基于集成原理的饋線異相短路保護(hù)

李 波 曹毅峰

（鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處，天津 300251）

1 引言

牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置必須合理、規(guī)范、準(zhǔn)確，滿足保護(hù)的速斷性、可靠性、選擇性、靈敏性的要求。電力機(jī)車不降弓通過(guò)牽引變電所的電分相時(shí)，受電弓飛弧最終可能導(dǎo)致異相短路。由于電弧電阻非線性、時(shí)變性、高阻的特點(diǎn)，使得常規(guī)原理饋線保護(hù)中的阻抗保護(hù)、電流速斷保護(hù)往往不能正確動(dòng)作。集成保護(hù)由于可以同時(shí)獲取變電所內(nèi)的多處信息，既可以集成傳統(tǒng)保護(hù)原理，也可產(chǎn)生新的保護(hù)功能，從而提高保護(hù)的整體性能。因此集成保護(hù)在饋線異相短路故障中的應(yīng)用越來(lái)越受到人們的重視。

2 牽引網(wǎng)饋線異相故障分析

牽引網(wǎng)饋線異相故障如圖1所示。

圖1 牽引網(wǎng)饋線異相故障示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)[1]的分析可知，工頻沿面的閃絡(luò)電壓為式中，S為放電距離，單位為cm。由式（1），在27.5 kV電壓作用下，小于5cm的間隙都可能發(fā)生沿面放電。如圖1所示，當(dāng)電力機(jī)車不降弓由β相通過(guò)電分相向α相運(yùn)行時(shí)，牽引網(wǎng)電壓通過(guò)β相—受電弓滑過(guò)絕緣體形成的間隙—受電弓—電力機(jī)車—鋼軌形成回路，從而形成沿面放電。當(dāng)受電弓繼續(xù)在絕緣體上滑行時(shí)，先前放電的部分靠電弧形成通路，逐步閃絡(luò)直至沿整個(gè)絕緣直至形成β、α兩相間故障。因此，沿面放電的過(guò)程是逐步進(jìn)行的。當(dāng)然，電力機(jī)車雙弓運(yùn)行時(shí)(不降弓)更易引起異相短路。為了改變玻璃絕緣器對(duì)受電弓的沖擊，在新線的設(shè)計(jì)中，多采用7跨或9跨電分相。但當(dāng)機(jī)車不降弓（斷電）通過(guò)電分相時(shí)，同樣存在拉弧而導(dǎo)致異相短路故障的可能性。

當(dāng)電力機(jī)車通過(guò)電分相造成異相短路時(shí)，若電弧電阻為零，則兩供電臂的阻抗繼電器有可能動(dòng)作。當(dāng)電弧電阻為10?或30?時(shí)阻抗繼電器都不可能動(dòng)作，常規(guī)饋線保護(hù)的后備保護(hù)電流速斷保護(hù)有可能動(dòng)作，當(dāng)電弧電阻更大時(shí)阻抗保護(hù)和電流速斷保護(hù)都有可能不會(huì)正常動(dòng)作，有必要設(shè)置專門的異相短路保護(hù)。文獻(xiàn)中己經(jīng)給出了幾個(gè)實(shí)際運(yùn)行中已經(jīng)發(fā)生過(guò)的變電所出口處機(jī)車通過(guò)接觸網(wǎng)的分相絕緣器時(shí)，因升弓飛弧而導(dǎo)致的異相短路，現(xiàn)有的饋線距離阻抗保護(hù)不能正確反應(yīng)，由其輔助保護(hù)(電流速斷)動(dòng)作而跳閘的事例。

3 集成保護(hù)的概念及保護(hù)原理

“集成保護(hù)”是指將所需保護(hù)的全部信息集成于一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，形成可靠、靈活、多樣互補(bǔ)的集中式保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)不僅包括多個(gè)獨(dú)立設(shè)備的同時(shí)，集成保護(hù)還可包括控制功能，是保護(hù)控制一體化裝置。所需保護(hù)的所有設(shè)備、進(jìn)線出線的保護(hù)集中由一個(gè)計(jì)算機(jī)保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，為保護(hù)系統(tǒng)的安全可靠性，計(jì)算機(jī)保護(hù)系統(tǒng)采用完全的雙冗余配置。

集成保護(hù)系統(tǒng)主要由三大部分構(gòu)成：①接口單元：接口單元可按所需保護(hù)系統(tǒng)的集中情況集中或分布設(shè)置，通過(guò)大容量的光纖網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量控制單元的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至集成保護(hù)單元；②光纖網(wǎng)：應(yīng)用光纖以太網(wǎng)作為集成保護(hù)的通信網(wǎng)絡(luò)，為保證可靠性采用環(huán)網(wǎng)或雙冗余結(jié)構(gòu)，同時(shí)可使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，使接口單元或合并單元、集成保護(hù)與系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)無(wú)縫通信；③集成計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)單元：集成繼電保護(hù)的功能在大型機(jī)上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收到來(lái)自變電站各地的測(cè)量信息，并通過(guò)通信網(wǎng)與各相關(guān)變電站交換信息。

集成保護(hù)通過(guò)各種傳感設(shè)備，采用軟硬件相結(jié)合的方法，同時(shí)獲取變電站內(nèi)的多處信息，在實(shí)現(xiàn)各獨(dú)立保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，各保護(hù)功能之間易于協(xié)調(diào)配合，集成保護(hù)可以集成傳統(tǒng)保護(hù)原理，也可產(chǎn)生新的保護(hù)功能，提高保護(hù)的整體性能。

