一种新型微电子断相保护器的设计与开发

吴昕慧 黄达志

（1.柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545007；2.南广铁路有限责任公司.南宁 535005）

1 问题的提出

为保护三相交流转辙机的电机运行安全，在其工作时需检查三相电源是否断相（缺相）。当发生断相（缺相）时使保护继电器落下，切断转辙机动作电路，保护三相电机免遭损坏。目前，所采用的断相保护器，大部分采用铁磁互感器方式，3个互感器需进行严格配对，指标离散性大，质量不稳定。同时，由于互感器次级回路直接驱动保护继电器，使互感器工作时需通过较高的电压和电流，造成互感器故障率高，影响设备正常使用。另外，道岔动作电路需设时间继电器对道岔转换时间进行限时，以防止因道岔转换不到位，造成三相电机过载而烧毁。因此，本文提出针对传统的断相保护器技术，进行新型微电子断相保护器的改进设计与应用。

2 系统设计与实现

2.1 设计原则

该新型微电子断相保护器的设计遵循以下几个原则。

（1）双套热备工作方式：硬件构成双机系统，双处理机互为热备，双驱动电路互为备用方式，实现多种组合方式。

（2）功能整合：将断相（缺相）保护、限时保护、过流保护等功能整合为一体。

（3）安全可靠：对三相电流进行隔离采样，使采样电路与道岔动作电路无电气连接，保证道岔动作电路的性能、特性不变，确保采样电路发生任何故障时不影响道岔动作电路的安全性；通过执行测量采样→判断→输出→回读的闭环处理，保证意图与执行的一致性；选用工业级器件，从芯片级保证可靠性。

（4）实时性：采用多处理单元，根据任务性质进行任务分配，最大限度减少主处理机的处理工作量，以保证实时性，向信号集中监测系统提供三相电流数据和各种状态数据，并有显示和报警指示，保证限时正确。

2.2 系统设计与实现

系统设计由硬件和软件两部分组成。硬件部分由双套逻辑处理A机和B机、双套驱动电路组成，完成采样、处理、控制等功能；软件部分通过监控程序实现主控机和备机的动态确定、对方状态的监控、备机无缝投入及A机/B机工作状态的唯一性管理功能的应用。

2.2.1 硬件设计

硬件原理如图1所示。

在运行过程中，通过监控程序确定是A机还是B机为主控机，主控机负责完成采样、处理、控制等任务，而备机则完全处于热备状态，不断监测主机的工作状态。当主机工作不正常时，备机立即投入运行，升级为主控机，当故障机恢复正常时，自动投入，并处于备用状态。在硬件设计中自动将A机、B机设置为默认主机和默认备机。

以A机作为主控机为例，当A/B/C三相均输出正常，即工作电流均达到工作门限时，BHJ才能吸起。先由A驱动电路作为输出，检查BHJ是否已经执行，若BHJ吸起，则说明A驱动正常，继续由A驱动使BHJ吸起；若BHJ不能吸起，则说明A驱动电路故障，转备驱动（B驱动）工作。当一相及以上的电流小于工作下门限时，退出驱动，进行下一轮的工作过程。

2.2.2 软件设计

软件设计的关键是主控机和备机的动态确定、对方状态的监控、备机无缝投入及A/B机工作状态的唯一性（即在任一时刻，只能一个主控，而另一备用，不能同时双机主控或双机同时备用）。为此，设置监控程序，负责确定本机状态（主控机还是备机）、主控机交权管理、备机热备投入和A/B机工作状态的唯一性管理。监控程序的主程序流程如图2所示。

3 功能及特点

与传统的断相保护器比较，采用微电子式可以实现断相（缺相）保护、限时保护和过流保护；可以进行道岔动作电流的测量，并向微机监测实时提供电流数据及状态数据；同时保护器设置完善的电流显示、状态及故障报警指示。

3.1 完善的保护功能

为保证故障导向安全，采用双套热备的工作方式，将断相（缺相）保护、限时保护、过流保护等功能整合为一体，不管是何种类型断相，只要检测出三相电流的不平衡就毫无遗漏地检测出各种断相及不对称故障。

3.2 插接式

设备整体采用插接式，简化了生产工序，接线简单，同时安装和更换方便，大大提高了生产效率，并解决能耗和环保问题。

3.3 高可靠性

采用双机双驱动方案，实现A机/A驱动、A机/B驱动、B机/A驱动、B机/B驱动等组合方式，保证监控器故障时不会造成故障升级，确保转辙机不被烧毁，最大限度保证其可靠性、可用性；对采样、驱动、执行的信息进行一致性校核，进一步提高安全性、可靠性。

3.4 高精度

为保证双机的工作协调性和实时性，A/B机间采取定时通信和中断接收的工作方式，因而产生了附加的执行时间。由于不确定的附加时间的存在有可能造成A/D转换的结果将超过一定值。因此，通过软件程序来解决当进行电流采样时，A/D转换造成的误差，从而确保测量值的精确度。

3.5 状态指示

提供完善的电流显示、状态显示和故障报警指示，实时监测及显示三相电流并向微机监测系统提供电流数据及状态数据。

4 断相保护器的故障-安全分析

研制设计过程中，重点考虑保护器器件发生故障后，保护继电器错误吸起或中断落下等错误动作而失去限时保护功能的问题。保护器故障可大致分为采样电路、处理电路和驱动电路故障，现将3种情况的故障-安全情况分析如下。

4.1 采样电路故障

利用互感器对三相动作电流进行隔离采样。由于采样电路与原道岔动作电路无电气连接，不会影响原电路的工作，保证原电路安全。

4.2 处理电路故障

采用硬件“看门狗”，保证程序“跑飞”后自动重启。单片机系统故障时，单片机的控制输出端口即动态驱动电路输入端只会是恒高电平或恒低电平情况，由于采用动态驱动方式，故不可能输出驱动保护继电器电源。

4.3 驱动电路故障

处理电路输出通过光耦使处理电路与动态驱动电路进行隔离；输出驱动电路采用动态输出方式（计算机联锁采用输出驱动方式），动态驱动电路只有输入信号为“1010……”的脉冲信号时才有输出，当输入信号为“1111……”或“0000……”不可能有输出（即处理电路故障时）。如图3所示，动态驱动电路只有B点信号为交替的高低电平时，才能输出保护继电器驱动电源。当发生主驱动电路故障时，将自动改由备驱动电路工作，向保护继电器输出动作电压。

因此，断相保护器只有双机或双驱动同时故障时，才可能发生应该输出时而没有输出，而不会发生不应输出时错误输出的情况。断相保护器的设计符合信号设备故障-安全的基本原则。

5 结束语

微电子断相保护器是一种采用微电子技术改造替代传统信号器材的产品。通过双机、双套热备及冗余，完善的信号器材在线检测手段等技术措施，极大提高了信号器材的技术含量和可靠性、安全性、可用性，他的经济效益、安全效益有着非常广阔的前景。2009年10月，在黎钦线腾县站试用，道岔动作电流显示、丰富的状态显示和使用的可靠性，深受使用单位的欢迎。经过近半年的试用，断相保护器使用正常，达到设计目的。产品的推广应用将会对保证运输安全、提高设备可靠性、完善信号维护检测技术发挥积极作用。

[1]铁运【2008】142号 铁路信号维护规则（技术标准Ⅰ）[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[2]李建新，刘生春，贾培军.单稳态集成电子断相保护器的设计与调试[J].电气电子教学学报，2003，25（2）：84-85.

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