城市轨道交通直流供电的控制和保护系统
摘 要 直流供电的控制和保护系统对确保轨道的安全、可靠的运行,具有举足轻重的作用。同时它也是轨道交通供电自动化系统的一个组成部分。简要介绍了直流供电的控制和保护系统的基本原理和一种先进的基于可编程控制器(PLC) 的控制和保护装置SEPCOS。
叙 词: 轨道交通 直流供电 控制和保护
1 引 言
城市轨道交通系统包括地铁、轻轨、有轨电车、独轨等。轨道交通具有运载能力大、噪音废气污染小、运行快速准时、占用土地少等独特优势, 它不仅能缓解大中城市日益拥挤的交通状况,而且大大推动了城市的和社会的。
轨道交通采用直流供电。直流供电系统包括直流开关柜、控制和保护系统、直流电缆、接触网等。其中控制和保护系统对确保轨道交通的安全、可靠的运行,具有举足轻重的作用。它一方面确保向地铁列车提供安全可靠的供电,减少甚至消除不必要的停电时间,从而提高经济效益;另一方面当发生故障时,能迅速切除故障,从而确保了旅客的人身安全和列车、设备的安全。随着技术、机技术的发展,人们采用微处理器实现了电流上升率和电流增量等保护,极大地提高了供电保护的可靠性和准确率。目前最先进的方法是采用基于可编程控制器(PL C) 的数字式继电保护装置取代传统的继电器等保护装置,从而大大提高了可靠性、保护性能以及配电自动化程度。
本文叙述了基于PLC 直流供电的控制和保护系统的基本原理,简要介绍了一种先进的控制和保护装置SEPCOS。
2 原 理
2. 1 控制系统
控制系统通常仅用于开关设备的电气分合闸,根据系统的状态和规定的要求,允许或禁止合闸操作。控制功能与PLC 的控制程序有关。
(1) 分合闸。分合闸操作(ON/ OFF 指令) 由电保持型断路器和磁保持型断路器来完成。
电保持型断路器的合闸线圈为长期通电型, 其合闸程序为: PL C 输出1 s 脉冲,使合闸线圈得电,然后通过减少流过合闸线圈的电流(保持电流) 使断路器保持在合闸位置。磁保持型断路器的合闸线圈为短时通电型,其合闸程序为:输出1 s 脉冲,合闸线圈得电,断路器合闸,合闸后合闸线圈失电;其分闸程序为: 输入1 s 脉冲,分闸线圈得电,断路器分闸,分闸后分闸线圈失电。低压电器( 2000 №6) 城市轨道交通直流供电的控制和保护系统
(2) 联跳。当PLC 检测出故障(通过保护功能),则使断路器分闸,并发出联跳信号,同时将使所有的给该线段或该供电的其他断路器跳闸,并锁定。在断路器重合闸并使其他断路器合闸后,PLC 取消联跳信号。
(3) 自动重合闸。自动重合闸系统仅用于线路馈电断路器,其作用就是过流脱扣器动作后,让断路器自动重合闸。对于牵引系统,尤其是轻轨和有轨电车,经常会发生短路而使过流脱扣器经常动作。但由于大部分短路故障通常是短暂的, 所以使用自动重合闸系统可提高系统的可靠性。自动重合闸系统通常包括计时器、计数器等。断路器每隔一段时间(时间长短可调节) 重合闸一次。如果重合闸的次数超过预定的次数,合闸仍不成功,则闭锁重合闸回路。闭锁可通过电气或手动方式解除。
(4) 防跳。为了避免断路器在故障跳闸后重新合闸,通常伴有防跳功能。防跳功能是指合闸信号一直存在时,允许作一次合闸尝试。如果合闸失败,则禁止再次合闸(重合闸) 。可以通过多种途径由合闸控制回路来实现防跳功能,如使用机构的辅助开关、时间继电器等。它仅允许发出一个合闸脉冲给合闸系统,当原合闸信号解除后, 合闸系统复位。PLC 控制程序举例: 在“ 遥控”模式,断路器每隔T (s) 合闸一次,如故障未解除,则跳闸。如此反复,如发生N 次跳闸,则PLC 将不再发生断路器合闸指令,并指示“闭锁”。
2. 2 线路测试系统( EDL)
线路测试系统也用于线路馈电断路器。在合闸前,对线路段进行测试,以防止断路器与其近端短路故障点连通。图1 为线路测试的典型线路图。在开关柜主母线和接触线之间加电阻和接触器,通过测量馈电与回流网之间的电压以及回路电阻,确定是否可以合闸。如果测得的电压值低于预定值,则表明线路过载,不能合闸。
PLC 控制程序举例:
测量馈电电压Uf 。
(1) Uf> Uf ,low (采用双边供电,线路已由另一断路器供电),断路器可以合闸。
(2) Ufr < Uf< Uf ,low ,表明线路过载,不能合
闸: ① LOCAL 模式:测试停止,指示“ 闭锁”。
图1 线路测试的典型线路图REMO TE 模式:每隔D (s) 测量一次,重复测N 次,如仍未成功,则测试停止,指示“ 闭锁”。
(3) Uf< Ufr ,接通线路测试用接触器,测量线路电阻R (见图1) 。如R > R min ,断路器合闸; 如R < R min : ①LOCAL 模式:测试停止,指示“ 闭锁”。② REMO TE 模式:每隔D (s) 测量一次,重复测N 次,然后测试停止,指示“闭锁”。
