铁道信号断相保护器改进方案研究

2020-06-19刘新志中国铁路上海局集团有限公司南京电务段

上海铁道增刊 2020年1期

刘新志中国铁路上海局集团有限公司南京电务段

1 问题提出

目前铁路信号设备使用的DBQR 型断相保护器是与JWXC-1700 型继电器配合使用于三相交流电动转辙机的保护电路中，监督、保障三相电机的正常工作。其内部核心采用的是由R 型铁芯绕制而成的电流互感器，具有一致性好、动作灵敏、工作可靠、温升低、噪音小等优点。但是，随着转辙设备控制技术的改进，现场需要断相保护器同时具备13 s或30 s 的限时功能，即在提供输出的同时开始进行记时，在定时达到13 s 时切断输出，控制JWXC-1700 型继电器落下，从而达到保护三相电机的作用。由于线路上的车次越来越密集，要求信号专业维护人员的工作量亦越来越大，设备发生障碍时处理问题的时间越来越短，如何在较短的时间内完成相应的处置任务，这就要求断相保护设备故障定位非常准确，缩短信号工的判断问题时间。

项目确定后，根据现场需要，我们提出了在现有DBQR 型断相保护器具有的功能基础上增加冗余设计，智能控制，A/B/C 三相实时电流显示和A/B/C 三相各相独立断相或过流报警等功能。对断相保护器进行重新设计，研制DBQZ 型智能断相保护器，以满足现场的需要。

2 电路结构

DBQZ 型智能断相保护器是由电源电路、三相电流检测电路、CPU 控制电路、三相电流显示电路和报警电路组成。

2.1 电源电路

电源电路有变压器、整流电路、滤波电路、开关型恒压电路和冗余设计输出DC24V 电路组成。设计原理见图1 所示：

图1 双路DBQ 电源电路设计原理图

为保证断相保护器在断相或转辙机卡阻过流等现象的现场保护，DBQZ 型智能断相保护器需额外采用电源屏供电。供电电压采用交流220 V 电压，供电端子为71，72。冗余设计两路直流24 V输出控制器，当DBQZ 型智能断相保护器一组控制出现故障时自动打开另一路控制输出，保证了1700 继电器能够及时供电。

开关恒流源提供的12 V 和5 V 电源是为DBQZ 型智能断相保护器控制及其他电路的供电使用。开关恒流源具有较宽的输入电压范围，除了导通就是截止，不会产生额外的热量，提高了器件的可靠性。

2.2 三相电流检测电路

三相电流检测电路由三组精密的电流传感器构成，可以测量交流电流的范围为0 A-20 A，能将交流电流转化为电压信号，每安培输出100 mV 的电压信号，再通过放大电路将微弱的电压信号放大为CPU 可识别的信号，从而实时检测电流的变化。三相电流检测电路设计原理如图2。

图2 三相电流检测电路设计原理图

2.3 CPU 控制电路

CPU 控制电路具有的功能有：

（1）具有判断每相断相或卡阻（超电流）的能力。

（2）能够分别测量每相的电流并实时显示电流值。

（3）具有一相、多相断相或卡阻报警功能。

（4）具有正常电流时给出13 s 或30 s 输出直流24 V 的功能，断相或卡阻时切掉直流24 V 输出的功能。

（5）具有断相或卡阻时保护现场的功能。

（6）端子 3、4 封连时为 13 s 输出，不封连时为30 s 输出。

（7）具有冗余控制输出功能。

图3 CPU 控制电路原理图

CPU 控制电路设计原理见图3，其核心由带有定时器、计时器、中断、模拟量测量、控制开关量、数据总线和地址总线的高速单片机来完成。将A/B/C 三相电流检测的模拟量信号进行鉴别并处理，控制数码管实时显示A/B/C 三相电流。CPU 控制电路实时判断各相电流是否正常，若三相电流正常，输出控制器输出13 s 或30 s 持续的24 V 直流电压，保证1700 继电器正常工作。若三相电流一相或多相小于0.5 A 或大于5 A，CPU 控制电路给出断相或卡阻报警信息并切断输出控制器，不输出24 V 直流电压，保证1700 继电器可靠落下。由于DBQZ 型智能断相保护器是电源屏供给的持续的220 V 电源，所以DBQZ 型智能断相保护器能够保护现场，数码管显示当前故障信息，便于信号工查询故障原因。

2.4 显示和报警功能

显示采用2 位数码管构成一组显示，共 3 组，分别是 A、B、C 三相电流显示，精确度为0.1 A。报警用高亮红色发光二极管显示。电流正常时不会有报警，二极管不会发光，某相断相或过流时，二极管点亮，并保护现场，数码管显示不正常状态的电流值。

3 系统原理

当三相转辙机供电工作正常时，A、B、C 相电流分别通过端子 61-51、41-31、21-11 在电流传感器上产生感应电流。CPU 控制电路检测到实时电流值，判断其在合适范围内，并实时显示每相电流值。时间计数器开始计数，并打开控制器输出24 V 直流电压，控制JWXC-1700 安全型继电器工作。当计数器工作到 13 s 或 30 s 时，24 V 直流电压输出关闭，从而实现了限时输出的功能。

当转辙机缺相或卡阻（过流）时，CPU 控制电路检测到实时电流值，判断其不在合适范围内，保护现场，故障指示灯点亮，显示故障时的当前电流值。计数器停止计数，控制输出电路不输出直流24 V 电压，这样就实现了断相保护功能。信号工通过数码管和故障指示灯的显示就可以判定出是哪相缺相或卡阻，方便故障定位，减少工作量，提高工作效率。

4 测试验证

对智能断相保护器的测试可通过下面方法进行：

图4 智能断相保护器测试电路图

如图4 所示，DBQZ-智能断相保护器；ZOB-三相自耦变压器；BHJ-保护继电器（JWXC-1700）；Ra、Rb、Rc-滑线式变阻器；KA、KB、KC、Ka、Kb、Kc-单联开关；KM1、KM2、KM3-同步接触器 KM 的主接点。

连接在电路中的DBQZ 智能断相保护器一次侧绕组分别输入交流电压380 V±19 V，调整负载电阻，使电流表读数为1A, 合上断路器，DBQZ 智能断相保护器的绿指示灯持续亮，此时JWXC-1700 继电器应可靠吸起，DBQZ 智能断相保护器输出的直流电压应符合2.3.4 的规定，13 s（或 30 s）后，绿灯灭，输出关闭。重新调整负载电阻，使电流表读数为5A，合上断路器，保护器的绿指示灯持续亮，此时继电器应可靠吸起，DBQZ 智能断相保护器输出的直流电压应符合2.3 中第四条的规定，13 s（或 30 s）后，绿灯灭，输出关闭。

当三相交流电路输入、输出的任一相断路（切断开关KA 或Ka、KB 或Kb、KC 或 Kc）时，DBQZ 智能断相保护器输出直流电压应切断并限时故障报警。