SEPCOS保护在广州地铁四号线的应用-交通运输职称论文

一、概述
广州地铁四号线直流牵引系统中采用KBM直流金属封闭式开关设备，它由一系列标准化单元组成，主要作为控制和保护设备，向接触轨（网）提供直流牵引电源的分配。而安装在直流快速断路器小车低压室的一体化的控制和保护系统SEPCOS，提供所有的保护、控制和通讯功能。
SEPCOS是基于几个微处理器的多功能电子系统。单机集监视、控制和保护于一体，可用于独立控制装有直流快速断路器的馈电回路或一次回路中装断路器的变压-整流装置。是一种先进的基于可编程控制器(PLC) 的控制和保护装置。SEPCOS 具有模块化、易于扩展、适应性强的城市轨道交通直流供电的控制和保护系统(通过软件)等特点。此外,它是一个非常开放的系统,能与其他通信设备进行通信，SEPCOS通过使用X.25或以太网作为通信标准和中央控制系统（SCADA）进行通讯,易于适应监视网络的未来需求。

二、SEPCOS控制和保护系统的功能
SEPCOS 具有很多控制和保护功能,可满足牵引供电系统的各种需要。这些功能分为提高保护性的模拟输入测量和保护、控制、记录和通信四组。测量、保护和通信功能软件存于EPROM , 控制程序存储在EEPROM , 而且可从串行线或网络下载,重新编程。
SEPCOS系统在基本配置下具有下列功能，每个功能容易被激活或不激活。
馈电回路：DDL保护（△I,T）；DDL双向保护；Imax-和Imax+保护（与 t有关）；Ufeeder监视（线路带电）；△U保护；Ufeeder最小值保护；馈电绝缘故障探测；防跳；间歇弧保护；线路测试；直流快速断路器自动重合闸；联跳；热保护等。
整流器：三相故障保护I>>；三相过流保护I>；Imax-和Imax+保护；热保护；回流保护等。
1 控制功能
控制功能通常用于开关设备的电气合分闸，根据系统的状态和规定的要
求，允许或禁止合闸操作。
1.1 电保持型断路器控制分合闸的功能
电保持型断路器在合闸后只需流过很小的电流即可使断路器保持在合闸位
置。
其合闸顺序为：SEPCOS 输出1s 脉冲，使合闸保持线圈得电。
其分闸顺序为：使合闸保持线圈失电。
1.2 磁保持型断路器控制分合闸的功能
磁保持型断路器的合闸线圈为短时通电型。
其合闸顺序为：SEPCOS 输出1s 脉冲，合闸线圈得电，断路器合闸，合闸
后合闸线圈失电；
其分闸顺序为：SEPCOS 输出1s 脉冲，使合闸线圈流过反磁极电流，断路
器分闸，分闸后合闸线圈失电。
1.3 联跳功能
当SEPCOS 检测到故障（通过保护功能）时，使断路器分闸，并发出联跳
信号，同时使给该段线路或该段网络供电的所有断路器跳闸并锁定。
相邻变电所间的双边联跳：
当本变电所一台断路器跳闸时，必须使相邻变电所内向同一区间供电的断
路器同时跳闸；其功能可通过联跳电缆及两侧直流开关柜中的联跳继电器来实
现,每条馈线SEPCOS 数字式保护监控单元的联跳接收与发送采用独立的回路。
其具体实现过程为：
首先，当故障发生于某一区间时，变电所A内馈线柜的SEPCOS 专用微机
型继电保护和控制综合装置检测到故障，发出信号使馈线柜断路器跳闸，并发
出联跳发送信号。然后，经相邻变电所之间的联跳电缆，将此联跳信号发送到
相邻变电所B内的向同一区间供电的馈线柜内。最后，经邻所馈线柜的联跳接
收继电器进入SEPCOS 专用微机型继电保护和控制综合装置，使邻所馈线断路
器跳闸。如变电所B 内的馈线柜先动作时，其原理相同，但方向相反。
1.4 自动重合闸功能/防跳
自动重合闸是指在线路出现故障断路器分闸后，经过一定延时Delay[s]
后，SEPCOS 发出重合闸命令，使断路器自动重合闸，如果断路器在防跳功能
中设定的时间间隔 T[s]内又被跳开，则计数一次，若被跳开的次数达到预先设
定的次数，则断路器被闭锁。重合闸延时Delay[s]、防跳设定次数N 和防跳的
时间间隔T均可调
自动重合闸系统仅用于线路馈电断路器,其作用就是过流脱扣器动作后,让断路器自动重合闸。由于大部分短路故障通常是短暂的, 所以使用自动重合闸系统可提高系统的可靠性。
1.5 线路测试功能
在断路器合闸前，对线路进行测试，以防止断路器合闸于故障线路上。整个测试回路由电阻，熔断器，接触器和采样模块组成，将母线电压通过测试回路加到馈线回路，测量回路电阻来判断是否可以合闸。线路测试次数N、两次测试的间隔D、每次测试的时间T均可调。
下面就几种情况分别加以阐述：
(1) 测量馈线电压Uf，如果馈线电压Uf >Uf Low (此时线路已由另一断路器供
电)，直接合闸本所断路器。
(2) 测量馈线电压Uf，如果馈线电压Uf Low Uf Uf Residue, 在“就地”模式
下，断路器不能合闸并闭锁；在“遥控”模式下，则连续进行线路测试N 次，
每次时间间隔D，若线路中故障存在，断路器不能合闸并闭锁。
(3) 测量馈线电压Uf，如果馈线电压Uf Residue Uf ，闭合线路测试用接触器
T秒，将Ur 加到线路上，测量线路的回路电阻。如果电阻R Rmin，则断路器
合闸。如果电阻Rmin R，在“就地”模式下，线路测试停止并闭锁断路器；
在“遥控”模式下，连续进行线路测试N 次，每次时间间隔D，若线路故障存
