電氣化鐵路電力貫通線無通道保護方案

林曉鴻，林 圣，溫曼越，孫建明

1. 西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031；2. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

0 引言

我國政府主導的“一帶一路”戰(zhàn)略致力于亞歐非大陸及附近海洋的互聯(lián)互通，實現(xiàn)安全高效的陸?？胀ǖ谰W(wǎng)絡，推進沿線國家發(fā)展戰(zhàn)略相互對接[1]。鐵路運輸作為交通基礎設施，可為沿線國家經(jīng)濟貿(mào)易提供安全便利的國際運輸通道，因此，鐵路“走出去”成為“一帶一路”戰(zhàn)略的重要推動力[2]。在此背景下，電氣化鐵路的安全可靠運行愈發(fā)受到關注，鐵路電力貫通線作為鐵路供電系統(tǒng)的重要組成部分，肩負著向沿線鐵路信號、通信及沿線非牽引綜合用電等負荷供電的重任，是列車安全準時運行的重要保障，因此，為保證鐵路電力貫通線安全可靠供電，鐵路電力貫通線保護作用日益凸顯。

鐵路電力貫通線一般采用線路首端電流保護實現(xiàn)貫通線路故障切除，造成故障切除后全線停電。為了縮短切除區(qū)間，提高鐵路電力貫通線供電可靠性，可采用電力遠動系統(tǒng)通過“四遙”技術確定并隔離故障區(qū)間。然而，在諸如非洲落后國家等通信技術欠發(fā)達的國家或地區(qū)，由于技術約束及外界因素干擾，并不具備采用通信技術實現(xiàn)鐵路電力貫通線有選擇性的故障區(qū)間隔離的技術條件與環(huán)境。為了克服這一難題，有必要提出不依賴通信的鐵路電力貫通線故障區(qū)段自動隔離方案，作為鐵路電力貫通線保護方案的一種補充方式，解決通信技術欠發(fā)達地區(qū)鐵路電力貫通線路故障切除與隔離問題。

在電力配電線路中，國內(nèi)外學者提出了采用無通道保護實現(xiàn)不依賴于通信的輸配電線路故障有選擇性隔離[3-5]。文獻[6]采用IEC60870-5-103協(xié)議，研制了一種新型的鐵路自閉(貫通)線路微機保護裝置;文獻[7]基于故障電流正序分量與參考相量的相位差判斷故障方向，確定故障區(qū)段定位，實現(xiàn)保護有選擇性配合工作;文獻[8]提出了利用故障區(qū)間保護動作時限短的一端開關動作后，線路健全相產(chǎn)生的電氣量突變信號加速對端開關動作，從而實現(xiàn)不對稱故障隔離的無通道保護模式;文獻[9-10]研究了對稱故障下的無通道保護故障隔離方案，完善了無通道保護的適用范圍，并解決了現(xiàn)場應用中與上級變電所保護配合的保護配置方法。因此，借鑒電力配電線路故障隔離方案，可利用無通道保護解決通信技術欠發(fā)達地區(qū)鐵路電力貫通線路故障隔離問題，然而，由于“雙電源結(jié)構(gòu)單端供電運行”的鐵路電力貫通長線路供電區(qū)間較多，直接采用傳統(tǒng)的雙電源配電線路無通道保護存在線路中段供電區(qū)間故障隔離時間過長的問題。

因此，本文在現(xiàn)有配電網(wǎng)絡無通道保護研究的基礎上，考慮鐵路電力貫通長線路“雙電源結(jié)構(gòu)單端供電運行”特點，建立鐵路電力貫通線仿真模型，分析無通道保護方案對鐵路電力貫通線的適應性，基于單端故障測距方法加速貫通線路中段保護動作，改進傳統(tǒng)無通道保護方案，以解決鐵路電力貫通長線路供電區(qū)間較多導致的線路中段供電區(qū)間傳統(tǒng)無通道保護故障隔離時間過長的問題，最后通過仿真驗證進行適應性分析。

1 鐵路電力貫通線無通道保護適應性分析

1.1 無通道保護基本原理

無通道保護基于傳統(tǒng)定時限保護，綜合利用故障信號及斷路器跳閘后造成的線路健全相電壓電流二次擾動信號，在故障發(fā)生區(qū)間的一端斷路器跳閘后加速另一端斷路器跳閘，實現(xiàn)更快速、有選擇性的故障隔離[4]。在單電源輻射狀線路中，為了實現(xiàn)故障發(fā)生后能夠從兩端完全切除故障，單斷路器保護裝置均需要根據(jù)故障方向判斷故障發(fā)生位置投入對應保護模塊，保護相對于故障點位于電源側(cè)時，投入過電流OC(Over Current)保護和加速過電流AOC(Accelerated Over Current)保護，保護相對于故障位于負荷側(cè)時，投入帶方向的低電壓DUV(Directional Under Voltage)保護和加速低壓低流ADUCV(Acce-lerated Directional Under Current under Voltage)保護[8]。