4 相關(guān)分析

在集成保護(hù)中，由于數(shù)據(jù)采集由合并單元完成并組幀發(fā)送到光纖以太網(wǎng)，保護(hù)單元可以同時(shí)接收到整個(gè)變電站各個(gè)間隔的信號(hào)。只要在各個(gè)合并單元在采集數(shù)據(jù)時(shí)用GPS時(shí)鐘精確對(duì)時(shí)，集成保護(hù)單元就可以利用兩相饋線的電流信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)異相短路保護(hù)。

由前文的分析可得，牽引網(wǎng)異相短路故障實(shí)質(zhì)上就是兩相饋線通過(guò)電弧導(dǎo)通形成回路，之所以采用電流故障分量作為分析對(duì)象，是為了消除負(fù)荷電流的影響。該方法的另一優(yōu)點(diǎn)是，由于采集的是相當(dāng)于電弧通路的電流，因此不需要考慮電弧的特點(diǎn)，可以將電弧作為一個(gè)普通的集中參數(shù)元件考慮。故障分量在實(shí)際中可以通過(guò)下式得到：

針對(duì)饋線電流故障分量基本上大小相等，方向相反的特點(diǎn)，借用識(shí)別此種信號(hào)的數(shù)學(xué)方法，可以設(shè)計(jì)一系列保護(hù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)異相短路故障的保護(hù)。相關(guān)度分析目前看來(lái)是最為精確的方法，且算法簡(jiǎn)單，受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響也較小。對(duì)信號(hào)x(t) =As in(2πft+?)，其同一采樣數(shù)據(jù)窗內(nèi)的自相關(guān)函數(shù)為

設(shè)x (t)，y (t)是兩個(gè)能量有限的實(shí)信號(hào)波形，它們?cè)谕粩?shù)據(jù)窗內(nèi)的相關(guān)系數(shù)為

當(dāng)x(t)，y(t)均為穩(wěn)態(tài)正弦信號(hào)時(shí)，如果x(t)，y(t)得相位一致，ρxy( 0) = 1 ；如果x(t)，y(t)相位相差 180°，ρxy( 0) = ?1 ；如果x(t)，y(t)相位相差90°，ρxy( 0) = 0 ；其他情況下，若x(t)，y(t)相位相差α?xí)r，ρxy(0) = cosα，故異相保護(hù)判據(jù)為

Istart為機(jī)車起動(dòng)電流，由于穩(wěn)態(tài)電流故障分量只能持續(xù)1個(gè)周期時(shí)間，且相關(guān)系數(shù)計(jì)算需要半個(gè)周期，建議時(shí)間定值整定范圍為 5～10ms。，跳閘命令可通過(guò)集成保護(hù)單元同時(shí)發(fā)送給兩相饋線斷路器，迅速切除故障。

5 饋線異相短路集成保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法

饋線異相短路集成保護(hù)原理如圖2所示。

圖2 饋線異相短路集成保護(hù)原理

集成保護(hù)通過(guò)各種傳感設(shè)備，采用軟硬件相結(jié)合的方法，同時(shí)獲取變電所內(nèi)的多處信息，包括電氣量和狀態(tài)量，該信息經(jīng)接口單元上送，通過(guò)大容量的光纖網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量值實(shí)時(shí)傳送至集成保護(hù)單元，各保護(hù)模塊從網(wǎng)絡(luò)上獲得信息，通過(guò)分析計(jì)算，完成相應(yīng)的保護(hù)功能。決策模塊收集、協(xié)調(diào)、配合各個(gè)保護(hù)模塊的動(dòng)作信息和狀態(tài)量后，通過(guò)決策，確定故障線路并發(fā)跳閘命令，切除故障。

集成保護(hù)單元設(shè)計(jì)中需采用雙冗余配置，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制單元、光纖以太網(wǎng)絡(luò)、集成保護(hù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)均采用雙系統(tǒng)配置，互為熱備用。相當(dāng)于每種保護(hù)均有雙配置，相互校驗(yàn)。當(dāng)某一系統(tǒng)失效，則該系統(tǒng)將閉鎖，另一系統(tǒng)可保證控制、保護(hù)的全部功能。集成保護(hù)中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制單元都采用光纖以太網(wǎng)連接，完全杜絕了電氣干擾。集成保護(hù)單元可采用高性能、高可靠性的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，有利于穩(wěn)定運(yùn)行。由于采用了大型計(jì)算機(jī)作為集成保護(hù)中央處理中心，可以用大型技術(shù)成熟的軟件，采用標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。保護(hù)軟件無(wú)論從模塊化、還是完整性方面都較傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)單片系統(tǒng)要好的多；集成保護(hù)單元可以得到比傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)更多的信息，如各處的電流電壓量、開關(guān)量，信息冗余量大，也容易提高軟件可靠性。

6 結(jié)論

本文在分析牽引網(wǎng)饋線異相故障的基礎(chǔ)上，借鑒牽引供電系統(tǒng)中集成保護(hù)的思想，提出了將集成保護(hù)應(yīng)用于饋線異相短路故障中，有利于饋線異相短路故障保護(hù)的實(shí)施。比起現(xiàn)有獨(dú)立設(shè)備的保護(hù)，集成保護(hù)可實(shí)現(xiàn)信息共享、資源豐富和多種保護(hù)功能的協(xié)調(diào)配合，有很明顯的優(yōu)勢(shì)。隨著光互感器的發(fā)展應(yīng)用以及變電所光纖以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的建立和廣泛應(yīng)用等，集成保護(hù)將具有很好的發(fā)展前景。

[1] 簡(jiǎn)克良.高電壓技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1993.

[2] 曹建猷.電氣化鐵路供電系統(tǒng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,1981.

[3] 賀家李，宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M]. 北京:中國(guó)電力出版社,1994.

[4] 李群湛.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,1997.

李 波，男，助理工程師，鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處。