一種新型微電子斷相保護器的設計與開發

吳昕慧 黃達志

（1.柳州鐵道職業技術學院，廣西柳州 545007；2.南廣鐵路有限責任公司.南寧 535005）

1 問題的提出

為保護三相交流轉轍機的電機運行安全，在其工作時需檢查三相電源是否斷相（缺相）。當發生斷相（缺相）時使保護繼電器落下，切斷轉轍機動作電路，保護三相電機免遭損壞。目前，所采用的斷相保護器，大部分采用鐵磁互感器方式，3個互感器需進行嚴格配對，指標離散性大，質量不穩定。同時，由于互感器次級回路直接驅動保護繼電器，使互感器工作時需通過較高的電壓和電流，造成互感器故障率高，影響設備正常使用。另外，道岔動作電路需設時間繼電器對道岔轉換時間進行限時，以防止因道岔轉換不到位，造成三相電機過載而燒毀。因此，本文提出針對傳統的斷相保護器技術，進行新型微電子斷相保護器的改進設計與應用。

2 系統設計與實現

2.1 設計原則

該新型微電子斷相保護器的設計遵循以下幾個原則。

（1）雙套熱備工作方式：硬件構成雙機系統，雙處理機互為熱備，雙驅動電路互為備用方式，實現多種組合方式。

（2）功能整合：將斷相（缺相）保護、限時保護、過流保護等功能整合為一體。

（3）安全可靠：對三相電流進行隔離采樣，使采樣電路與道岔動作電路無電氣連接，保證道岔動作電路的性能、特性不變，確保采樣電路發生任何故障時不影響道岔動作電路的安全性；通過執行測量采樣→判斷→輸出→回讀的閉環處理，保證意圖與執行的一致性；選用工業級器件，從芯片級保證可靠性。

（4）實時性：采用多處理單元，根據任務性質進行任務分配，最大限度減少主處理機的處理工作量，以保證實時性，向信號集中監測系統提供三相電流數據和各種狀態數據，并有顯示和報警指示，保證限時正確。

2.2 系統設計與實現

系統設計由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由雙套邏輯處理A機和B機、雙套驅動電路組成，完成采樣、處理、控制等功能；軟件部分通過監控程序實現主控機和備機的動態確定、對方狀態的監控、備機無縫投入及A機/B機工作狀態的唯一性管理功能的應用。

2.2.1 硬件設計

硬件原理如圖1所示。

在運行過程中，通過監控程序確定是A機還是B機為主控機，主控機負責完成采樣、處理、控制等任務，而備機則完全處于熱備狀態，不斷監測主機的工作狀態。當主機工作不正常時，備機立即投入運行，升級為主控機，當故障機恢復正常時，自動投入，并處于備用狀態。在硬件設計中自動將A機、B機設置為默認主機和默認備機。

以A機作為主控機為例，當A/B/C三相均輸出正常，即工作電流均達到工作門限時，BHJ才能吸起。先由A驅動電路作為輸出，檢查BHJ是否已經執行，若BHJ吸起，則說明A驅動正常，繼續由A驅動使BHJ吸起；若BHJ不能吸起，則說明A驅動電路故障，轉備驅動（B驅動）工作。當一相及以上的電流小于工作下門限時，退出驅動，進行下一輪的工作過程。

2.2.2 軟件設計

軟件設計的關鍵是主控機和備機的動態確定、對方狀態的監控、備機無縫投入及A/B機工作狀態的唯一性（即在任一時刻，只能一個主控，而另一備用，不能同時雙機主控或雙機同時備用）。為此，設置監控程序，負責確定本機狀態（主控機還是備機）、主控機交權管理、備機熱備投入和A/B機工作狀態的唯一性管理。監控程序的主程序流程如圖2所示。

3 功能及特點

與傳統的斷相保護器比較，采用微電子式可以實現斷相（缺相）保護、限時保護和過流保護；可以進行道岔動作電流的測量，并向微機監測實時提供電流數據及狀態數據；同時保護器設置完善的電流顯示、狀態及故障報警指示。