OC保護模塊和AOC保護模塊采用序電流比值Ri判斷不對稱故障[11]，OC及AOC保護的啟動判據(jù)為：

(1)

Iset=(KrelKss/Kre)IL，max

Ri=(I0+I2)/I1

其中，If為故障相電流；Krel為可靠系數(shù)，可取為1.25；Kss為自啟動系數(shù)，可取為1；Kre為返回系數(shù)，可取為 0.85[12]；IL，max為保護節(jié)點最大負荷電流；I0、I1、I2分別為線路零序、正序、負序電流分量；Ri,set為整定值，可取為0.2～0.4[8]。

(2)

其中，m為保護編號。

AOC保護模塊在加速動作時間窗內(nèi)檢測健全相是否產(chǎn)生電流二次擾動信號以加速保護動作[8]。利用小波變換在故障檢測中的優(yōu)勢[13]，選用db4小波[14]對健全相電流信號進行離散小波變化，計算每層模極大值，實現(xiàn)健全相電流二次擾動信號的檢測，設置AOC加速判據(jù)作為健全相電流二次擾動判據(jù)[15]：

Wmax>Wset

(3)

其中，Wmax為健全相電流最大小波變換模極大值；Wset為設置閾值，一般可取為3。

DUV保護模塊及ADUCV保護模塊采用序電壓比值Ru判斷不對稱故障，DUV及ADUCV保護的啟動判據(jù)為[8]：

(4)

Ru=(U0+U2)/U1

其中，Uf為故障相電壓；Uset為整定值，可取為額定電壓的30%;U0、U1、U2分別為線路零序、正序、負序電壓分量；Ru,set為整定值，可取為0.2～0.4[8]。

DUV保護模塊的動作時限t超過整定動作時限時保護動作，即式(5)成立時保護動作。

(5)

ADUCV保護模塊在加速動作時間窗內(nèi)檢測健全相無電壓無電流信號加速保護動作，ADUCV保護加速判據(jù)[11]為：

(6)

其中，Us為健全相電壓有效值；Is為健全相電流有效值；ε為近似0的正值。

為了保證保護選擇性，上一級保護動作時限應比下一級保護動作時限大一個時限階段Δt，根據(jù)采用的斷路器型式，時限階段Δt在0.35～0.65 s范圍內(nèi)[16]，本文取為0.35 s。OC保護模塊按從負荷到電源的方向由小到大配置，DUV保護模塊則相反[8]，即OC、DUV保護模塊的動作時限可分別整定為：

(7)

(8)

其中，M為線路總保護個數(shù)；m由潮流實際流向的電源側(cè)向負荷側(cè)增大。

AOC保護模塊加速動作時間窗以潮流下游相鄰斷路器的DUV保護模塊整定時間為基準設置在0.10 s內(nèi)，ADUCV保護模塊的加速動作時間窗以潮流上游相鄰斷路器的OC模塊整定時間為基準設置在0.10 s內(nèi)[8]。因此，AOC及ADUCV保護模塊的加速動作時間窗分別為：

(9)

(10)

保護模塊通過動作時限及動作邏輯的相互配合實現(xiàn)電力貫通全線保護。各保護模塊在動作時限或加速動作時間窗內(nèi)檢測線路狀態(tài)，如果符合保護判據(jù)則保護動作。如果OC保護模塊在達到整定動作時限前檢測到故障相電流恢復正常則保護返回，DUV保護模塊在達到整定動作時限前檢測到健全相無流則保護返回，AOC及ADUCV保護模塊加速動作時間窗內(nèi)加速判據(jù)不滿足則保護返回。

1.2 鐵路電力貫通線無通道保護方案

考慮鐵路電力貫通線“雙電源結(jié)構(gòu)單端供電運行”特點，需要根據(jù)潮流實際流向，配置2套獨立的無通道保護，并分別按照實際供電電源端依照單電源輻射狀線路無通道保護進行配置。因此需定義潮流正向及故障正向，并增加潮流方向元件及故障方向元件判別線路運行工況，據(jù)此選擇對應保護出口。保護出口選擇邏輯如圖1所示[8]。

