一種新型微電子斷相保護(hù)器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

吳昕慧 黃達(dá)志

（1.柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545007；2.南廣鐵路有限責(zé)任公司.南寧 535005）

1 問題的提出

為保護(hù)三相交流轉(zhuǎn)轍機(jī)的電機(jī)運(yùn)行安全，在其工作時(shí)需檢查三相電源是否斷相（缺相）。當(dāng)發(fā)生斷相（缺相）時(shí)使保護(hù)繼電器落下，切斷轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電路，保護(hù)三相電機(jī)免遭損壞。目前，所采用的斷相保護(hù)器，大部分采用鐵磁互感器方式，3個(gè)互感器需進(jìn)行嚴(yán)格配對，指標(biāo)離散性大，質(zhì)量不穩(wěn)定。同時(shí)，由于互感器次級(jí)回路直接驅(qū)動(dòng)保護(hù)繼電器，使互感器工作時(shí)需通過較高的電壓和電流，造成互感器故障率高，影響設(shè)備正常使用。另外，道岔動(dòng)作電路需設(shè)時(shí)間繼電器對道岔轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行限時(shí)，以防止因道岔轉(zhuǎn)換不到位，造成三相電機(jī)過載而燒毀。因此，本文提出針對傳統(tǒng)的斷相保護(hù)器技術(shù)，進(jìn)行新型微電子斷相保護(hù)器的改進(jìn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)原則

該新型微電子斷相保護(hù)器的設(shè)計(jì)遵循以下幾個(gè)原則。

（1）雙套熱備工作方式：硬件構(gòu)成雙機(jī)系統(tǒng)，雙處理機(jī)互為熱備，雙驅(qū)動(dòng)電路互為備用方式，實(shí)現(xiàn)多種組合方式。

（2）功能整合：將斷相（缺相）保護(hù)、限時(shí)保護(hù)、過流保護(hù)等功能整合為一體。

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

（4）實(shí)時(shí)性：采用多處理單元，根據(jù)任務(wù)性質(zhì)進(jìn)行任務(wù)分配，最大限度減少主處理機(jī)的處理工作量，以保證實(shí)時(shí)性，向信號(hào)集中監(jiān)測系統(tǒng)提供三相電流數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，并有顯示和報(bào)警指示，保證限時(shí)正確。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分由雙套邏輯處理A機(jī)和B機(jī)、雙套驅(qū)動(dòng)電路組成，完成采樣、處理、控制等功能；軟件部分通過監(jiān)控程序?qū)崿F(xiàn)主控機(jī)和備機(jī)的動(dòng)態(tài)確定、對方狀態(tài)的監(jiān)控、備機(jī)無縫投入及A機(jī)/B機(jī)工作狀態(tài)的唯一性管理功能的應(yīng)用。

2.2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件原理如圖1所示。

在運(yùn)行過程中，通過監(jiān)控程序確定是A機(jī)還是B機(jī)為主控機(jī)，主控機(jī)負(fù)責(zé)完成采樣、處理、控制等任務(wù)，而備機(jī)則完全處于熱備狀態(tài)，不斷監(jiān)測主機(jī)的工作狀態(tài)。當(dāng)主機(jī)工作不正常時(shí)，備機(jī)立即投入運(yùn)行，升級(jí)為主控機(jī)，當(dāng)故障機(jī)恢復(fù)正常時(shí)，自動(dòng)投入，并處于備用狀態(tài)。在硬件設(shè)計(jì)中自動(dòng)將A機(jī)、B機(jī)設(shè)置為默認(rèn)主機(jī)和默認(rèn)備機(jī)。

以A機(jī)作為主控機(jī)為例，當(dāng)A/B/C三相均輸出正常，即工作電流均達(dá)到工作門限時(shí)，BHJ才能吸起。先由A驅(qū)動(dòng)電路作為輸出，檢查BHJ是否已經(jīng)執(zhí)行，若BHJ吸起，則說明A驅(qū)動(dòng)正常，繼續(xù)由A驅(qū)動(dòng)使BHJ吸起；若BHJ不能吸起，則說明A驅(qū)動(dòng)電路故障，轉(zhuǎn)備驅(qū)動(dòng)（B驅(qū)動(dòng)）工作。當(dāng)一相及以上的電流小于工作下門限時(shí)，退出驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行下一輪的工作過程。

2.2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是主控機(jī)和備機(jī)的動(dòng)態(tài)確定、對方狀態(tài)的監(jiān)控、備機(jī)無縫投入及A/B機(jī)工作狀態(tài)的唯一性（即在任一時(shí)刻，只能一個(gè)主控，而另一備用，不能同時(shí)雙機(jī)主控或雙機(jī)同時(shí)備用）。為此，設(shè)置監(jiān)控程序，負(fù)責(zé)確定本機(jī)狀態(tài)（主控機(jī)還是備機(jī)）、主控機(jī)交權(quán)管理、備機(jī)熱備投入和A/B機(jī)工作狀態(tài)的唯一性管理。監(jiān)控程序的主程序流程如圖2所示。

3 功能及特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的斷相保護(hù)器比較，采用微電子式可以實(shí)現(xiàn)斷相（缺相）保護(hù)、限時(shí)保護(hù)和過流保護(hù)；可以進(jìn)行道岔動(dòng)作電流的測量，并向微機(jī)監(jiān)測實(shí)時(shí)提供電流數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)；同時(shí)保護(hù)器設(shè)置完善的電流顯示、狀態(tài)及故障報(bào)警指示。

