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(chuàng)科電子科技有限公司，河北 邯鄲 056000）

近年來，牽引變電所發(fā)生了多起因強電侵入引發(fā)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(tǒng)，造成系統(tǒng)失電癱瘓。牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)在直流失電后，一次設(shè)備就處于“無保護”狀態(tài)，存在很高的風(fēng)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(fā)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(dǎo)致牽引變壓器等高壓設(shè)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(fā)布了《牽引變電所二次系統(tǒng)防強電侵入優(yōu)化技術(shù)方案》［1］，要求牽引變電所增設(shè)獨立的應(yīng)急保護裝置，當(dāng)綜合自動化系統(tǒng)重要回路失電時、驅(qū)動進線高壓側(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行工況，仍舊發(fā)生了多起直流電源失電的事故。

應(yīng)國鐵集團解決獨立應(yīng)急保護的需求，國內(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(zāi)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(shè)備，需要添加屏位，加大現(xiàn)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(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，性能難以達到要求。

2 應(yīng)急保護原理

本設(shè)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(jié)構(gòu)原理如圖1所示。設(shè)計方案充分利用了恒流源和儲能電容2個器件的優(yōu)點進行組合，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(tǒng)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(tǒng)

超級電容又叫做法拉電容、黃金電容，是通過極化電解質(zhì)儲能的一種電化學(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存電能，其存儲過程不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，儲能過程可逆，因此超級電容可以反復(fù)充放電數(shù)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(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，在超級電容作為后備電源以1 A用電負荷可以持續(xù)工作114 s，約2 min；而驅(qū)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(yōu)點是功率密度高，可達到300～5 000 W/kg，相當(dāng)于電池的5～10倍，充電時間短、循環(huán)壽命長，沒有“記憶效應(yīng)”，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(yīng)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(yīng)急保護裝置設(shè)置獨立電源系統(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、火災(zāi)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(yīng)急保護的動作條件準(zhǔn)確、可靠，如圖2所示。

圖2 綜合應(yīng)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(jù)：兩段直流母線電壓同時低于設(shè)定值，并且此時主變壓器電流大于設(shè)定值，在延時時間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，判定保護電源失效，延時啟動跳閘，發(fā)出聲光報警，報警信息可通過串口遠傳到上位機端，否則發(fā)出報警，不啟動跳閘。

2.3 直流母線監(jiān)測

分別實時監(jiān)測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)測值小于預(yù)警值時發(fā)出預(yù)警提示。當(dāng)一段母線電壓小于設(shè)定母線報警電壓發(fā)出報警提示，報警信息可以發(fā)送到遠端；當(dāng)兩段母線電壓同時低于設(shè)定的報警值時，并且此時主變電流大于設(shè)定值，啟動延時跳閘邏輯，跳開高壓側(cè)斷路器。

2.4 主變壓器電流及低壓側(cè)電壓

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

2.5 地震及其火災(zāi)信號采集

采集外界地震、火災(zāi)信號，進行綜合判斷。只有兩路地震（火災(zāi)）信號同時有效，延時時間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，判斷定地震（火災(zāi)）發(fā)生，才啟動跳閘邏輯。

3 應(yīng)急保護裝置結(jié)構(gòu)

牽引變電所直流電源應(yīng)急保護裝置包括交流系統(tǒng)獨立供電部分、二次系統(tǒng)電壓監(jiān)測部分、信號檢測部分、一次側(cè)電流檢測部分、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533 MHz，另外提供多路通訊接口，可以擴展多種外圍設(shè)備，為裝置的功能擴充提供硬件支持。另外WINCE操作系統(tǒng)可以提供良好人機界面和消息循環(huán)機制，可以實現(xiàn)控制、監(jiān)測以及報警多任務(wù)處理。

3.2 直流電壓監(jiān)測

直流電壓模塊監(jiān)測兩段母線電壓以及本機電壓，根據(jù)邏輯分合繼電器。

3.2.1 母線電壓監(jiān)測

直流母線監(jiān)測模塊采用低功耗單片機，該芯片自帶模擬量監(jiān)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(jiān)測模塊實時采集母線電壓，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：兩段母線分別獨立監(jiān)測模塊，任意一段電壓小于預(yù)設(shè)值，例如小于100 V時（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)送到上位機或者其他遠端監(jiān)控屏；當(dāng)兩段母線同時低于告警設(shè)定值時，同時交流側(cè)電流大于設(shè)定值，閉合跳閘允許繼電器，啟動延時確準(zhǔn)程序，在延時時間內(nèi)告警狀態(tài)未消除，如果此時手動、自動切換開關(guān)在自動位置，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(guān)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(guān)完成跳閘。

3.2.2 本機電壓監(jiān)測

本機電壓監(jiān)測模擬量采集原理同上。判斷邏輯如下：當(dāng)本機電壓小于設(shè)定預(yù)警值時，發(fā)出預(yù)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(fā)生綜合自動控制系統(tǒng)電源失效，因為本機跳閘能量不充分，使得一次側(cè)高壓斷路器處于不確定分合位置，造成事故。

如果在本機預(yù)警、告警時發(fā)生綜合自動控制系統(tǒng)電源失效，只發(fā)出告警信息提示。

3.3 交流電流監(jiān)測

交流監(jiān)測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)測部分。電路設(shè)計部分采用TA1005-1M互感器，絕緣電阻常態(tài)大于1 000 MΩ，抗電強度可承受工頻每分鐘2 000 V、50 Hz。監(jiān)測芯片實時監(jiān)測主變高壓側(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)跳閘控制邏輯實施應(yīng)急保護功能。

當(dāng)電流大于設(shè)定值時，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，啟動跳閘延時確認程序，在延時時間內(nèi)狀態(tài)未恢復(fù)，啟動跳閘功能，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)備都無法正常工作時應(yīng)急保護。

3.4 地震、火災(zāi)監(jiān)測

地震、火災(zāi)監(jiān)測由開關(guān)量采集模塊來完成，分別采集地震監(jiān)測系統(tǒng)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(guān)量監(jiān)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(jù)監(jiān)測到的電壓來區(qū)分當(dāng)前接點分合位置，在程序中設(shè)置了報警門限，檢測到的電壓小于DC 50 V時判斷分斷狀態(tài)，大于50 V時判定閉合狀態(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)測到的信息以及控制邏輯輸出的判斷結(jié)果來驅(qū)動主變壓器高壓側(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，觸點最大電壓DC 300 V，最大電流16 A，分合次數(shù)可達到10萬次。

4 結(jié)束語

牽引變電所綜合應(yīng)急保護裝置研制完成，并在某變電所進行了現(xiàn)場安裝試運行。

（1）牽引變電所直流電源應(yīng)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(shù)10萬次，加上限壓、限流保護等措施，結(jié)構(gòu)相對簡單，技術(shù)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(shù)為裝置提供電源并把電能存儲在法拉電容中，當(dāng)變電所由于保護電源失電而導(dǎo)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(nèi)跳開主變高壓側(cè)斷路器，以實現(xiàn)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(yīng)急保護裝置現(xiàn)場安裝圖