圖1 鐵路電力貫通線無通道保護出口選擇邏輯Fig.1 Logic of non-communication protection exit selection for railway power transmission line

根據(jù)鐵路電力貫通線采用不同側(cè)電源進行單端供電的運行工況，對于含有12個保護節(jié)點的鐵路電力貫通長線路，考慮供電對稱性，下文僅分析由電源PB1供電運行工況，其對應OC1、DUV1、AOC1及ADUCV1保護配置及其整定動作時限，如圖2所示，圖中，P為保護裝置，B為斷路器。

圖2 鐵路電力貫通線無通道保護配置Fig.2 Non-communication protection configuration for railway power transmission line

1.3 鐵路電力貫通線無通道保護適應性

在圖2所示的鐵路電力貫通線中，假設0.11 s時區(qū)間2發(fā)生A相接地故障。P1、P2判別潮流正向且故障正向，選擇保護OC1及AOC1出口；P3—P12判別潮流正向而故障反向，選擇保護DUV1及ADUCV1出口。

根據(jù)保護動作判據(jù)及時限，P3的保護DUV1在故障0.55 s延時后(即0.66 s)動作，B3跳開，如圖3所示；P2的保護AOC1在動作時間窗(0.66～0.76 s)內(nèi)檢測到健全相電流二次擾動信號，滿足加速判據(jù)，保護動作，則B2在0.76 s跳開，如圖4所示。然后，故障區(qū)間被隔離，故障信號消失，其他保護返回。

同理，對于線路其他供電區(qū)間故障，各保護模塊基于保護邏輯及動作時限相互配合，利用故障信號實現(xiàn)有選擇性故障隔離。對于配置12個保護節(jié)點的鐵路電力貫通長線路，采用無通道保護裝置時，各供電區(qū)間故障隔離時間如圖5所示?？梢?，采用傳統(tǒng)無通道保護能夠快速隔離鐵路電力貫通長線路兩端的供電分區(qū)故障，但是，對于線路中部的供電分區(qū)，存在故障隔離時間過長的問題，而對于需要設置更多保護節(jié)點的鐵路電力貫通線路，基于保護模塊采用時限階段整定動作時限的原理，線路中部供電分區(qū)的故障隔離時間過長的問題會更加嚴重，降低了傳統(tǒng)無通道保護的速動性。

圖3 P3的DUV保護模塊的響應波形Fig.3 Response waveforms of DUV protection module of P3

圖4 P2的AOC模塊的響應波形Fig.4 Response waveforms of AOC protection module of P2

圖5 配備12個保護節(jié)點的無通道保護故障隔離時間Fig.5 Isolation time of non-communication protection fault with twelve protection nodes

2 鐵路電力貫通線改進無通道保護

2.1 無通道保護改進方法

為縮短鐵路電力貫通長線路故障時的停電范圍，在采用無通道保護時，需要配置較多保護節(jié)點。按照故障隔離時長，可將線路大致均分為首段、中段及末段。線路首段DUV保護動作時限較短，故障通過DUV保護及AOC保護實現(xiàn)快速隔離；線路末段OC保護動作時限較短，故障通過OC保護及ADUCV保護實現(xiàn)快速隔離；但對于線路中段，由于DUV保護和OC保護的動作時限均較長，導致其故障隔離時間過長。

當前，故障測距法在輸電線路保護中的應用已有研究[17]，而對于鐵路貫通長線路，在線路首段及末段可按照傳統(tǒng)無通道保護配置實際動作的保護模式，對于線路中段，則可在各供電區(qū)間潮流上游側(cè)配置帶故障測距保護FLP(Fault Location Protection)模塊加速保護動作，改進無通道保護。即線路中段發(fā)生故障時，位于潮流上游側(cè)的FLP模塊啟動故障測距判斷故障發(fā)生位置，從而判定是否加速保護動作，達到縮短線路中段故障隔離時長的目的。

2.1.1 基于故障測距的FLP判據(jù)

FLP模塊啟動判據(jù)與OC保護模塊相同，通過故障測距結(jié)果判斷故障是否發(fā)生在FLP的保護范圍內(nèi)，若是則按照FLP的動作整定時限加速保護動作。具體動作判據(jù)為：

(11)

Lset=Kdisxdis

Ri=(I0+I2)/I1

其中，Kdis為FLP可靠性系數(shù)；xdis為保護區(qū)間長度；Ldis為測距結(jié)果；Lset為FLP的整定值。

對于單端供電運行系統(tǒng)，各保護通過監(jiān)測電壓電流波形判斷系統(tǒng)故障類型。

a. 單相接地故障。

設單相接地故障過渡電阻為純電阻，線路單位長度的正序阻抗、零序阻抗分別為Z1、Z0，且正負序阻抗相同，則故障阻抗為[18]：

(12)

