地铁直流馈线保护方案及保护装置设计

第5卷第4期

2009年10月

沈阳工程学院学报(自然科学版)

Journal of Shenyang Instit ute of Engineering (Nat ural Science )

Vol 15No 14Oct. 2009

地铁直流馈线保护方案及保护装置设计

邸荣光

(华东交通大学电气与电子工程学院, 南昌330013)

摘　要:分析了地铁直流馈线保护的原理, 在此基础上给出了馈线保护配置方案. , 该保护装置的硬件为模块化设计, 以DSP 为基础, 集成了监测、运算、、. 最后给出了各保护的故障处理程序流程.

关键词:地铁; 直流; 馈线保护装置; 硬件; 软件

中图分类号:TM922:A :1673-1603(2009) 04-0352-04

　　, 所以直流牵引供电系统的馈线保护对保证地铁牵引变电所安全可靠地向列车供电起着极其重要的作用.

国外直流牵引系统的馈线保护装置已经相当成熟, 如SIEM ENS 公司的DPU96、ABB 2AD TRANS 公司的DCP106、瑞士SHC HRON 公司的SEPCOS 等. [1]经过多年的实践运行证实, 这些保护装置能够满足地铁直流馈线保护的各种要求. 我国在地铁直流供电系统保护方面的基础理论和应用技术研究都还处于起步阶段, 地铁项目大多引进国外的技术和设备, 国产率低, 如广州地铁采用的馈线保护装置是DPU96保护单元, 上海地铁采用的保护装置是DCP106保护单元等. 所以, 研究地铁直流供电系统的保护原理, 研制开发地铁直流保护装置具有十分重要的意义.

大电流脱扣保护动作电流整定值为I dz >K I d min , 其中, K 为可靠系数; I d min 为被保护线路短路电流的最小值.

1. 1. 2　电流上升率及电流增量保护

电流上升率d i /d t 和电流增量ΔI 保护, 是根据故障电流和正常工作电流在上升率上的不同这一特点来实现保护功能的, 两者的不同点是故障电流的上升率是正常工作电流上升率的几十倍甚至上百倍[2].

在实际运用中,d i /d t 和ΔI 是通过相互配合来实现保护功能的, 而且这2种保护的启动条件通常都是同一个预定的电流上升率. 在启动后,2种保护进入各自的延时阶段, 互不影响, 哪个保护先达到动作条件就由哪个来动作. 一般情况下,d i /d t 保护主要针对中远

ΔI 主要针对中近距离的非距离的非金属性短路故障,

金属性短路故障(金属性直接短路故障由断路器自身

的电磁脱扣装置来保护) . 1. 1. 3　定时限过流保护

1　地铁直流馈线保护原理及配置方案

1. 1　保护原理1. 1. 1　大电流脱扣保护

定时限过流保护是一种基于电流幅值的保护, 在保护控制单元中预先整定电流I max 和时间T 值, 再利用通过直流馈线断路器所检测的电流值和预先设定的电流I max 和时间T 值相比较, 当所检测到的馈线电流值在时间T 内超过I max 值时, 过流保护装置动作; 当检测到的馈线电流值在时间T 内不超过I max 值时, 过流保护装置不动作.

根据对整定电流I max 值的设定, 可分别设定为正向的I max +值和反向的I max -值, 故可将定时限过流保护分为正向过流保护和反向过流保护. 显然, I max 值应

大电流脱扣保护是一种基于电流幅值的保护, 当被保护线路出现很大的短路电流时, 大电流脱扣保护能在短路电流幅值达到电流峰值之前迅速地将短路电流切断. 大电流脱扣保护属于直流馈线回路断路器的本体装置, 采用电磁脱扣的原理, 短路点距离变电所越近, 短路电流的上升率越大, 电磁脱扣跳闸时间也就越短, 一般固有动作时间仅为几ms. 所以大电流脱扣保护对于接触网近端短路故障灵敏性非常高, 因此大电流脱扣保护主要用于近端短路保护.

收稿日期:2009-03-11

作者简介:邸荣光(1972-) , 女, 河北秦皇岛人, 副教授, 硕士.

第4期

邸荣光:地铁直流馈线保护方案及保护装置设计　・・353

小于大电流脱扣保护装置动作值. 1. 1. 4　双边联跳保护护才能使断路器重新投入使用.

