直流牵引馈线微机保护装置解读

截面的周长P决定电阻。
r1
A

r2

P
2
1.3 等效圆柱体阻抗
z r jl i I0 (a i ) 2a I1(a i )
1.4 外电感的计算
外电感是导电体以外，空气中的磁链引 起的电感。整个直流牵引网的外电感可以 由牵引网的正极导体（三轨）和电流回流 的负极铁轨（走行轨）引起在空气中的磁 链来计算。
4.1.1 Imax+,Imax- 保护方法
即最大电流保护，保护范围为近供电车 站馈线短路故障。保护特点是电流定值大、 动作时间短，类似交流保护中的电流速断 保护。
4.1.2 标准反时限保护
按照BS 142/IEC 255 3/10 标准，反时 限保护动作时间由以下公式确定：
0.14
t
*T
I 0.02 1
五 结论
1 考虑轨道集肤效应的短路故障电流比传 统方法计算的短路电流更加准确
2 小波变换的保护方法能够很好的区分机 车起动电流与远端短路故障电流
3 硬件调试工作的顺利完成使得硬件设计 基本完成
4 借鉴交流保护程序，保护装置的软件框 架编写基本完成
1.1 轨道特性分析
轨道容易受到集肤效应的影响是由其组成 材料和形状所决定的，轨道是由钢和少量的 添加剂制作而成。常使用 “透入深度”d来表示集肤效 应的大小
d 2 1
f
1.2 轨道阻抗值的计算
考虑直流和高频交流电流两种极限状态，
直流时电流均匀分布截面上，截面面积A 决定电阻；高频交流时集肤效应使得电流 分布到导体的表面上，
4.1.3 时限过流保护
时限过流保护类似交流三段式电流保 护中的二段保护，其保护原理和Imax保 护一致，但保护电流定值小于Imax电流 定值，时间定值长于Imax的时间定值， 可以作为Imax的后备保护。
4.1.4 过负荷保护
过负荷保护电流定值一般较小，防 止机车过载长时间运行烧毁设备，一般 可设置一个告警信号，当发生过负荷现 象时，发出告警信号而不跳闸。当长时 间过负荷时，保护要实现跳闸功能。
通过protel软件对保护装置进行设计并 制板，对实验板进行调试。调试内容硬件 主要包括调试通信模块，包括232/485 、 can网，A/D采样模块，数据采集隔离放大 模块，E2PROM，看门狗，开入开出电路等。 软件调试主要包括MCF5282芯片的初始化 程序，SCI、SPI、I2C、FLEXCAN等。
2 与传统区分方法di/dt保护相比 ,小波变换的方法 检测的是电流突变的次数，与电量的大小和变 化率无关，因此解决现在di/dt保护存在的问题
3.3 存在的问题
• 分析信号中干扰(噪声)的影响 • 对信号分析时数据窗边界小波变换系数震荡现
象 • 单片机中计算时间的问题
四 直流牵引馈线继电保护装置的软硬 件的设计及调试
2100
I4
A＝
0 I (log((D (a b* j))*(D (a b* j))*(D (a b* j))*(D (a b* j))) 2*
1 * log((D (c d * j))* (D (c d * j))* (D (c d * j))* (D (c d * j))) 4
1 *log((D (e d * j))*(D (e d * j))*(D (e d * j))*(D (e d * j)))) 4
LA

A(D

D0
)

A(D I

a

b*
j)
LC

A(D

D0 )
A(D I 4

e

d
*
j)
LB

A(D

D0 )
A(D I
由于三轨、走行轨位于地铁涵洞内下方 并偏于一侧，洞体结构内四周钢筋密集， 可视为边界磁导率无限大，以镜象法来计 算其外电感。
轨道位置结构图
轨道直角双镜象图
I+
I-
I-
4
4
A I+
667.5
B I-
509
4
2100
I4
-665
-567.5
I4
I+
567.5
665
-509
I-
4
-667.5
I+
C I4
3.1 基于小波变换的保护方法
小波变换是一种信号的时间一尺度 (时间一频率)分析方法，在时频两域 都具有表征信号局部特征的能力，很 适合识别信号中的暂态扰动、突变以 及不连续点。
3.2 小波变换特点
1 由于采用小波变换仅仅是检测突变点，因此小 波函数的选取没有特殊要求，可以采用现有的 小波函数，不需要自己设计新的小波函数
直流牵引馈线微机保护装置的研制
导 师 ：秦立军 学 生 ：崔运海
选题意义
由于我国城市轨道交通起步较晚，所需设 备大多由国外公司提供，因此，国内开发设 计出相应的装置就具有很高的价值，一方面 可以为国家节省投资，同时还可以为生产厂 家带来经济效益.
城市人口增加使轨道交通系统所承担的运 量不断加大，机车出现过载现象，现有微机 保护装置由于定值整定困难会出现无法正确 区分机车起动状态和远端短路故障状态的现 象，从而使整个系统的安全运行出现隐患.
4.2Hale Waihona Puke Baidu软件流程图
通过光纤接收到隔离放大数据采 集模块发来的数据
Imax+、Imax-保护 时限过流保护判别
否 馈线发生故障
是
数字滤波器对数据进行 处理
过流保护 反时限保护 Di/dt保护 （小波变换保护） 判据判别
否 馈线发生故障
是
故障处理 发出跳闸信号
执行其它程序 或返回
4.3 硬件调试工作
三 基于小波变换的区分机车起动电流和远
端短路故障电流的保护方法
目前使用的馈线保护装置中常用增率保 护（di/dt）来区分机车起动电流和远端短 路故障电流，该方法是根据两种电流的特 点而设定的，一般有两个保护定值E、F， E>F，当检测到di/dt>E时，保护开始计时， 若t>T(时间定值)时仍有di/dt>F，则认为 馈线发生短路故障，否则，认为机车起动 状态，保护不动作。基本原理图如下：

c

d
*
j)
4
1
L外

LA
1
LB
1
LC
1.5 短路电流
i() VDC *
1
j Rf () Rs Req j(Lf () Ls Leq)
二 机车起动过程仿真计算
机车起动系统示意图：
三轨
交输 流电 换 系线 流 统路 站
机车 走行轨
2.1 机车仿真模块图
2.2 仿真起动电流与实测电流比较
直流牵引继电保护装置采用模块化设计 思想，装置由两部分组成：位于直流断路 器处的隔离放大数据采集单元和位于保护 柜体上的保护中心单元。硬件基本结构图 如下
4.1 软件设计
直流馈线微机保护装置的软件编写除了 保护判别程序外其它的程序如自检程序、 A/D采样程序、通信程序等与目前电力系统 广泛采用的交流保护装置基本一致 ，所以， 可以借鉴现有的交流保护设计思想。除了 上述提到的di/dt保护外还包括保护近端短 路故障、过负荷等保护方法。
论文所做的主要工作
1. 直流牵引网故障时短路电流的计算 2. 对机车起动过程进行仿真计算 3. 提出一种基于小波变换的区分机车起动
电流和远端短路故障电流的保护方法 4. 直流牵引馈线微机护装置软硬件的设计
及调试
一 直流牵引网故障时短路电流的计算
短路电流是设备选择、保护定值整定的 重要依据，传统的计算方法没有考虑或者较 少考虑轨道的集肤效应，因此，计算电流与 实测电流有很大的差异。本文通过分析轨道 的特性，采用等效圆柱体法考虑了轨道的集 肤效应，通过计算求得频域短路电流，再通 过傅立叶反变换计算时域短路电流。