2. 3 保护系统
保护系统通过直流分流器、直流传感器、霍尔传感器、隔离变送器、分压器等元件测量线路的电流和电压。一旦PLC 检测出线路故障,断路器分闸,从而实现保护功能。
保护系统应满足如下要求:
(1) 能适用于所有线路供电方案,如单边供电、同一变电所内几个整流器并列供电、相邻变电所整流器并列双边供电等。
(2) 能区分牵引电流和故障电流、基本保护和后备保护。
(3) 动作迅速。保护系统包括两种保护装置:一种是直接装在断路器操作机构中的保护元件(如各种脱扣器);另一种是继电保护装置(间接保护) 。本文主要讨论后一种保护。保护共有三种:分别测量电流、电压和阻抗的参数来实现对线路的保护。
2. 3. 1 电流参数的测量
通过测量和分析馈电回路的电流及其上升率d i/d t和增量ΔI ,实现对线路的保护。
(1) Imax + 保护。有时线路中的故障电流(短路电流或过载电流) 小于断路器的整定值,通过测量、分析馈电回路的正向电流If,可检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。PLC 保护程序举例: 只要If> Imax + (设定城市轨道交通直流供电的控制和保护系统低压电器( 2000 №6) 值),开始计时t ,当t > T +(设定值),则跳闸。
(2) Imax -保护。通过分析馈电回路的反向电流If,检测低于断路器整定值的短路电流和过载电流。
PLC 保护程序举例: 只要If< Imax-(设定值),开始计时t ,当t > T -(设定值),则跳闸。
(3) DDL 保护(d i/d t 、ΔI 、T) 。此功能用于线路馈电断路器,通过分析电流上升率di/d t 、电流增加的时间t 及电流增量ΔI ,检测远距离短路故障,其故障电流值低于断路器的整定值。
当检测到的电流曲线的斜率在给定的时间T 内超过d i/d t 的设定值,继电器动作。机车的起动电流的上升率通常超过d i/d t 的设定值,但在时间T 内会恢复正常,所以不会误动作。PLC 保护程序举例: 测量馈电电流及其d i/d t 。将d i/d t 与设定值E 和F 比较。如果di/d t > E ,则开始测量电流增量(ΔI) 和时间( t): ①ΔI 大于设定值,则经一段时间tΔI 延时后跳闸; ② t > T (设定值),且ΔI 大于最小设定值,则跳闸。
如果在检测到ΔI 或T 前,d i/d t < F ,则测量值ΔI 和t 复零。
(4) 热保护。此功能对断路器、供电线路(电缆、接触网) 等提供热过载保护。因为长期大电流会使供电导体发热,从而可能导致供电导体,尤其是接触网变软。
连续测量馈电电流,计算热载θt,θt 为被保护装置的额定电流In 和时间常数τ的函数。热计算的公式:
θ=(1 -e-t/τ) ( I/ In) 2 PLC 通电后,θt 的初始值θt= 0. 98 θA,θA
t
0
为设定的报警值。断路器合闸后,馈电回路流过大电流,当达到θA 时,PLC 发出警报。如果θt 继续上升,当θt ≥1. 01 θA 时,PLC 发出指令使断路器分闸,同时可发出闭锁信号。只有当θt<θA 时,断路器才能重新合闸。
通过测量和分析馈电回路的电压,实现对线路的保护。
(1) 铁轨带电(监测馈电电压Uf) 。连续测量Uf,如果Uf> 设定值,表明铁轨带电。
(2) ΔU 保护。当某段线路已从另一端受电(双边供电) 时,如果整流器电压与回流网电压之间的电压差有引起大电流的危险,则断路器不能合闸。此功能可与线路测试功能连在一起。
PLC 保护程序举例。测量电压Uf 和整流器电压Ur:如Ur-Uf< 设定值ΔUr -f,断路器可以合闸;如Ur-Uf> 设定值ΔUr-f,合闸程序终止,指示“闭锁”。
(3) Uf ,min ( Uf ,low) 保护。检测远离电源点的压降。测量Uf,如果Uf< 设定值Uf ,low ,且时间超过设定值tU,则使断路器分闸。
2. 3. 3 阻抗参数的测量通过测量馈电回路的电流和电压,出阻抗并加以分析,实现对线路的保护。
通过分析线路阻抗来控制线路故障。电压下降阻抗见图2。阻抗的设定值应选为最高阻抗值,以保证列车的起动电流不使断路器跳闸,而对于远距离故障造成的低阻抗必须能使断路器跳闸。
图2 电压下降阻抗图