2) 电压检测与原理. 当直流设备内正极对外壳发生短路故障时, 地电位会升高, 此时电压检测元件就会在钢轨和地之间检测到电压, 并且将检测到的电压值与电压检测元件整定值相比较. 若检测电压值大于电压检测元件整定值, 电压检测元件以整定的时间动作, 断开35kV 断路器以及所有直流断路器, 并且通过双边联跳保护使相邻牵引变电所向相同供电区段供电的断路器断路. , 故障排除后, 需要.

, 在排流柜不投入使后备保护. 由于认为很难控制钢轨对地绝缘泄漏电阻的大小, 若钢轨对地绝缘性能好, 接地电流小, 电流检测元件很有可能不动作, 但是电压检测元件可以检测到故障点地和钢轨之间的电压, 使断路器跳闸, 将故障切除. 1. 2　配置方案

为了满足地铁直流馈线保护的快速性、可靠性、选择性和灵敏性的要求, 各保护之间要能合理地配合, 故在以上对地铁直流馈线保护原理研究的基础上得出保护的配置方案, 逻辑框图如图1所示.

双边联跳保护是一种为了更加安全地向接触网供电, 在故障情况下确保相邻变电所可靠跳闸而设置的保护[3]. 双边联跳保护能够增强主保护的可靠性和灵敏性.

1. 1. 5　低电压保护

低电压保护一般作为后备保护使用, 与其他保护互相配合, 而不作为单独的保护使断路器跳闸. 它和定时限过流保护一样, 也预先设定了整定值U flow 和延时时间t uf , 但U flow 和t uf 的启动电流和启动持续时间, 运行情况相互配合.

, 低U f . 若所测量压降U f

U flow 的持续时间大于设定的延时时间t uf 时, 低电压保

护动作使断路器跳闸. 故与定时限过流保护一样, 低电压保护动作也要同时满足2个条件, 即U f t uf . 1. 1. 6　接触网热力过负荷保护接触网热力过负荷保护主要是根据接触网的电阻率、电阻率修正系数、长度、横截面积、电流等计算出接触网的发热量, 再由经验公式给出接触网的电缆温度, 当测量的电缆温度超过T alarm 时发出警报, 超过T trip 则跳开给该接触网供电的直流开关, 开关跳开后, 当电缆温度冷却至低于T reclose 时, 重新合上直流开关, 继续给该接触网供电. 1. 1. 7　框架泄漏保护

框架泄漏保护主要由电流检测元件和电压检测元件构成. 电流检测元件是接在绝缘的开关柜外壳和变电所接地网之间的, 有一个能承受100kA 短路电流、电阻为0115m Ω的分流器和它并联使用. 电压检测元件是一端接在直流电源负极, 一端接在设备外壳的元件, 在测量电压时,0115m Ω的分流器形成的电压趋于0, 可以忽略不计. 框架泄漏保护的原理如下.

1) 电流检测原理. 在直流供电系统正常运行的情况下, 电流检测回路是没有电流的. 一旦任何一个直流设备内正极对外壳发生短路故障时, 接地电流就会通过电流检测元件流入接地网, 再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻回到钢轨. 当接地电流达到了整定值时, 电流检测元件动作, 跳开35kV 断路器以及所有直流断路器, 将故障切除. 故障切除后, 需人工复归框架保

图1　保护配置逻辑

2　地铁直流馈线保护装置设计

2. 1　硬件设计

所设计的地铁直流馈线保护装置, 可完成模拟量

输入测量功能、保护功能、数据记录功能、控制功能和通讯功能. 保护装置为模块化设计, 分为主控模块(包含了通讯单元以及数字控制逻辑单元等) 、保护模块、数据采集模块、开关量输入模块以及开关量输出模块, 如图2所示. 　　1) 数据采集模块. 在地铁直流供电系统中, 采集的数据主要是馈线电流、电压信号以及电缆监视信号、负极走行轨信号等. 由于这些模拟量数值很大, 为千安

　・・354沈阳工程学院学报(自然科学版) 第5

卷

线圈回路故障信号、测量熔断器故障信号、测试熔断器信号、手车位置信号、控制回路与DS 马达回路信号、

马达热故障信号、DS 锁定信号、DS 分合闸信号、保护装置接通信号、远方模式信号等.

