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城市軌道交通直流供電的控制和保護系統(轉載)

摘 要 直流供電的控制和保護系統對確保軌道交通的安全、可靠的運行,具有舉足輕重的作用。同時它也是軌道交通供電自動化系統的一個組成部分。簡要介紹了直流供電的控制和保護系統的基本原理和一種先進的基于可編程控制器(PLC) 的控制和保護裝置SEPCOS。

敘 詞: 軌道交通 直流供電 控制和保護

 

1  引 言

    城市軌道交通系統包括地鐵、輕軌、有軌電車、獨軌等。軌道交通具有運載能力大、噪音廢氣污染小、運行快速準時、占用土地少等獨特優勢, 它不僅能緩解大中城市日益擁擠的交通狀況,而且大大推動了城市的經濟和社會的發展。
    軌道交通采用直流供電。直流供電系統包括直流開關柜、控制和保護系統、直流電纜、接觸網等。其中控制和保護系統對確保軌道交通的安全、可靠的運行,具有舉足輕重的作用。它一方面確保向地鐵列車提供安全可靠的供電,減少甚至消除不必要的停電時間,從而提高經濟效益;另一方面當發生故障時,能迅速切除故障,從而確保了旅客的人身安全和列車、設備的安全。隨著電子技術、計算機技術的發展,人們采用微處理器實現了電流上升率和電流增量等保護,極大地提高了供電保護的可靠性和準確率。目前最先進的方法是采用基于可編程控制器(PL C) 的數字式繼電保護裝置取代傳統的繼電器等保護裝置,從而大大提高了可靠性、保護性能以及配電自動化程度。
    本文敘述了基于PLC 直流供電的控制和保護系統的基本原理,簡要介紹了一種先進的控制和保護裝置SEPCOS。

2  原 理


2. 1  控制系統
    控制系統通常僅用于開關設備的電氣分合閘,根據系統的狀態和規定的要求,允許或禁止合閘操作。控制功能與PLC 的控制程序有關。
(1) 分合閘。分合閘操作(ON/ OFF 指令) 由電保持型斷路器和磁保持型斷路器來完成。
    電保持型斷路器的合閘線圈為長期通電型, 其合閘程序為: PL C 輸出1 s 脈沖,使合閘線圈得電,然后通過減少流過合閘線圈的電流(保持電流) 使斷路器保持在合閘位置。磁保持型斷路器的合閘線圈為短時通電型,其合閘程序為:輸出1 s 脈沖,合閘線圈得電,斷路器合閘,合閘后合閘線圈失電;其分閘程序為: 輸入1 s 脈沖,分閘線圈得電,斷路器分閘,分閘后分閘線圈失電。低壓電器( 2000 №6) 城市軌道交通直流供電的控制和保護系統
(2) 聯跳。當PLC 檢測出故障(通過保護功能),則使斷路器分閘,并發出聯跳信號,同時將使所有的給該線段或該網絡供電的其他斷路器跳閘,并鎖定。在斷路器重合閘并使其他斷路器合閘后,PLC 取消聯跳信號。
(3) 自動重合閘。自動重合閘系統僅用于線路饋電斷路器,其作用就是過流脫扣器動作后,讓斷路器自動重合閘。對于牽引系統,尤其是輕軌和有軌電車,經常會發生短路而使過流脫扣器經常動作。但由于大部分短路故障通常是短暫的, 所以使用自動重合閘系統可提高系統的可靠性。自動重合閘系統通常包括計時器、計數器等。斷路器每隔一段時間(時間長短可調節) 重合閘一次。如果重合閘的次數超過預定的次數,合閘仍不成功,則閉鎖重合閘回路。閉鎖可通過電氣或手動方式解除。
(4) 防跳。為了避免斷路器在故障跳閘后重新合閘,通常伴有防跳功能。防跳功能是指合閘信號一直存在時,允許作一次合閘嘗試。如果合閘失敗,則禁止再次合閘(重合閘) 。可以通過多種途徑由合閘控制回路來實現防跳功能,如使用機構的輔助開關、時間繼電器等。它僅允許發出一個合閘脈沖給合閘系統,當原合閘信號解除后, 合閘系統復位。PLC 控制程序舉例: 在“ 遙控”模式,斷路器每隔T (s) 合閘一次,如故障未解除,則跳閘。如此反復,如發生N 次跳閘,則PLC 將不再發生斷路器合閘指令,并指示“閉鎖”。


