牽引供電系統繼電保護裝置硬件設計分析

夏添

（成都交大運達電氣有限公司，四川 成都 611731）

引言

電氣化鐵路以電力機車作為牽引動力，電能通過專用的牽引供電系統從電力系統傳送到電力機車上，牽引供電系統的負荷本身固有的特點是：變化劇烈、非線性、電流回路不可靠等特性，對系統本身及周邊設備都會造成的較大的沖擊和較強的干擾，而且受到雷擊、倒塔、內部過壓以及工作人員操作失誤等都會造成牽引供電系統中各類設備故障，影響牽引供電系統的正常運行。當出現故障時，相應的繼電保護裝置應及時采取有效措施切除故障，確保牽引供電系統及時恢復正常工作、安全可靠的運行。最近CRCC（中國鐵路產品認證中心）將牽引供電系統繼電保護裝置納入了CRCC 認證產品目錄，旨在進一步提升牽引供電系統產品質量，增強系統運行的可靠性。

一、牽引供電系統繼電保護裝置概述

牽引供電系統中繼電保護裝置根據被保護的設備和對象不同分為：主變保護裝置、主變測控裝置、備自投裝置、AT 保護測控裝置、饋線保護測控裝置，以及主變操作箱、通用測控等裝置組成系統，共同完成牽引供電系統相關設備的保護工作。保護裝置應具有以下特點：可靠性好、具有選擇性、速動性、靈敏性等特點，尤其是可靠性，由于鐵路牽引供電系統在列車啟動時電流大，產生的浪涌、快速瞬變等干擾也大，容易造成牽引變電所保護裝置誤動作，嚴重時甚至會燒毀回路及相應設備，因此保護裝置可靠性好就必須具有較強的抗干擾能力，尤其是數據采集模塊中的模擬量輸入回路、開入開出回路等外部連接回路，除了選擇合適的元器件外，合理的結構設計、硬件布局及抗干擾措施都是必須的。

雖然各裝置具體完成的保護功能有不同，但基本功能模塊、硬件結構類似，主要有以下幾個功能模塊：CPU 模塊、數據采集模塊、開入開出模塊、人機接口、電源系統。

二、微機保護裝置硬件設計及分析

牽引供電系統中繼電保護裝置采用1/2 19 英寸6U 標準機箱，采用整面板、后插拔結構，可分為5 個基本功能模塊，各模塊的插件采用后插拔式，接線端子直接安裝在插件上，強電信號從接線端子進入裝置后，變換成為弱電信號到背板，背板在機箱的前部，背板上只有弱電信號。這樣使強弱信號徹底分開，避免了強電信號對弱電信號的干擾。

保護裝置通過數據采集模塊采集各類模擬量包括電流、電壓等電量信號以及銅溫、油溫等非電量信號，同時通過IA 開入模塊接收各隔離開關、斷路器等設備的開關狀態，在CPU 模塊內完成分析及邏輯判斷,并確定被保護設備的運行狀態，如判斷有故障,發出跳閘動作、告警等信號,并通過OA 輸出模塊驅動回路，以切除故障設備，通過以太網通信上送故障、事件報告，完成相應的保護控制功能。

（一）CPU 模塊

裝置采用ADI 雙核DSP 處理器BLACKFIN BF6XX，工作頻率達500MHz,處理器的核1 從FPGA 獲得電流電壓等模擬量，經過保護算法和邏輯判斷，完成保護和控制功能，主要包括：模擬量計算、保護算法和邏輯判斷、開關量輸入信號監視、開關控制命令輸出、故障數據記錄；處理器的核2主要完成通信接口功能，主要包括以太網通信接口以及人機接口部分。裝置采用雙以太網接口，10M/100M 自適應，支持星型、環形等網絡拓撲結構；支持電接口和光纖接口方式；支持IEC60870-5-103、IEC61850等通信規約。CPU 插件的外接端子包括調試串口、運行/告警/電源指示燈、以太網0 口、以太網1 口、光纖環網口、485 信號與檔位控制器通信、485 秒脈沖或IRIG-B碼輸入。

CPU 模塊的可靠運行是保護裝置可靠運行的重要前提，采用了六層板設計，板內部數字地和模擬地分開并單點相連，確保了高頻數字信號與模擬信號之間不產生串擾；數據地址等信號進行等長設計，確保信號傳輸的完整性；重要信號如時鐘進行包地保護，確保運行過程中不受到外部干擾。

（二）數據采集模塊

裝置采用XILINX 的FPGA 實現模擬量采集，通過總線接口與CPU 通信，實現模擬量的采集和上送，對模擬量通道最多的牽引變壓器保護裝置有：高壓側三相電壓、三相電流、低壓側T1T2，F1F2 相電流相電壓，共14 路，其它保護測控裝置的模擬量通道較少，可參考此方案，本設計選用ADI 公司的2 片8 通道的AD 芯片，該芯片支持雙極性輸入、多通道同時采樣，采樣頻率可達200K，采用96 點/周波，采樣頻率為4.8K，滿足要求。