开关量输入模块的主要功能是将开关量信号通过信号转换、光电隔离、并行I/O 接口转换成微处理器可以处理的电平信号.

5) 模拟量输出模块. 开关量输出模块的输出过程是主控处理器通过并行I/, 再进入A . 图2　级, 远远超过保护装置所要求的输入标度的数量级, 因此, 目前地铁直流系统保护模拟量的输入都采用直流变换元件进行变换, 直流电流信号通过分流器或直流大电流互感器获得; 直流电压信号通过直流电压互感器获得.

2) 保护模块. 保护模块的主要功能有接收数据采集模块传输的数字量输入信号、数据处理、向主控模块中的数字控制逻辑单元发送保护触发信号等. 其中接收数据采集模块传输的数字量输入信号功能, 可以通过数据采集模块的并行接口与保护模块CPU 的并行接口实现; 向主控模块中数字控制逻辑单元发送保护触发信号的功能, 是通过保护模块中的软件部分实现的.

在设计中, 保护模块控制芯片采用TMS320F206, 外部扩展采用EPROM 、SRAM 和双口RAM 与主控制板进行数据交换, 并且保护模块外接

软件设计和开发过程中, 编写了主程序、采样中断

服务程序、故障处理程序的流程以及各个保护程序, 并进行了调试. 限于篇幅, 此处只介绍故障处理程序、电流上升率d i /d t 及电流增量ΔI 保护、框架泄漏保护的流程, 分别如图3、图4和图5所示

.

电源监控器件MAX1232以及时钟电路.

3) 主控模块. 主控模块负责完成运算、控制、数字逻辑、通讯处理等多种复杂的功能, 是整个保护装置的核心部分. 其中, 微处理器采用TMS320F206, 外部扩展8k 字节容量的SRAM 和16k 字节容量的EPROM , 同时通过双口RAM 器件ID T7134与保护

模块连接; 复杂的可编程器件采用XC9500系列CPLD ; 微处理器电源监控芯片采用与保护模块一样

的MAX1232芯片.

4) 开关量输入模块. 在地铁直流供电系统中, 开关量输入信号主要有:跳闸与闭锁信号、联跳输入信号、高速开关分合闸信号、加热器回路故障信号、高速开关

图3　故障处理程序流程

第4期

邸荣光:地铁直流馈线保护方案及保护装置设计　・・355

图5　框架泄漏保护程序流程

护配置方案, 对直流馈线保护装置进行了硬件设计和软件设计. 经开发过程中大量的试验证明, 该保护装置动

作速度快, 可靠性高, 能满足地铁直流馈线保护的要求. 参考文献

[1]刘　璟. 地铁直流牵引供电系统检测与保护的研究[D ].镇

江:江苏大学,2006.

[2]丁丽娜. 地铁直流牵引供电系统馈线的保护方法[J].供用

电,2004,21(6) :12-14.

[3]王晓红. 地铁直流馈线保护研究[D].成都:西南交通大学,

2002.

[4]朱潘峰. 地铁直流牵引供电系统微机保护的研究[D ].天

津:天津大学,2006.

图4　电流上升率d i /d t 保护程序流程

3　小　结

在研究地铁直流馈线保护原理的基础上, 得出保

The design of protection plan and protection device for DC feeder in subw ay

DI Rong 2guang

(School of E lectrical and E lectronic Engineering Departments ,East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China )

Abstract :I n t his p ap e r , f irstly , t he p ri ncip les of p rotection f or f eeder i n D C p ower supply syste m a re a na 2

lyzed. Secondly , t he f eede r li ne ’s p rotection sche me is p rese nte d. Fi nally , t he ha r dwa re a nd sof twa re of t he device a re designed. The microp rocessor 2based D C f ee de r p rotection device is modula r designe d. It is based on DS P , a nd is i ntegrated of monit ori ng , calculation , cont rol , i np ut , outp ut a nd com munication f unctions. The sof twa re f low c ha rts of each p rotection a re illust rated at last.