2. 2  線路測試系統( EDL)
    線路測試系統也用于線路饋電斷路器。在合閘前,對線路段進行測試,以防止斷路器與其近端短路故障點連通。圖1 為線路測試的典型線路圖。在開關柜主母線和接觸線之間加電阻和接觸器,通過測量饋電與回流網之間的電壓以及回路電阻,確定是否可以合閘。如果測得的電壓值低于預定值,則表明線路過載,不能合閘。
PLC 控制程序舉例:
測量饋電電壓Uf 。
(1) Uf> Uf ,low (采用雙邊供電,線路已由另一斷路器供電),斷路器可以合閘。
(2) Ufr < Uf< Uf ,low ,表明線路過載,不能合
閘: ① LOCAL 模式:測試停止,指示“ 閉鎖”。



圖1  線路測試的典型線路圖REMO TE 模式:每隔D (s) 測量一次,重復測N 次,如仍未成功,則測試停止,指示“ 閉鎖”。
(3) Uf< Ufr ,接通線路測試用接觸器,測量線路電阻R (見圖1) 。如R > R min ,斷路器合閘; 如R < R min : ①LOCAL 模式:測試停止,指示“ 閉鎖”。② REMO TE 模式:每隔D (s) 測量一次,重復測N 次,然后測試停止,指示“閉鎖”。

 

2. 3  保護系統
    保護系統通過直流分流器、直流傳感器、霍爾傳感器、隔離變送器、分壓器等元件測量線路的電流和電壓。一旦PLC 檢測出線路故障,斷路器分閘,從而實現保護功能。
保護系統應滿足如下要求:
(1) 能適用于所有線路供電方案,如單邊供電、同一變電所內幾個整流器并列供電、相鄰變電所整流器并列雙邊供電等。
(2) 能區分牽引電流和故障電流、基本保護和后備保護。
(3) 動作迅速。保護系統包括兩種保護裝置:一種是直接裝在斷路器操作機構中的保護元件(如各種脫扣器);另一種是繼電保護裝置(間接保護) 。本文主要討論后一種保護。保護共有三種:分別測量電流、電壓和阻抗的參數來實現對線路的保護。

 