其中，Uc為故障相電壓；Ic為故障相故障電流；K=(Z0-Z1)/(3Z1)，為零序補償系數(shù)；Zr為線路單位阻抗；x為繼電器與故障點的距離。

對x進行迭代搜索，Im[Zf]最小值對應的x值即為故障距離Ldis。

b. 兩相短路及兩相短路接地故障。

兩相短路故障的測距計算公式為[18]：

(13)

其中，Umd、Imd分別為兩故障相電壓、電流之差。

兩相短路接地故障的測距計算公式為[19]：

(14)

2.1.2 FLP選擇性分析

考慮故障測距誤差，F(xiàn)LP可靠性系數(shù)Kdis可取為1.2，為保證保護選擇性，F(xiàn)LP動作時限按從潮流下游至上游由小到大配置。對于FLP相鄰潮流下游的ADUCV保護，在配合OC保護整定的動作時間窗τ的基礎上，以FLP整定時間為基準的0.10 s內(nèi)再配置動作時間窗τ′。另外，應保證FLP與OC保護對應ADUCV保護加速動作時間窗τ與τ′互斥，避免ADUCV誤動，F(xiàn)LP保護模塊動作時限可整定為：

(15)

其中，Q為配置的FLP保護總數(shù)；q為配置FLP保護編號，由潮流實際流向的潮流上游向下游增大。

特別地，對于編號最大的FLP模塊，即按照潮流實際流向排序的最后一個保護節(jié)點，為了避免因下一區(qū)間首端故障造成FLP誤動，需要縮短該FLP模塊的保護范圍。因此，針對該FLP模塊，可靠性系數(shù)Kdis取為0.8，相應供電區(qū)間末端故障則由OC保護按原整定時間動作實現(xiàn)故障隔離。

類似于其他保護模塊投入整定原理，按照潮流實際流向，F(xiàn)LP模塊也需按照實際配置2套獨立模塊。

2.2 鐵路電力貫通線改進無通道保護方案

在傳統(tǒng)無通道保護的基礎上，鐵路電力貫通線無通道保護在線路中段保護配置了FLP模塊，加速保護動作；另外，針對對稱故障，在鐵路電力貫通線首末兩端的首個保護節(jié)點配置過電流速斷IOC(Ins-tantaneous Over Current)保護，IOC模塊根據(jù)潮流方向投入，實現(xiàn)從線路首端快速動作切除對稱故障，設定IOC模塊的動作時限為0.06 s[15]，IOC保護的啟動判據(jù)為：

(16)

Iset=(KrelKss/Kre)IL，max

Ri=(I0+I2)/I1

其中，IA，B，C為三相電流。

考慮鐵路電力貫通長線路“雙電源結(jié)構(gòu)單端供電運行”特點，保護根據(jù)鐵路電力貫通線潮流方向及故障方向自動選擇保護出口。故障發(fā)生后，各保護按照改進無通道保護判據(jù)及動作時限，根據(jù)潮流方向及故障方向的判別結(jié)果選擇保護出口，各保護出口選擇邏輯如圖6所示。

圖6 鐵路電力貫通線改進無通道保護出口選擇邏輯Fig.6 Logic of improved non-communication protection exit selection for railway power transmission line

圖7 鐵路電力貫通線無通道保護動作邏輯Fig.7 Action logic of non-communication protection for railway power transmission line

鐵路電力貫通線發(fā)生故障時，各保護模塊動作邏輯如圖7所示。故障發(fā)生后，IOC保護、FLP、OC保護和DUV保護模塊監(jiān)測故障信號是否滿足保護判據(jù)，若滿足，則保護啟動，在達到動作時限后，保護動作、斷路器跳開；對于ADUCV和AOC保護模塊，保護模塊在檢測到啟動判據(jù)滿足后，在相應加速動作時間窗內(nèi)檢測線路健全相是否出現(xiàn)電流二次擾動信號或者無壓無流信號，從而判別加速判據(jù)是否滿足，若加速判據(jù)滿足，則加速所在節(jié)點保護動作、斷路器斷開，實現(xiàn)故障完全隔離；故障被隔離后，未動作保護根據(jù)線路狀態(tài)判別其他保護已經(jīng)動作，則保護返回。

