牵引变电所直流电源应急保护装置的设计

李彦吉，马建辉

（1 中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860；2 河北创科电子科技有限公司，河北 邯郸 056000）

近年来，牵引变电所发生了多起因强电侵入引发的全所停电退出运行的事故。主要原因是雷电流侵入直流自用电系统，造成系统失电瘫痪。牵引变电所综合自动化系统在直流失电后，一次设备就处于“无保护”状态，存在很高的风险。一是无法及时切除雷电流，致使雷击损害事故范围扩大；二是一旦发生短路、过负荷等故障时，各级断路器均无法正常跳闸，可能导致牵引变压器等高压设备损坏、越级跳闸等重大事故。

中国国家铁路集团有限公司（以下简称“国铁集团”）针对实际情况发布了《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案》［1］，要求牵引变电所增设独立的应急保护装置，当综合自动化系统重要回路失电时、驱动进线高压侧断路器跳闸。

1 现状调查

由于直流电源系统在继电保护中起着重要作用，牵引供电专业在直流供电系统上做了大量工作。如配置2套蓄电池组、采用防火控制电缆、直流供电系统采用环网模式、双套电源继电保护设备等。虽然这些措施增加了直流供电系统的可靠性，但由于线路上的隔离开关操作机构箱与牵引变电所不共地引起反击、高速铁路高架桥占比高遭受雷击的可能性大、馈线短路电流大等特殊的运行工况，仍旧发生了多起直流电源失电的事故。

应国铁集团解决独立应急保护的需求，国内部分线路上是再增加一组“小容量蓄电池系统+应急保护装置”的方案，该方案实际上就是再增加1套直流电源，并将变压器模拟量和火灾等告警信号引入装置进行综合判断。该方案要新立测控屏，前期投资费用高；为安装和蓄电池组相配套的充电设备，需要添加屏位，加大现场改造工作量；由于蓄电池后期需要不断维护（特别是小容量蓄电池组的一致性较差），又增加了后期的维护成本和维护人员的工作量；最重要的是，相比于目前牵引变电所的直流系统，新增电源（尤其是电池）仍是相同的技术和相同的原理，安全性未有提升，只是徒增成本和工作量，性能难以达到要求。

2 应急保护原理

本设计采用法拉电容作为储能元件和双路小容量恒流限压电源供电的方案，结构原理如图1所示。设计方案充分利用了恒流源和储能电容2个器件的优点进行组合，从而形成高可靠性直流应急电源解决方案。

图1 装置原理结构图

AC 220 V交流电经过变压器隔离、整流模块整流后输出DC 110 V直流电，直流电源为装置提供工作、控制电源。该装置的独立电源部分配装交、直流避雷器，为装置在遭遇雷击和过压时提供保护，另外配备一组6 F/135 V电容组，可以在变电所直流系统故障时提供电源，电容组正常充电电压在116±2 V，最低允许工作电压99 V，在电容组单独供电时可以维持到15 min以上。

2.1 储能系统

超级电容又叫做法拉电容、黄金电容，是通过极化电解质储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，介于传统电容和电池之间，是一种具有特殊性能的电源，主要依靠双电层和氧化还原加电容电荷储存电能，其存储过程不发生化学反应，储能过程可逆，因此超级电容可以反复充放电数10万次。

电容充满电后可以储存116 V×6 F=696 C电量，DC 110 V系统直流最低电压1.80 V×54=97.2 V（按蓄电池核算），在此电压下降区间电容共可提供电量约为114 C。按照1 C=1 A·s，在超级电容作为后备电源以1 A用电负荷可以持续工作114 s，约2 min；而驱动跳闸电流时脉动电流时间较短约30～500 ms，维持本机正常工作的电流约100 mA，所以电容作为后备电源有效工作时间约在19 min以上，完全能满足变压器脱保护后跳闸的需要。

法拉电容作为后备电源的突出优点是功率密度高，可达到300～5 000 W/kg，相当于电池的5～10倍，充电时间短、循环寿命长，没有“记忆效应”，长期使用免维护，减少了后期的维护成本；最重要的是法拉电容的储存原理不同于电池，能很好地应对电流冲击，并且对电压的耐受性好。总体性能很好地满足现场需求。双路小容量恒流限压电源以桥接方式对储能电容进行充电，电路结构简单，对短路冲击耐受性高。

2.2 动作逻辑

牵引变电所直流电源应急保护装置设置独立电源系统为其自身提供工作电源和控制电源，该装置可采集地震信号、火灾信号、牵引变电所一次回路的电流信号、电压信号、直流母线电压信号等进行综合判断，确保应急保护的动作条件准确、可靠，如图2所示。

图2 综合应急保护装置工作逻辑图

首先该装置判断自身工作、控制电压和超级电容储存能量是否满足要求，只有本装置工作正常才进行跳闸逻辑判断处理。

保护电源失效的判据：两段直流母线电压同时低于设定值，并且此时主变压器电流大于设定值，在延时时间内状态未恢复，判定保护电源失效，延时启动跳闸，发出声光报警，报警信息可通过串口远传到上位机端，否则发出报警，不启动跳闸。

2.3 直流母线监测

分别实时监测两段直流母线的电压，将模拟量数据经过模数转换器转变为数字量传入主控制器中，经过逻辑判断，当监测值小于预警值时发出预警提示。当一段母线电压小于设定母线报警电压发出报警提示，报警信息可以发送到远端；当两段母线电压同时低于设定的报警值时，并且此时主变电流大于设定值，启动延时跳闸逻辑，跳开高压侧断路器。