2. 3. 1  電流參數的測量
    通過測量和分析饋電回路的電流及其上升率d i/d t和增量ΔI ,實現對線路的保護。
(1) Imax + 保護。有時線路中的故障電流(短路電流或過載電流) 小于斷路器的整定值,通過測量、分析饋電回路的正向電流If,可檢測低于斷路器整定值的短路電流和過載電流。PLC 保護程序舉例: 只要If> Imax + (設定城市軌道交通直流供電的控制和保護系統低壓電器( 2000 №6) 值),開始計時t ,當t > T +(設定值),則跳閘。
(2) Imax -保護。通過分析饋電回路的反向電流If,檢測低于斷路器整定值的短路電流和過載電流。
PLC 保護程序舉例: 只要If< Imax-(設定值),開始計時t ,當t > T -(設定值),則跳閘。
(3) DDL 保護(d i/d t 、ΔI 、T) 。此功能用于線路饋電斷路器,通過分析電流上升率di/d t 、電流增加的時間t 及電流增量ΔI ,檢測遠距離短路故障,其故障電流值低于斷路器的整定值。
    當檢測到的電流曲線的斜率在給定的時間T 內超過d i/d t 的設定值,繼電器動作。機車的起動電流的上升率通常超過d i/d t 的設定值,但在時間T 內會恢復正常,所以不會誤動作。PLC 保護程序舉例: 測量饋電電流及其d i/d t 。將d i/d t 與設定值E 和F 比較。如果di/d t > E ,則開始測量電流增量(ΔI) 和時間( t): ①ΔI 大于設定值,則經一段時間tΔI 延時后跳閘; ② t > T (設定值),且ΔI 大于最小設定值,則跳閘。
如果在檢測到ΔI 或T 前,d i/d t < F ,則測量值ΔI 和t 復零。
(4) 熱保護。此功能對斷路器、供電線路(電纜、接觸網) 等提供熱過載保護。因為長期大電流會使供電導體發熱,從而可能導致供電導體,尤其是接觸網變軟。
連續測量饋電電流,計算熱載θt,θt 為被保護裝置的額定電流In 和時間常數τ的函數。熱計算的公式:
θ=(1 -e-t/τ) ( I/ In) 2 PLC 通電后,θt 的初始值θt= 0. 98 θA,θAt0為設定的報警值。斷路器合閘后,饋電回路流過大電流,當達到θA 時,PLC 發出警報。如果θt 繼續上升,當θt ≥1. 01 θA 時,PLC 發出指令使斷路器分閘,同時可發出閉鎖信號。只有當θt<θA 時,斷路器才能重新合閘。

2. 3. 2  電壓參數的測量
    通過測量和分析饋電回路的電壓,實現對線路的保護。
(1) 鐵軌帶電(監測饋電電壓Uf) 。連續測量Uf,如果Uf> 設定值,表明鐵軌帶電。
(2) ΔU 保護。當某段線路已從另一端受電(雙邊供電) 時,如果整流器電壓與回流網電壓之間的電壓差有引起大電流的危險,則斷路器不能合閘。此功能可與線路測試功能連在一起。
    PLC 保護程序舉例。測量電壓Uf 和整流器電壓Ur:如Ur-Uf< 設定值ΔUr -f,斷路器可以合閘;如Ur-Uf> 設定值ΔUr-f,合閘程序終止,指示“閉鎖”。
(3) Uf ,min ( Uf ,low) 保護。檢測遠離電源點的壓降。測量Uf,如果Uf< 設定值Uf ,low ,且時間超過設定值tU,則使斷路器分閘。 

2. 3. 3  阻抗參數的測量通過測量饋電回路的電流和電壓,計算出阻抗并加以分析,實現對線路的保護。
通過分析線路阻抗來控制線路故障。電壓下降阻抗見圖2。阻抗的設定值應選為最高阻抗值,以保證列車的起動電流不使斷路器跳閘,而對于遠距離故障造成的低阻抗必須能使斷路器跳閘



圖2  電壓下降阻抗圖
PLC 保護程序舉例。連續測量饋電電壓Uf 和饋電電流If,計算出阻抗Z。有3 個跳閘區(見圖2) :如Z(計算值)< Z (設定值),斷路器跳閘; 如Uf< Uunder : ① If< Ico -n,且t > Tr,斷路器跳閘。② Ico-n< If< Ico -p,且t > Tf,則斷路器跳閘。

 

3  控制和保護系統SEPCOS

3. 1  概 述
    SEPCOS 是瑞士賽雪龍公司研制的遠方控制和保護系統,用于城市軌道交通系統、鐵路系統等。它是基于幾個微處理器的多功能電子系統, 對直流變電所的饋電單元和整流器單元提供控制和保護。
SEPCOS 具有模塊化、易于擴展、適應性強低壓電器( 2000 №6) 城市軌道交通直流供電的控制和保護系統(通過軟件) 等特點。此外,它是一個非常開放的系統,能與其他通信設備進行通信。