3 仿真分析

3.1 鐵路電力貫通線改進無通道保護整定方案

根據(jù)鐵路電力貫通線改進無通道保護方案，對如圖2所示的鐵路電力貫通線進行無通道保護整定，基于無通道保護，在線路中段供電區(qū)間5—7配置FLP模塊如圖8所示，圖中僅給出配置FLP的供電區(qū)間的保護配置情況。

圖8 鐵路電力貫通線中段無通道保護配置Fig.8 Non-communication protection configuration in middle section of railway power transmission line

3.2 中間加速區(qū)段故障分析

設供電區(qū)間6、7的長度分別為0.81 km及2.86 km。若在0.18 s時在區(qū)間7發(fā)生B相接地故障且與P7的距離為0.86 km。P1—P7判別潮流正向且故障正向，選擇保護OC1及AOC1出口，其中，P5—P7同時選擇保護FLP1出口；P8—P12判別潮流正向而故障反向，選擇保護DUV1及ADUCV1出口。根據(jù)保護動作判據(jù)及時限，P7的FLP1在故障發(fā)生后經(jīng)過0.30 s的延時(即0.48 s時)動作，斷路器B7跳開，見圖9；P8的ADUCV1在動作時間窗內(nèi)(0.48～0.58s)檢測到健全相電壓電流降低，滿足加速判據(jù)，保護動作，因此B8在0.58 s時跳閘，見圖10。然后，故障區(qū)間被隔離，故障信號消失，其他保護返回。

圖9 P7的FLP模塊響應波形Fig.9 Response waveforms of FLP protection module of P7

若B相接地故障發(fā)生于區(qū)間7且與P7相距僅0.02 km，P6及P7的FLP1的動作判據(jù)均滿足，由于P7的FLP1的動作時限短于P7，因此P7將先于P6動作，從而避免保護誤動，如圖11所示。

3.3 對稱故障下的保護響應分析

設在0.20 s時線路發(fā)生三相對稱故障，P1判別為三相對稱故障且潮流正向，選擇保護IOC1出口，在0.06 s延時后(即0.26 s時)保護動作，切除對稱故障，響應波形如圖12所示。

圖11 P6和P7的FLP模塊響應波形Fig.11 Response waveforms of FLP protection module of P6 and P7

圖12 P1的IOC保護模塊在對稱故障下的響應波形Fig.12 Response waveforms of P1 of IOC protection module under symmetrical fault

3.4 改進方案加速效果分析

對比采用改進無通道保護方案與傳統(tǒng)無通道保護方案的配置12個保護節(jié)點的鐵路電力貫通長線路各供電區(qū)間的故障隔離時間，如圖13所示。由圖13可見，采用改進無通道保護方案時全線最長的故障隔離時間較采用傳統(tǒng)無通道保護方案時縮減了0.60 s， 區(qū)段6 —7的故障隔離時間縮減更加顯著，均縮減了1.20 s。

圖13 采用傳統(tǒng)和改進無通道保護的配置12個保護節(jié)點的鐵路電力貫通長線路的故障隔離時間Fig.13 Fault isolation time of railway power transmission line with 12 protection nodes adopting improved and traditional non-communication protections

相比于傳統(tǒng)無通道保護方案，改進無通道保護方案能夠有效地縮短鐵路電力貫通長線路故障隔離時間，在線路允許保護最遲動作時限的約束下，有利于鐵路電力貫通長線路設置更多的保護節(jié)點，以縮短線路故障時需要切除的供電范圍，從而解決了傳統(tǒng)無通道保護方案為保證快速切除線路故障需要減少保護節(jié)點而造成故障切除后停電區(qū)域過大的問題，提高了無通道保護的可靠性，為通信條件不發(fā)達國家和地區(qū)的電氣化鐵路電力貫通線路的故障隔離提供保障。

4 結(jié)論

本文通過分析傳統(tǒng)無通道保護在鐵路電力貫通線的適應性，考慮鐵路電力貫通線“雙電源結(jié)構(gòu)單端供電運行”特點，提出了利用單端故障測距技術加速保護動作的方法，改進了傳統(tǒng)無通道保護，給出了適用于鐵路電力貫通線的無通道保護自動投入方案，解決了傳統(tǒng)無通道保護方案下鐵路電力貫通長線路中段供電區(qū)間故障隔離時間過長的問題，實現(xiàn)不依賴于通信信道進行鐵路電力貫通線故障區(qū)段的快速、準確隔離。文中提出的鐵路電力貫通線無通道保護方案可作為鐵路電力貫通線保護的補充方式，解決通信技術欠發(fā)達地區(qū)鐵路電力貫通線路故障切除與隔離問題。