在采樣模塊設計時需要考慮有：1）AD 芯片如何實現自檢，通過給定AD 芯片指定通道一個固定電壓比如5V，每次采樣數據都判斷該通道采樣值是否在指定范圍內，來確定AD 芯片是否在正常工作；2）模擬輸入回路的濾波措施，采用二階RC 低通濾波，濾除高頻干擾信號，同時通過TVS 管將各通道的輸入信號限幅在有限范圍內，以防止損壞后端AD 芯片及其它電路；3）通過實際抗干擾測試在電路板的敏感及有效泄放點增加對地濾波電容，泄放干擾信號；4）輸入通道互感器的抗干擾能力，選擇具有屏蔽功能的互感器，以防止互感器產生或者受到空間干擾，同時，互感器的初級和次級的絕緣要達到3KV 及以上；5）通過電磁兼容項目自測試，優化電路板走線、選擇最優干擾泄放點，尤其是浪涌、快速瞬變等抗干擾能力測試，確保采集數據的可靠性。

（三）開入開出模塊

根據裝置類型不同，可選擇配置1 個或者多個開入、開出模塊，1 個全開入模塊，提供30 路開入量，1 個全開出模塊，提供16 路開出量。開入量以DC220V/110V 的強電形式進入裝置，進入裝置后都通過光耦進行光電隔離，開出量以繼電器空接點形式輸出，開入開出模塊均采用16 位ARM 微處理器實現，與DSP 之間采用CAN 總線進行數據交換。

開入開出模塊設計時需要考慮：（1）強電與弱電回路的隔離措施，每個回路采用光-電隔離方式，隔離電壓達3750V,完全避免強電串擾進入后端弱電回路；（2）強電回路長時間工作的功耗及散熱考慮，尤其是單插件多達30 路開入而且長時間工作；（3）強電回路信號有效范圍，由于外部信號經常存在一定的干擾，個別回路有時高達幾十伏，回路設計時要考慮輸入信號的啟動范圍，依據相關標準為55%-70%的額定范圍，比如為110VDC 的開入信號時啟動電壓范圍為60.5-77V，通過設計保證低于60.5V 的干擾信號是無效信號；（4）開入開出模塊的抗干擾能力，優化電路板走線、選擇最優干擾泄放點，尤其是浪涌、沖擊電壓等測試，確保開入開出模塊可靠工作；（5）開出回路的自檢功能設計，確認開出信號真實有效，才能保證裝置的保護功能可靠動作時，所以需要對開出信號進行自檢，在板內設計了開出信號反饋回路，定時自檢，并形成自檢報告；（6）針對位置監視回路，由于存在長時間通電，需要注意回路的功耗及散熱以及對周邊元器件的影響；（7）針對非電量回路，由于非電量故障動作于直接跳閘，所以必須要防止誤動作，而非電量信號連接的電纜由于耦合等原因造成電容電流較大，還有直接串入交流信號而導致誤動作的事故也存在，這里設計了一種能防止：串入交流信號不誤動作、直流有效信號在指定的55%的額定電壓范圍以下不動作、在70%的額定以上能可靠動作的電路，確保非電量回路的可靠動作于跳閘。

（四）人機接口模塊

裝置采用3.5 英寸液晶屏幕，提供中文顯示界面和中文菜單；裝置具備以太網調試接口，提供維護軟件實現定值整定、故障分析等功能。人機接口模塊設計時尤其需要注意靜電防護能力，通過隔離、屏蔽、接地等方式優化設計，該裝置接觸放電8KV、空氣放電15KV 的要求。

（五）電源模塊

電源模塊通過背板端子給裝置供電，提供2 組穩壓電源輸出：一組5V 電源、一組24V電源，并有電源消失告警接點輸出，具有過載及過電壓保護。5V電源給CPU模塊、采樣模塊、開入開出插件、裝置面板供電；24V 電源給開入開出插件供電；24V 與5V電源不共地，且均不與機殼相連；該插件設置開關，24V 電源指示燈，5V 電源指示燈。

整個裝置電源模塊設計時需要考慮：1）采樣回路的模擬電源穩定、模擬電源與數字電源隔離，這里由于AD 芯片工作在單5V，使用電源模塊輸出的5V 在裝置內分兩路，一路給AD 回路，一路給其它數字回路，并在有效點分割數字地和模擬地，確保模擬回路不受數字信號的干擾；2）繼電器的驅動電壓為24V，注意24V 與5V 之間的隔離和間距，確保繼電器動作時造成的24V 電壓波動不會影響5V 系統；3）整裝置的功耗和熱設計，微機保護裝置整體功耗不大，但需考慮工作時整裝置的最大功耗不能超過電源輸出能力的70%，以確保電源輸出長時間穩定可靠。

除了以上硬件設計思路外，還需要配合軟件方面的完善和優化，借助算法與程序設計的實現，提升裝置的穩定性和抗干擾的能力，比如抗干擾的判據，針對不同的干擾類型，施加不同的算法，確保裝置可靠工作。

四、結語

通過以上思路，針對牽引供電系統設計的各類保護測控裝置有：主變保護裝置、主變測控裝置、AT 保護測控裝置、饋線保護測控裝置、備自投裝置、故障測距裝置、通用測控裝置及操作箱等等，產品具有較高標準的電磁兼容性能，配合完善的產品生產工藝，使產品質量得到了極大的提升，最終該系列產品通過了CRCC 認證，并已經大量應用于實際項目，取得了不錯的經濟效益。