3. 2  功 能
    SEPCOS 具有很多控制和保護功能,可滿足牽引供電系統的各種需要。這些功能分為模擬輸入測量和保護、控制、記錄和通信四組。測量、保護和通信功能軟件存于EPROM , 控制程序存儲在EEPROM , 而且可從串行線或網絡下載,重新編程。
(1) 饋電保護功能。包括:饋電電壓Uf 監視(軌道帶電) 、ΔU 保護、DDL (ΔI, T) 雙向保護、Ufmin 保護、熱保護、Imax + 和Imax -保護、饋電絕緣故障檢測、斷續弧、電壓下降等。
(2) 整流器保護功能。包括: 三相短路保護、三相過流保護I> 、熱保護、Imax + 和Imax-保護。
(3) 記錄功能。包括:存儲保護功能的參數和激活、控制功能的參數、最近100 個事件的統計資料和最近故障期間饋電電流的曲線(帶后備電池) 。
(4) 從串行線或網絡上可獲得的功能和信息。包括: ① 讀和/ 或修改總參數; ② 讀和/ 或修改保護功能的參數; ③ 讀電流、電壓的測量值; ④ 讀保護功能的結果; ⑤ 最近100 個事件的統計資料; ⑥ 存儲最近故障期間饋電電流的曲線; ⑦ 讀和/ 或修改SEPCOS 的時間和日期; ⑧ 讀以太網修改控制功能的參數; ⑨ 讀軟件版本號。


圖3  SEPCOS 系統通信方式1 —串行線RS232  2 —局部通信RS4852Profibus 3 —數據網絡X. 25 或以

3. 3  通 信SEPCOS 系統提供下列通信方式(見圖3) :
① 串行線RS232 與PC 機相連, 僅用于就地通信;
② Profibus FMS/ Modbus/ Modbus + R 網絡通信(也可選擇其他數據總線系統),用于局部通信;
③ 以太網;
④ X. 25 網。所有SEPCOS 彼此相接,一個連接可與所有SEPCOS 通信。Profibus FMS 允許主機和從機之間進行通信。在同一網絡中允許使用幾個主機,但通信只能在主機和從機之間(不能在主機之間) 。數據傳輸速率可達500 kb/ s。Profibus FMS 通信舉例(見圖4) 。

 

圖4  Profibus FMS 通信
    變電站中用雙絞線環通信。環形接線僅為一個例子。在此例中, MM I 作為Profibus 網的主機。用于測量和保護的軟件儲存于EPROM , 用于數據交換和通信的中心軟件儲存于2 個EPROM , 控制軟件儲存于2 個EEPROM , 參數和記錄的信息儲存于RAM(帶后備電池) 。

3. 4  模塊化
    SEPCOS 的最大優勢之一就是模塊化,可增加或更換各種線路板。鋁合金機箱耐腐蝕,電磁兼容性(EMC) 好。SEPCOS 具有如下組件:
① V IUC 板。這是CPU 板,它包括通信、數據交換和控制軟件。
② V PC 板。帶微處理器,作為從機,包括測量和保護軟件。帶模擬輸入和快速輸出。
③ VM I 板。輸入板,作為從機,12 個數字輸入。
④ VMO 板。輸出板,作為從機,12 個輸出。
⑤ 數字電源板。
⑥ 其他板(如:通信/ 數據網絡板) 。

4  結束語

    軌道交通直流供電的控制和保護系統對保證軌道交通系統的安全、可靠的運行具有重要的作用。隨著微電子技術、計算機技術、網絡技術的進步和互聯網技術的飛速發展,我們已經、也將進一步將這些最新技術應用到直流快速斷路器、控制和保護裝置上。SEPCOS 是目前世界上較先進的直流供電專用控制和保護裝置之一。在掌握上述控制和保護原理的基礎上,我們將一方面加速開發出智能化、可通信直流快速斷路器,另一方面進一步研制更完美的控制和保護裝置,以滿足直流供電安全、可靠、便捷、自動化的要求,從而迅速提高我國軌道交通的直流供電系統水平。


 

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