3.1 完善的保護(hù)功能

為保證故障導(dǎo)向安全，采用雙套熱備的工作方式，將斷相（缺相）保護(hù)、限時(shí)保護(hù)、過流保護(hù)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(shè)備整體采用插接式，簡化了生產(chǎn)工序，接線簡單，同時(shí)安裝和更換方便，大大提高了生產(chǎn)效率，并解決能耗和環(huán)保問題。

3.3 高可靠性

采用雙機(jī)雙驅(qū)動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)A機(jī)/A驅(qū)動(dòng)、A機(jī)/B驅(qū)動(dòng)、B機(jī)/A驅(qū)動(dòng)、B機(jī)/B驅(qū)動(dòng)等組合方式，保證監(jiān)控器故障時(shí)不會(huì)造成故障升級(jí)，確保轉(zhuǎn)轍機(jī)不被燒毀，最大限度保證其可靠性、可用性；對采樣、驅(qū)動(dòng)、執(zhí)行的信息進(jìn)行一致性校核，進(jìn)一步提高安全性、可靠性。

3.4 高精度

為保證雙機(jī)的工作協(xié)調(diào)性和實(shí)時(shí)性，A/B機(jī)間采取定時(shí)通信和中斷接收的工作方式，因而產(chǎn)生了附加的執(zhí)行時(shí)間。由于不確定的附加時(shí)間的存在有可能造成A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果將超過一定值。因此，通過軟件程序來解決當(dāng)進(jìn)行電流采樣時(shí)，A/D轉(zhuǎn)換造成的誤差，從而確保測量值的精確度。

3.5 狀態(tài)指示

提供完善的電流顯示、狀態(tài)顯示和故障報(bào)警指示，實(shí)時(shí)監(jiān)測及顯示三相電流并向微機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)提供電流數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4 斷相保護(hù)器的故障-安全分析

研制設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)考慮保護(hù)器器件發(fā)生故障后，保護(hù)繼電器錯(cuò)誤吸起或中斷落下等錯(cuò)誤動(dòng)作而失去限時(shí)保護(hù)功能的問題。保護(hù)器故障可大致分為采樣電路、處理電路和驅(qū)動(dòng)電路故障，現(xiàn)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(dòng)作電流進(jìn)行隔離采樣。由于采樣電路與原道岔動(dòng)作電路無電氣連接，不會(huì)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(dòng)重啟。單片機(jī)系統(tǒng)故障時(shí)，單片機(jī)的控制輸出端口即動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路輸入端只會(huì)是恒高電平或恒低電平情況，由于采用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，故不可能輸出驅(qū)動(dòng)保護(hù)繼電器電源。

4.3 驅(qū)動(dòng)電路故障

處理電路輸出通過光耦使處理電路與動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行隔離；輸出驅(qū)動(dòng)電路采用動(dòng)態(tài)輸出方式（計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖采用輸出驅(qū)動(dòng)方式），動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路只有輸入信號(hào)為“1010……”的脈沖信號(hào)時(shí)才有輸出，當(dāng)輸入信號(hào)為“1111……”或“0000……”不可能有輸出（即處理電路故障時(shí)）。如圖3所示，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)電路只有B點(diǎn)信號(hào)為交替的高低電平時(shí)，才能輸出保護(hù)繼電器驅(qū)動(dòng)電源。當(dāng)發(fā)生主驅(qū)動(dòng)電路故障時(shí)，將自動(dòng)改由備驅(qū)動(dòng)電路工作，向保護(hù)繼電器輸出動(dòng)作電壓。

因此，斷相保護(hù)器只有雙機(jī)或雙驅(qū)動(dòng)同時(shí)故障時(shí)，才可能發(fā)生應(yīng)該輸出時(shí)而沒有輸出，而不會(huì)發(fā)生不應(yīng)輸出時(shí)錯(cuò)誤輸出的情況。斷相保護(hù)器的設(shè)計(jì)符合信號(hào)設(shè)備故障-安全的基本原則。

5 結(jié)束語

微電子斷相保護(hù)器是一種采用微電子技術(shù)改造替代傳統(tǒng)信號(hào)器材的產(chǎn)品。通過雙機(jī)、雙套熱備及冗余，完善的信號(hào)器材在線檢測手段等技術(shù)措施，極大提高了信號(hào)器材的技術(shù)含量和可靠性、安全性、可用性，他的經(jīng)濟(jì)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(dòng)作電流顯示、豐富的狀態(tài)顯示和使用的可靠性，深受使用單位的歡迎。經(jīng)過近半年的試用，斷相保護(hù)器使用正常，達(dá)到設(shè)計(jì)目的。產(chǎn)品的推廣應(yīng)用將會(huì)對保證運(yùn)輸安全、提高設(shè)備可靠性、完善信號(hào)維護(hù)檢測技術(shù)發(fā)揮積極作用。

[1]鐵運(yùn)【2008】142號(hào) 鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則（技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ）[S].北京：中國鐵道出版社，2009.

[2]李建新，劉生春，賈培軍.單穩(wěn)態(tài)集成電子斷相保護(hù)器的設(shè)計(jì)與調(diào)試[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2003，25（2）：84-85.

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