3.1 完善的保護功能

為保證故障導向安全，采用雙套熱備的工作方式，將斷相（缺相）保護、限時保護、過流保護等功能整合為一體，不管是何種類型斷相，只要檢測出三相電流的不平衡就毫無遺漏地檢測出各種斷相及不對稱故障。

3.2 插接式

設備整體采用插接式，簡化了生產工序，接線簡單，同時安裝和更換方便，大大提高了生產效率，并解決能耗和環保問題。

3.3 高可靠性

采用雙機雙驅動方案，實現A機/A驅動、A機/B驅動、B機/A驅動、B機/B驅動等組合方式，保證監控器故障時不會造成故障升級，確保轉轍機不被燒毀，最大限度保證其可靠性、可用性；對采樣、驅動、執行的信息進行一致性校核，進一步提高安全性、可靠性。

3.4 高精度

為保證雙機的工作協調性和實時性，A/B機間采取定時通信和中斷接收的工作方式，因而產生了附加的執行時間。由于不確定的附加時間的存在有可能造成A/D轉換的結果將超過一定值。因此，通過軟件程序來解決當進行電流采樣時，A/D轉換造成的誤差，從而確保測量值的精確度。

3.5 狀態指示

提供完善的電流顯示、狀態顯示和故障報警指示，實時監測及顯示三相電流并向微機監測系統提供電流數據及狀態數據。

4 斷相保護器的故障-安全分析

研制設計過程中，重點考慮保護器器件發生故障后，保護繼電器錯誤吸起或中斷落下等錯誤動作而失去限時保護功能的問題。保護器故障可大致分為采樣電路、處理電路和驅動電路故障，現將3種情況的故障-安全情況分析如下。

4.1 采樣電路故障

利用互感器對三相動作電流進行隔離采樣。由于采樣電路與原道岔動作電路無電氣連接，不會影響原電路的工作，保證原電路安全。

4.2 處理電路故障

采用硬件“看門狗”，保證程序“跑飛”后自動重啟。單片機系統故障時，單片機的控制輸出端口即動態驅動電路輸入端只會是恒高電平或恒低電平情況，由于采用動態驅動方式，故不可能輸出驅動保護繼電器電源。

4.3 驅動電路故障

處理電路輸出通過光耦使處理電路與動態驅動電路進行隔離；輸出驅動電路采用動態輸出方式（計算機聯鎖采用輸出驅動方式），動態驅動電路只有輸入信號為“1010……”的脈沖信號時才有輸出，當輸入信號為“1111……”或“0000……”不可能有輸出（即處理電路故障時）。如圖3所示，動態驅動電路只有B點信號為交替的高低電平時，才能輸出保護繼電器驅動電源。當發生主驅動電路故障時，將自動改由備驅動電路工作，向保護繼電器輸出動作電壓。

因此，斷相保護器只有雙機或雙驅動同時故障時，才可能發生應該輸出時而沒有輸出，而不會發生不應輸出時錯誤輸出的情況。斷相保護器的設計符合信號設備故障-安全的基本原則。

5 結束語

微電子斷相保護器是一種采用微電子技術改造替代傳統信號器材的產品。通過雙機、雙套熱備及冗余，完善的信號器材在線檢測手段等技術措施，極大提高了信號器材的技術含量和可靠性、安全性、可用性，他的經濟效益、安全效益有著非常廣闊的前景。2009年10月，在黎欽線騰縣站試用，道岔動作電流顯示、豐富的狀態顯示和使用的可靠性，深受使用單位的歡迎。經過近半年的試用，斷相保護器使用正常，達到設計目的。產品的推廣應用將會對保證運輸安全、提高設備可靠性、完善信號維護檢測技術發揮積極作用。

[1]鐵運【2008】142號 鐵路信號維護規則（技術標準Ⅰ）[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]李建新，劉生春，賈培軍.單穩態集成電子斷相保護器的設計與調試[J].電氣電子教學學報，2003，25（2）：84-85.

[3]丁德勤.巧用中間繼電器組成斷相保護器[J].電子制作，2006（5）：10.