K ey w ords :subway ; D C ;f ee der p rotection device ; ha r dwa re ,sof twa re

第5卷第4期

2009年10月

沈阳工程学院学报(自然科学版)

Journal of Shenyang Instit ute of Engineering (Nat ural Science )

Vol 15No 14Oct. 2009

地铁直流馈线保护方案及保护装置设计

邸荣光

(华东交通大学电气与电子工程学院, 南昌330013)

摘　要:分析了地铁直流馈线保护的原理, 在此基础上给出了馈线保护配置方案. , 该保护装置的硬件为模块化设计, 以DSP 为基础, 集成了监测、运算、、. 最后给出了各保护的故障处理程序流程.

关键词:地铁; 直流; 馈线保护装置; 硬件; 软件

中图分类号:TM922:A :1673-1603(2009) 04-0352-04

　　, 所以直流牵引供电系统的馈线保护对保证地铁牵引变电所安全可靠地向列车供电起着极其重要的作用.

国外直流牵引系统的馈线保护装置已经相当成熟, 如SIEM ENS 公司的DPU96、ABB 2AD TRANS 公司的DCP106、瑞士SHC HRON 公司的SEPCOS 等. [1]经过多年的实践运行证实, 这些保护装置能够满足地铁直流馈线保护的各种要求. 我国在地铁直流供电系统保护方面的基础理论和应用技术研究都还处于起步阶段, 地铁项目大多引进国外的技术和设备, 国产率低, 如广州地铁采用的馈线保护装置是DPU96保护单元, 上海地铁采用的保护装置是DCP106保护单元等. 所以, 研究地铁直流供电系统的保护原理, 研制开发地铁直流保护装置具有十分重要的意义.

大电流脱扣保护动作电流整定值为I dz >K I d min , 其中, K 为可靠系数; I d min 为被保护线路短路电流的最小值.

1. 1. 2　电流上升率及电流增量保护

电流上升率d i /d t 和电流增量ΔI 保护, 是根据故障电流和正常工作电流在上升率上的不同这一特点来实现保护功能的, 两者的不同点是故障电流的上升率是正常工作电流上升率的几十倍甚至上百倍[2].

在实际运用中,d i /d t 和ΔI 是通过相互配合来实现保护功能的, 而且这2种保护的启动条件通常都是同一个预定的电流上升率. 在启动后,2种保护进入各自的延时阶段, 互不影响, 哪个保护先达到动作条件就由哪个来动作. 一般情况下,d i /d t 保护主要针对中远

ΔI 主要针对中近距离的非距离的非金属性短路故障,

金属性短路故障(金属性直接短路故障由断路器自身

的电磁脱扣装置来保护) . 1. 1. 3　定时限过流保护

1　地铁直流馈线保护原理及配置方案

1. 1　保护原理1. 1. 1　大电流脱扣保护

定时限过流保护是一种基于电流幅值的保护, 在保护控制单元中预先整定电流I max 和时间T 值, 再利用通过直流馈线断路器所检测的电流值和预先设定的电流I max 和时间T 值相比较, 当所检测到的馈线电流值在时间T 内超过I max 值时, 过流保护装置动作; 当检测到的馈线电流值在时间T 内不超过I max 值时, 过流保护装置不动作.

根据对整定电流I max 值的设定, 可分别设定为正向的I max +值和反向的I max -值, 故可将定时限过流保护分为正向过流保护和反向过流保护. 显然, I max 值应

大电流脱扣保护是一种基于电流幅值的保护, 当被保护线路出现很大的短路电流时, 大电流脱扣保护能在短路电流幅值达到电流峰值之前迅速地将短路电流切断. 大电流脱扣保护属于直流馈线回路断路器的本体装置, 采用电磁脱扣的原理, 短路点距离变电所越近, 短路电流的上升率越大, 电磁脱扣跳闸时间也就越短, 一般固有动作时间仅为几ms. 所以大电流脱扣保护对于接触网近端短路故障灵敏性非常高, 因此大电流脱扣保护主要用于近端短路保护.

收稿日期:2009-03-11

作者简介:邸荣光(1972-) , 女, 河北秦皇岛人, 副教授, 硕士.

第4期

邸荣光:地铁直流馈线保护方案及保护装置设计　・・353

小于大电流脱扣保护装置动作值. 1. 1. 4　双边联跳保护护才能使断路器重新投入使用.

