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於可編程控制器(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 。
軌道交通採用直流供電。直流供電系統包括直流開關櫃、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,人們採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 是採用基於可編程控制器(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。
本文敘述了基於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
控制系統通常僅用於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 脈衝,使合閘線圈得電,然後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 脈衝,合閘線圈得電,斷路器合閘,合閘後合閘線圈失電;其分閘程序為: 輸入1 s 脈衝,分閘線圈得電,斷路器分閘,分閘後分閘線圈失電。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,並發出聯跳信號,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,並鎖定。在斷路器重合閘並使其他斷路器合閘後,PLC 取消聯跳信號。
(3) 自動重合閘。自動重合閘系統僅用於線路饋電斷路器,其作用就是過流脫扣器動作後,讓斷路器自動重合閘。對於牽引系統,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。但由於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,則閉鎖重合閘迴路。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後重新合閘,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迴路來實現防跳功能,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衝給合閘系統,當原合閘信號解除後, 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。如此反覆,如發生N 次跳閘,則PLC 將不再發生斷路器合閘指令,並指示「閉鎖」。
2. 2 線路測試系統( EDL)
線路測試系統也用於線路饋電斷路器。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。在開關櫃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迴路電阻,確定是否可以合閘。如果測得的電壓值低於預定值,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 (採用雙邊供電,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,重複測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,重複測N 次,然後測試停止,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) 能適用於所有線路供電方案,如單邊供電、同一變電所內幾個整流器並列供電、相鄰變電所整流器並列雙邊供電等。
(2) 能區分牽引電流和故障電流、基本保護和後備保護。
(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) 。本文主要討論後一種保護。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 饋電迴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) 小於斷路器的整定值,通過測量、分析饋電迴路的正向電流If,可檢測低於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。通過分析饋電迴路的反向電流If,檢測低於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) 。此功能用於線路饋電斷路器,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,其故障電流值低於斷路器的整定值。
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 大於設定值,則經一段時間tΔI 延時後跳閘; ② t > T (設定值),且ΔI 大於最小設定值,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 通電後,θt 的初始值θt= 0. 98 θA,θA
t
0
為設定的報警值。斷路器合閘後,饋電迴路流過大電流,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。
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 。
軌道交通採用直流供電。直流供電系統包括直流開關櫃、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,人們採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 是採用基於可編程控制器(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。
本文敘述了基於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
控制系統通常僅用於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 脈衝,使合閘線圈得電,然後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 脈衝,合閘線圈得電,斷路器合閘,合閘後合閘線圈失電;其分閘程序為: 輸入1 s 脈衝,分閘線圈得電,斷路器分閘,分閘後分閘線圈失電。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,並發出聯跳信號,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,並鎖定。在斷路器重合閘並使其他斷路器合閘後,PLC 取消聯跳信號。
(3) 自動重合閘。自動重合閘系統僅用於線路饋電斷路器,其作用就是過流脫扣器動作後,讓斷路器自動重合閘。對於牽引系統,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。但由於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,則閉鎖重合閘迴路。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後重新合閘,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迴路來實現防跳功能,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衝給合閘系統,當原合閘信號解除後, 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。如此反覆,如發生N 次跳閘,則PLC 將不再發生斷路器合閘指令,並指示「閉鎖」。
2. 2 線路測試系統( EDL)
線路測試系統也用於線路饋電斷路器。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。在開關櫃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迴路電阻,確定是否可以合閘。如果測得的電壓值低於預定值,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 (採用雙邊供電,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,重複測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,重複測N 次,然後測試停止,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) 能適用於所有線路供電方案,如單邊供電、同一變電所內幾個整流器並列供電、相鄰變電所整流器並列雙邊供電等。
(2) 能區分牽引電流和故障電流、基本保護和後備保護。
(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) 。本文主要討論後一種保護。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 饋電迴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) 小於斷路器的整定值,通過測量、分析饋電迴路的正向電流If,可檢測低於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。通過分析饋電迴路的反向電流If,檢測低於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) 。此功能用於線路饋電斷路器,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,其故障電流值低於斷路器的整定值。
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 大於設定值,則經一段時間tΔI 延時後跳閘; ② t > T (設定值),且ΔI 大於最小設定值,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 通電後,θt 的初始值θt= 0. 98 θA,θA
t
0
為設定的報警值。斷路器合閘後,饋電迴路流過大電流,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。
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