PLC 保护程序举例。连续测量馈电电压Uf 和馈电电流If,计算出阻抗Z。有3 个跳闸区(见图2) :如Z(计算值)< Z (设定值),断路器跳闸; 如Uf< Uunder : ① If< Ico -n,且t > Tr,断路器跳闸。② Ico-n< If< Ico -p,且t > Tf,则断路器跳闸。
3 控制和保护系统SEPCOS
3. 1 概 述
SEPCOS 是瑞士赛雪龙公司研制的远方控制和保护系统,用于城市轨道系统、铁路系统等。它是基于几个微处理器的多功能系统, 对直流变电所的馈电单元和整流器单元提供控制和保护。
SEPCOS 具有模块化、易于扩展、适应性强低压电器( 2000 №6) 城市轨道交通直流供电的控制和保护系统(通过软件) 等特点。此外,它是一个非常开放的系统,能与其他通信设备进行通信。
3. 2 功 能
SEPCOS 具有很多控制和保护功能,可满足牵引供电系统的各种需要。这些功能分为模拟输入测量和保护、控制、记录和通信四组。测量、保护和通信功能软件存于EPROM , 控制程序存储在EEPROM , 而且可从串行线或下载,重新编程。
(1) 馈电保护功能。包括:馈电电压Uf 监视(轨道带电) 、ΔU 保护、DDL (ΔI, T) 双向保护、Ufmin 保护、热保护、Imax + 和Imax -保护、馈电绝缘故障检测、断续弧、电压下降等。
(2) 整流器保护功能。包括: 三相短路保护、三相过流保护I> 、热保护、Imax + 和Imax-保护。
(3) 记录功能。包括:存储保护功能的参数和激活、控制功能的参数、最近100 个事件的统计资料和最近故障期间馈电电流的曲线(带后备电池) 。
(4) 从串行线或网络上可获得的功能和信息。包括: ① 读和/ 或修改总参数; ② 读和/ 或修改保护功能的参数; ③ 读电流、电压的测量值; ④ 读保护功能的结果; ⑤ 最近100 个事件的统计资料; ⑥ 存储最近故障期间馈电电流的曲线; ⑦ 读和/ 或修改SEPCOS 的时间和日期; ⑧ 读以太网修改控制功能的参数; ⑨ 读软件版本号。
图3 SEPCOS 系统通信方式1 —串行线RS232 2 —局部通信RS4852Profibus 3 —数据网络X. 25 或以
3. 3 通 信SEPCOS 系统提供下列通信方式(见图3) :
① 串行线RS232 与PC 机相连, 仅用于就地通信;
② Profibus FMS/ Modbus/ Modbus + R 网络通信(也可选择其他数据总线系统),用于局部通信;
③ 以太网;
④ X. 25 网。所有SEPCOS 彼此相接,一个连接可与所有SEPCOS 通信。Profibus FMS 允许主机和从机之间进行通信。在同一网络中允许使用几个主机,但通信只能在主机和从机之间(不能在主机之间) 。数据传输速率可达500 kb/ s。Profibus FMS 通信举例(见图4) 。
图4 Profibus FMS 通信
变电站中用双绞线环通信。环形接线仅为一个例子。在此例中, MM I 作为Profibus 网的主机。用于测量和保护的软件储存于EPROM , 用于数据交换和通信的中心软件储存于2 个EPROM , 控制软件储存于2 个EEPROM , 参数和记录的信息储存于RAM(带后备电池) 。
3. 4 模块化
SEPCOS 的最大优势之一就是模块化,可增加或更换各种线路板。铝合金机箱耐腐蚀,电磁兼容性(EMC) 好。SEPCOS 具有如下组件:
① V IUC 板。这是CPU 板,它包括通信、数据交换和控制软件。
② V PC 板。带微处理器,作为从机,包括测量和保护软件。带模拟输入和快速输出。
③ VM I 板。输入板,作为从机,12 个数字输入。
④ VMO 板。输出板,作为从机,12 个输出。
⑤ 数字电源板。
⑥ 其他板(如:通信/ 数据网络板) 。
4 结束语
轨道交通直流供电的控制和保护系统对保证轨道交通系统的安全、可靠的运行具有重要的作用。随着微电子技术、计算机技术、网络技术的进步和互联网技术的飞速,我们已经、也将进一步将这些最新技术应用到直流快速断路器、控制和保护装置上。SEPCOS 是目前世界上较先进的直流供电专用控制和保护装置之一。在掌握上述控制和保护原理的基础上,我们将一方面加速开发出智能化、可通信直流快速断路器,另一方面进一步研制更完美的控制和保护装置,以满足直流供电安全、可靠、便捷、自动化的要求,从而迅速提高我国轨道交通的直流供电系统水平。
1 刘 景. 城市快速轨道交通市场综述,上海电器技术, 1999 , (4)
2 张建根,蔡 波. 地铁直流牵引系统的短路试验与保护配合. 地下铁道文集
3 EN 50123. Railway Applications2Fixed Installations2D. C. Switchgear.