2) 电压检测与原理. 当直流设备内正极对外壳发生短路故障时, 地电位会升高, 此时电压检测元件就会在钢轨和地之间检测到电压, 并且将检测到的电压值与电压检测元件整定值相比较. 若检测电压值大于电压检测元件整定值, 电压检测元件以整定的时间动作, 断开35kV 断路器以及所有直流断路器, 并且通过双边联跳保护使相邻牵引变电所向相同供电区段供电的断路器断路. , 故障排除后, 需要.

, 在排流柜不投入使后备保护. 由于认为很难控制钢轨对地绝缘泄漏电阻的大小, 若钢轨对地绝缘性能好, 接地电流小, 电流检测元件很有可能不动作, 但是电压检测元件可以检测到故障点地和钢轨之间的电压, 使断路器跳闸, 将故障切除. 1. 2　配置方案

为了满足地铁直流馈线保护的快速性、可靠性、选择性和灵敏性的要求, 各保护之间要能合理地配合, 故在以上对地铁直流馈线保护原理研究的基础上得出保护的配置方案, 逻辑框图如图1所示.

双边联跳保护是一种为了更加安全地向接触网供电, 在故障情况下确保相邻变电所可靠跳闸而设置的保护[3]. 双边联跳保护能够增强主保护的可靠性和灵敏性.

1. 1. 5　低电压保护

低电压保护一般作为后备保护使用, 与其他保护互相配合, 而不作为单独的保护使断路器跳闸. 它和定时限过流保护一样, 也预先设定了整定值U flow 和延时时间t uf , 但U flow 和t uf 的启动电流和启动持续时间, 运行情况相互配合.

, 低U f . 若所测量压降U f

U flow 的持续时间大于设定的延时时间t uf 时, 低电压保

护动作使断路器跳闸. 故与定时限过流保护一样, 低电压保护动作也要同时满足2个条件, 即U f t uf . 1. 1. 6　接触网热力过负荷保护接触网热力过负荷保护主要是根据接触网的电阻率、电阻率修正系数、长度、横截面积、电流等计算出接触网的发热量, 再由经验公式给出接触网的电缆温度, 当测量的电缆温度超过T alarm 时发出警报, 超过T trip 则跳开给该接触网供电的直流开关, 开关跳开后, 当电缆温度冷却至低于T reclose 时, 重新合上直流开关, 继续给该接触网供电. 1. 1. 7　框架泄漏保护

框架泄漏保护主要由电流检测元件和电压检测元件构成. 电流检测元件是接在绝缘的开关柜外壳和变电所接地网之间的, 有一个能承受100kA 短路电流、电阻为0115m Ω的分流器和它并联使用. 电压检测元件是一端接在直流电源负极, 一端接在设备外壳的元件, 在测量电压时,0115m Ω的分流器形成的电压趋于0, 可以忽略不计. 框架泄漏保护的原理如下.

1) 电流检测原理. 在直流供电系统正常运行的情况下, 电流检测回路是没有电流的. 一旦任何一个直流设备内正极对外壳发生短路故障时, 接地电流就会通过电流检测元件流入接地网, 再通过钢轨与地之间的绝缘泄漏电阻回到钢轨. 当接地电流达到了整定值时, 电流检测元件动作, 跳开35kV 断路器以及所有直流断路器, 将故障切除. 故障切除后, 需人工复归框架保

图1　保护配置逻辑

2　地铁直流馈线保护装置设计

2. 1　硬件设计

所设计的地铁直流馈线保护装置, 可完成模拟量

输入测量功能、保护功能、数据记录功能、控制功能和通讯功能. 保护装置为模块化设计, 分为主控模块(包含了通讯单元以及数字控制逻辑单元等) 、保护模块、数据采集模块、开关量输入模块以及开关量输出模块, 如图2所示. 　　1) 数据采集模块. 在地铁直流供电系统中, 采集的数据主要是馈线电流、电压信号以及电缆监视信号、负极走行轨信号等. 由于这些模拟量数值很大, 为千安

　・・354沈阳工程学院学报(自然科学版) 第5

卷

线圈回路故障信号、测量熔断器故障信号、测试熔断器信号、手车位置信号、控制回路与DS 马达回路信号、

马达热故障信号、DS 锁定信号、DS 分合闸信号、保护装置接通信号、远方模式信号等.

