，判定保護電源失效，延時啟動跳閘，發出聲光報警，報警信息可通過串口遠傳到上位機端，否則發出報警，不啟動跳閘。

2.3 直流母線監測

分別實時監測兩段直流母線的電壓，將模擬量數據經過模數轉換器轉變為數字量傳入主控制器中，經過邏輯判斷，當監測值小于預警值時發出預警提示。當一段母線電壓小于設定母線報警電壓發出報警提示，報警信息可以發送到遠端；當兩段母線電壓同時低于設定的報警值時，并且此時主變電流大于設定值，啟動延時跳閘邏輯，跳開高壓側斷路器。

2.4 主變壓器電流及低壓側電壓

為了不對既有系統造成影響，電流回路采用穿心互感器實現A、B、C三相電流的采集。電壓回路采用串聯自動開關并接的方式。

2.5 地震及其火災信號采集

采集外界地震、火災信號，進行綜合判斷。只有兩路地震（火災）信號同時有效，延時時間內狀態未恢復，判斷定地震（火災）發生，才啟動跳閘邏輯。

3 應急保護裝置結構

牽引變電所直流電源應急保護裝置包括交流系統獨立供電部分、二次系統電壓監測部分、信號檢測部分、一次側電流檢測部分、邏輯分析控制部分、液晶顯示屏部分、跳閘執行器以及通信總線。

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533 MHz，另外提供多路通訊接口，可以擴展多種外圍設備，為裝置的功能擴充提供硬件支持。另外WINCE操作系統可以提供良好人機界面和消息循環機制，可以實現控制、監測以及報警多任務處理。

3.2 直流電壓監測

直流電壓模塊監測兩段母線電壓以及本機電壓，根據邏輯分合繼電器。

3.2.1 母線電壓監測

直流母線監測模塊采用低功耗單片機，該芯片自帶模擬量監測通道，可以采集到mV級電壓，分辨率達到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管以保護后端處理器。

該監測模塊實時采集母線電壓，并通過通訊總線將數據傳輸到液晶顯示屏。判斷邏輯如下：兩段母線分別獨立監測模塊，任意一段電壓小于預設值，例如小于100 V時（電壓限值可設），裝置發出母線電壓預警信息，可通過裝置串行輸出口發送到上位機或者其他遠端監控屏；當兩段母線同時低于告警設定值時，同時交流側電流大于設定值，閉合跳閘允許繼電器，啟動延時確準程序，在延時時間內告警狀態未消除，如果此時手動、自動切換開關在自動位置，閉合跳閘繼電器，跳開主變高壓側斷路器，綜合應急保護動作成功，并且在報警信息記錄該事件；如果此時手動、自動切換開關在手動位置，只在報警信息表中增加此報警信息，不啟動跳閘程序，通過手動閉合開關完成跳閘。

3.2.2 本機電壓監測

本機電壓監測模擬量采集原理同上。判斷邏輯如下：當本機電壓小于設定預警值時，發出預警信號，提示本機電壓低，分開跳閘允許繼電器，以防止此時發生綜合自動控制系統電源失效，因為本機跳閘能量不充分，使得一次側高壓斷路器處于不確定分合位置，造成事故。

如果在本機預警、告警時發生綜合自動控制系統電源失效，只發出告警信息提示。

3.3 交流電流監測

交流監測模塊用于采集主變高壓側三相電流，采集芯片同母線電壓監測部分。電路設計部分采用TA1005-1M互感器，絕緣電阻常態大于1 000 MΩ，抗電強度可承受工頻每分鐘2 000 V、50 Hz。監測芯片實時監測主變高壓側電流，將采集到的數據通過通信總線傳到顯示控制模塊，顯示控制模塊顯示當前數據，并根據跳閘控制邏輯實施應急保護功能。

當電流大于設定值時，發出告警提示信息，并將告警信息添加到告警信息列表中，并且此時兩段直流母線電壓均低于設定值，閉合跳閘允許繼電器，啟動跳閘延時確認程序，在延時時間內狀態未恢復，啟動跳閘功能，跳開主變壓器高壓側斷路器，完成在既有直流電源退出，其他設備都無法正常工作時應急保護。

3.4 地震、火災監測

地震、火災監測由開關量采集模塊來完成，分別采集地震監測系統提供的2組獨立無源常開接點和煙霧探測器的動作接點。

開關量監測模塊采集接口提供DC 110 V電壓，通過光耦隔離輸入到控制芯片中，控制芯片根據監測到的電壓來區分當前接點分合位置，在程序中設置了報警門限，檢測到的電壓小于DC 50 V時判斷分斷狀態，大于50 V時判定閉合狀態，這樣可以有效消除線路干擾的影響。

3.5 跳閘控制

跳閘控制根據以上監測到的信息以及控制邏輯輸出的判斷結果來驅動主變壓器高壓側斷路器跳閘線圈，完成跳閘操作。

該控制執行器采用歐姆龍G2RL-1A-E-24 V高容量繼電器，觸點最大電壓DC 300 V，最大電流16 A，分合次數可達到10萬次。

4 結束語

牽引變電所綜合應急保護裝置研制完成，并在某變電所進行了現場安裝試運行。

（1）牽引變電所直流電源應急保護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，電路簡單、對短路沖擊的耐受性更高。

（2）采用超級電容作為儲能元件，體積小、耐沖擊電流大，充放電壽命可達數10萬次，加上限壓、限流保護等措施，結構相對簡單，技術成熟，長期免維護、故障率極低。

（3）采用嵌入式軟件綜合故障分析和邏輯判斷，智能控制跳閘動作并配合硬件閉鎖。通過多電源互投的冗余技術為裝置提供電源并把電能存儲在法拉電容中，當變電所由于保護電源失電而導致變壓器脫保護，本裝置可以通過法拉電容儲存的電能在有效的工作時間內跳開主變高壓側斷路器，以實現主變脫保護后對變壓器的最后一級保護功能。

（4）該裝置尺寸只有475×250×250（長×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 應急保護裝置現場安裝圖