2.4 主变压器电流及低压侧电压

为了不对既有系统造成影响，电流回路采用穿心互感器实现A、B、C三相电流的采集。电压回路采用串联自动开关并接的方式。

2.5 地震及其火灾信号采集

采集外界地震、火灾信号，进行综合判断。只有两路地震（火灾）信号同时有效，延时时间内状态未恢复，判断定地震（火灾）发生，才启动跳闸逻辑。

3 应急保护装置结构

牵引变电所直流电源应急保护装置包括交流系统独立供电部分、二次系统电压监测部分、信号检测部分、一次侧电流检测部分、逻辑分析控制部分、液晶显示屏部分、跳闸执行器以及通信总线。

3.1 逻辑分析控制、液晶显示部分

逻辑控制部分和显示部分集中在一起，采用5寸WINCE触摸屏方案。该显示屏采用低功耗32位高速ARM处理器，核心主频可到达533 MHz，另外提供多路通讯接口，可以扩展多种外围设备，为装置的功能扩充提供硬件支持。另外WINCE操作系统可以提供良好人机界面和消息循环机制，可以实现控制、监测以及报警多任务处理。

3.2 直流电压监测

直流电压模块监测两段母线电压以及本机电压，根据逻辑分合继电器。

3.2.1 母线电压监测

直流母线监测模块采用低功耗单片机，该芯片自带模拟量监测通道，可以采集到mV级电压，分辨率达到0.1 mV。采集回路前端通过高精度电阻分压后，采用一阶RC低通滤波电路，之后配置TVS管以保护后端处理器。

该监测模块实时采集母线电压，并通过通讯总线将数据传输到液晶显示屏。判断逻辑如下：两段母线分别独立监测模块，任意一段电压小于预设值，例如小于100 V时（电压限值可设），装置发出母线电压预警信息，可通过装置串行输出口发送到上位机或者其他远端监控屏；当两段母线同时低于告警设定值时，同时交流侧电流大于设定值，闭合跳闸允许继电器，启动延时确准程序，在延时时间内告警状态未消除，如果此时手动、自动切换开关在自动位置，闭合跳闸继电器，跳开主变高压侧断路器，综合应急保护动作成功，并且在报警信息记录该事件；如果此时手动、自动切换开关在手动位置，只在报警信息表中增加此报警信息，不启动跳闸程序，通过手动闭合开关完成跳闸。

3.2.2 本机电压监测

本机电压监测模拟量采集原理同上。判断逻辑如下：当本机电压小于设定预警值时，发出预警信号，提示本机电压低，分开跳闸允许继电器，以防止此时发生综合自动控制系统电源失效，因为本机跳闸能量不充分，使得一次侧高压断路器处于不确定分合位置，造成事故。

如果在本机预警、告警时发生综合自动控制系统电源失效，只发出告警信息提示。

3.3 交流电流监测

交流监测模块用于采集主变高压侧三相电流，采集芯片同母线电压监测部分。电路设计部分采用TA1005-1M互感器，绝缘电阻常态大于1 000 MΩ，抗电强度可承受工频每分钟2 000 V、50 Hz。监测芯片实时监测主变高压侧电流，将采集到的数据通过通信总线传到显示控制模块，显示控制模块显示当前数据，并根据跳闸控制逻辑实施应急保护功能。

当电流大于设定值时，发出告警提示信息，并将告警信息添加到告警信息列表中，并且此时两段直流母线电压均低于设定值，闭合跳闸允许继电器，启动跳闸延时确认程序，在延时时间内状态未恢复，启动跳闸功能，跳开主变压器高压侧断路器，完成在既有直流电源退出，其他设备都无法正常工作时应急保护。

3.4 地震、火灾监测

地震、火灾监测由开关量采集模块来完成，分别采集地震监测系统提供的2组独立无源常开接点和烟雾探测器的动作接点。

开关量监测模块采集接口提供DC 110 V电压，通过光耦隔离输入到控制芯片中，控制芯片根据监测到的电压来区分当前接点分合位置，在程序中设置了报警门限，检测到的电压小于DC 50 V时判断分断状态，大于50 V时判定闭合状态，这样可以有效消除线路干扰的影响。

3.5 跳闸控制

跳闸控制根据以上监测到的信息以及控制逻辑输出的判断结果来驱动主变压器高压侧断路器跳闸线圈，完成跳闸操作。

该控制执行器采用欧姆龙G2RL-1A-E-24 V高容量继电器，触点最大电压DC 300 V，最大电流16 A，分合次数可达到10万次。

4 结束语

牵引变电所综合应急保护装置研制完成，并在某变电所进行了现场安装试运行。

（1）牵引变电所直流电源应急保护装置充电采用双路小容量恒流限压电源、桥接方式，电路体积较小，电路简单、对短路冲击的耐受性更高。

（2）采用超级电容作为储能元件，体积小、耐冲击电流大，充放电寿命可达数10万次，加上限压、限流保护等措施，结构相对简单，技术成熟，长期免维护、故障率极低。

（3）采用嵌入式软件综合故障分析和逻辑判断，智能控制跳闸动作并配合硬件闭锁。通过多电源互投的冗余技术为装置提供电源并把电能存储在法拉电容中，当变电所由于保护电源失电而导致变压器脱保护，本装置可以通过法拉电容储存的电能在有效的工作时间内跳开主变高压侧断路器，以实现主变脱保护后对变压器的最后一级保护功能。

（4）该装置尺寸只有475×250×250（长×宽×高，单位mm），大小等同一块100 Ah的蓄电池，可直接放置在原电池屏中，如图3所示。

图3 应急保护装置现场安装图