开关量输入模块的主要功能是将开关量信号通过信号转换、光电隔离、并行I/O 接口转换成微处理器可以处理的电平信号.

5) 模拟量输出模块. 开关量输出模块的输出过程是主控处理器通过并行I/, 再进入A . 图2　级, 远远超过保护装置所要求的输入标度的数量级, 因此, 目前地铁直流系统保护模拟量的输入都采用直流变换元件进行变换, 直流电流信号通过分流器或直流大电流互感器获得; 直流电压信号通过直流电压互感器获得.

2) 保护模块. 保护模块的主要功能有接收数据采集模块传输的数字量输入信号、数据处理、向主控模块中的数字控制逻辑单元发送保护触发信号等. 其中接收数据采集模块传输的数字量输入信号功能, 可以通过数据采集模块的并行接口与保护模块CPU 的并行接口实现; 向主控模块中数字控制逻辑单元发送保护触发信号的功能, 是通过保护模块中的软件部分实现的.

在设计中, 保护模块控制芯片采用TMS320F206, 外部扩展采用EPROM 、SRAM 和双口RAM 与主控制板进行数据交换, 并且保护模块外接

软件设计和开发过程中, 编写了主程序、采样中断

服务程序、故障处理程序的流程以及各个保护程序, 并进行了调试. 限于篇幅, 此处只介绍故障处理程序、电流上升率d i /d t 及电流增量ΔI 保护、框架泄漏保护的流程, 分别如图3、图4和图5所示

.

电源监控器件MAX1232以及时钟电路.

3) 主控模块. 主控模块负责完成运算、控制、数字逻辑、通讯处理等多种复杂的功能, 是整个保护装置的核心部分. 其中, 微处理器采用TMS320F206, 外部扩展8k 字节容量的SRAM 和16k 字节容量的EPROM , 同时通过双口RAM 器件ID T7134与保护

模块连接; 复杂的可编程器件采用XC9500系列CPLD ; 微处理器电源监控芯片采用与保护模块一样

的MAX1232芯片.

4) 开关量输入模块. 在地铁直流供电系统中, 开关量输入信号主要有:跳闸与闭锁信号、联跳输入信号、高速开关分合闸信号、加热器回路故障信号、高速开关

图3　故障处理程序流程

第4期

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图5　框架泄漏保护程序流程

护配置方案, 对直流馈线保护装置进行了硬件设计和软件设计. 经开发过程中大量的试验证明, 该保护装置动

作速度快, 可靠性高, 能满足地铁直流馈线保护的要求. 参考文献

[1]刘　璟. 地铁直流牵引供电系统检测与保护的研究[D ].镇

江:江苏大学,2006.

[2]丁丽娜. 地铁直流牵引供电系统馈线的保护方法[J].供用

电,2004,21(6) :12-14.

[3]王晓红. 地铁直流馈线保护研究[D].成都:西南交通大学,

2002.

[4]朱潘峰. 地铁直流牵引供电系统微机保护的研究[D ].天

津:天津大学,2006.

图4　电流上升率d i /d t 保护程序流程

3　小　结

在研究地铁直流馈线保护原理的基础上, 得出保

The design of protection plan and protection device for DC feeder in subw ay

DI Rong 2guang

(School of E lectrical and E lectronic Engineering Departments ,East China Jiaotong University ,Nanchang 330013,China )

Abstract :I n t his p ap e r , f irstly , t he p ri ncip les of p rotection f or f eeder i n D C p ower supply syste m a re a na 2

lyzed. Secondly , t he f eede r li ne ’s p rotection sche me is p rese nte d. Fi nally , t he ha r dwa re a nd sof twa re of t he device a re designed. The microp rocessor 2based D C f ee de r p rotection device is modula r designe d. It is based on DS P , a nd is i ntegrated of monit ori ng , calculation , cont rol , i np ut , outp ut a nd com munication f unctions. The sof twa re f low c ha rts of each p rotection a re illust rated at last.

K ey w ords :subway ; D C ;f ee der p rotection device ; ha r dwa re ,sof twa re