在，线路测试停止并闭锁断路器。
2.保护功能
2.1 电流测量
2.1.1 Imax+保护
有时线路中的故障电流（过载电流或短路电流）小于断路器的大电流脱扣
整定值，通过测量、分析馈电回路的正向电流If，可检测出低于断路器整定值
的短路电流和过载电流。
测量正向电流If，如果If 设定的Imax+，SEPCOS 开始计时，如果当计
时t 设定的 T+，则发出跳闸指令。
2.1.2 Imax-保护
通过分析馈电回路的反向电流If，检测低于断路器大电流脱扣整定值的故
障电流。
测量反向电流If，如果If<设定的 Imax-，开始计时，如果t>设定的 T-，发
出跳闸指令。
2.1.3 DDL 保护
DDL 保护是一种反应电流变化趋势的保护，又称电流变化率（di/dt）和电流增量（DI）保护，它逐渐成为直流牵引网末端短路的主保护。
采用DDL 保护功能，在牵引直流供电系统中作为主保护，SEPCOS通过分析馈电电流上升率di/dt、电流增加的时间t 及电流增量I，检测中远距离短路故障，其故障电流值低于断路器的整定值。测量馈电电流及其di/dt。
将测量di/dt 与设定值E和F比较。
(1)如果测量di/dt > E，则开始测量电流增量(I)并计时(t)
(2)如果测量值I >DI 设定值，且时间t t DI，则发出跳闸信号；
(3)如果计时时间t > T设定值，且电流的增量I > 设定值DImin，则发出跳闸
信号。
(4)如果在检测到DI 设定值或 T之前，di/dt< F，则I 和 t 复零。
2.1.4 接触网热保护
当接触网长期通过大负荷电流而使导线发热时，热过负荷保护跳开馈线断
路器。因为长期大电流会使供电导体发热,从而可能导致供电导体,尤其是接触网变软。接触网热过负荷保护,其保护的目的是消除热过负荷故障，而非短路故障，其工作原理主要是根据接触网的电阻，接触网上流过的电流，计算出接触网的发热量，从而再根据接触网的热负荷特性及环境条件推算出接触网的电缆温度。
SEPCOS通过连续测量馈电电流，计算热载θt，θt 为被保护系统的标称电流In
和时间常数t的函数。热计算的公式：t=(1-e-t/) (I/In)2+e-t/(t-t)
其中：
t：相对温度
=0环境温度
=1最大允许温度
=1.01必须发出跳闸命令的温度
t：计算步长
：热时间常数
(t-t)：上一步计算出的相对温度
SEPCOS 通电后，θt 的初始值θt0=0.98A，A 为设定的报警值。断路器合闸后，如果馈电回路连续流过大电流，当电流大于设定值In 时，保护装置启动此保护功能。当达到A 时，SEPCOS 发出警报。如果θt 继续上升，当θt≥
1.01A 时，SEPCOS 发出指令使断路器分闸，同时可发出闭锁信号。只有当t﹤A 时，断路器才能重新合闸。
2.2 电压测量
2.2.1 线路带电
通过测量馈线电压，来判断线路是否带电。
线路检测测量馈线电压Uf：
（1）若Uf >UfLow，则断路器合闸；
（2）若残留电压U <Uf <UfLow，表明线路过载，不能合闸；SEPCOS则显示“闭锁”信号；
（3）若Uf <Uf 残留，则接通线路检测接触器来测量线路阻抗；R>Rmin ，断路器合闸；R<Rmin，则显示“闭锁”信号。整个测量环节大约用时3～5 s 。
如果测量的馈线电压大于设定值Uf Residue，表示线路带电。
2.2.2 Umin（Ufeeder Low）保护
低电压保护，作为电流上升率保护的后备保护，一般与其它保护形式互相配合，不作为单独的保护使断路器调跳闸。它的整定值Umin及延时Tdmt必须列车正常运行时的运行情况互相配合，应考虑最大负载下列车的启动电流和启动持续时间，还要考虑在一个供电区内多部列车连续启动的情况。
它检测远距离电源点的电压。通过测量馈线电压来判断并切除故障。
测量馈线电压Uf，如果Uf﹤设定值Umin，且时间t 超过设定值Tset，则
发出信号使断路器跳闸。
2.2.3 Delta U保护
当线路已由邻所馈线供电时，在合闸本所断路器前，先比较母线电压和线
路电压的电压差，当电压差大于设定值时，闭锁合闸。
测量馈线电压Uf和母线Ur：
（1）如果Ur-Uf 设定值Deta Ur-f,允许断路器合闸；
（2）如果Ur-Uf 设定值Deta Ur-f,闭锁断路器合闸。
（3）当馈线电压Uf小于设定值Uf Residue 不闭锁断路器合闸。

三、结论
地铁直流供电的控制和保护系统对保证地下铁道安全、可靠的运行具有重要的作用。随着微电子技术、计算机技术、网络技术的进步和互联网技术的飞速发展,这些最新技术已经应用到直流快速断路器、控制和保护装置上。SEPCOS 是目前世界上较先进的直流供电专用控制和保护装置之一。在掌握上述控制和保护原理的基础上,未来还需一方面加速开发出智能化、可通信直流快速断路器,另一方面进一步研制更完美的控制和保护装置,以满足直流供电安全、可靠、便捷、自动化的要求。

参考文献：
[1]GB/T10411-2005,城市轨道交通直流牵引供电系统[S]。
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