地面自動過分相裝置繼電保護研究

呂順凱

摘 ?要：隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，地面自動過分相裝置已獲批量應用。為全面保障地面自動過分相裝置和牽引供電系統(tǒng)的安全運行，文章對于地面自動過分相裝置繼電保護方案進行了較為深入的研究。通過功能需求分析，基于單板功能獨立和模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了全面符合數(shù)字化變電站標準、可便捷配置和擴展的地面自動過分相裝置繼電保護系統(tǒng)硬件架構(gòu)，同時，根據(jù)過分相特殊工況需求并考慮與牽引變電所饋線保護配置的協(xié)同，制定了差異化保護策略，能夠充分保證地面自動過分相裝置的可靠性、可用性和安全性，保障電力機車及牽引供電系統(tǒng)的安全運行。目前，該繼保系統(tǒng)已在現(xiàn)場長期應用至今，經(jīng)受牽引供電系統(tǒng)過流、速斷、自動重合閘等各種復雜工況檢驗，保護功能完善、選擇性好、可靠性高。

關(guān)鍵詞：自動過分相;繼電保護;硬件架構(gòu);保護策略

中圖分類號：U223.8 ? ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）13-0097-04

Abstract： With the rapid development of China's electrified railways， the ground automatic neutral-section passing device has been applied in batches. In order to fully guarantee the safe operation of the device and the traction power supply system， this paper has carried out an in-depth study on the relay protection scheme of the ground automatic neutral-section passing device. Through functional requirements analysis， based on the independent function and modular design concept of single board， the hardware architecture of relay protection system of the ground automatic neutral-section passing device that fully complies with the digital substation standard and can be conveniently configured and expanded is designed. At the same time， according to the special working conditions of passing neutral-section and consider the synergy with the line protection configuration of the traction substation， a differentiated protection strategy is proposed， which can fully guarantee the reliability， availability and safety of the ground automatic neutral-section passing device， and also ensure the safe operation of the electric locomotive and the traction power supply system. At present， the relay protection system has been applied in the field for a long time， and its functions have been verified through the complex working conditions such as over-current， quick-break and automatic reclosing of the traction power supply. The protection function is perfect， the selectivity is good， and the reliability is high.

Keywords： automatic neutral-section passing; relay protection; hardware architecture; protection strategy

引言

我國交流電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)采用27.5kV單相供電方式，牽引變電所將公共電網(wǎng)110kV或220kV等級的三相電源轉(zhuǎn)換成27.5kV的單相交流電供給牽引供電網(wǎng)[1]。為抑制負序，平衡電力系統(tǒng)的A、B、C三相電流，牽引變電所接入電源相序采用輪流轉(zhuǎn)換方式[2]。為防止相間短路，在牽引變電所出口和供電臂末端設(shè)置了由錨段式關(guān)節(jié)構(gòu)成的電分相區(qū)（中性區(qū)），兩相鄰牽引供電臂不直接連通[3]。機車通過分相區(qū)時，可選擇人工手動過分相、車載自動過分相或地面自動過分相等方式。當機車運行速度低于80km/h時，可采用人工手動斷電過分相方式，但司乘人員瞭望和操作頻繁，勞動強度大，極易造成帶電闖分相引起拉弧，導致接觸網(wǎng)損毀事故。因此，我國既有線改造和新建線路均采用車載斷電自動過分相或地面轉(zhuǎn)換自動過分相。車載斷電自動過分相無需人工干預、投資小、技術(shù)成熟，適應于低速、常速、高速列車的要求，應用范圍廣泛，但存在列車降牽引、速度損失大、存在過電壓沖擊等缺點[4]，不適應高坡、重載線路。地面轉(zhuǎn)換自動過分相通過給中性段交替供電，機車失電時間短，速度損失小，能夠適應復雜編組;同時車上主斷路器不動作，減小了開斷次數(shù)，有效延長機車主斷的使用壽命，在神朔線、寶成線、北同蒲等高坡、重載電氣化鐵路得到了廣泛應用，綜合運輸效益提升明顯[5]。但是，對于地面自動過分相裝置的繼電保護技術(shù)，國內(nèi)外一直未有較為全面、深入研究及成熟、可靠的現(xiàn)場應用。

1 需求分析

1.1 裝置構(gòu)成

圖1為我司研制的新型地面自動過分相裝置一次系統(tǒng)圖，裝置采用高壓大功率晶閘管閥組替代真空斷路器作為核心執(zhí)行機構(gòu)，系統(tǒng)響應迅速，導通和關(guān)斷時刻精確可控，無機械壽命限制，維護簡單便捷，本文即以該裝置為基礎(chǔ)進行繼電保護技術(shù)系統(tǒng)性研究。地面自動過分相裝置通過檢測電力機車的運行位置，自動控制晶閘管閥組將中性區(qū)與左右兩側(cè)供電臂交替導通，保證電力機車帶電無感知通過分相區(qū)，全程無需司機手動分閘或機車控制分閘。圖中J1、J2、J3為位置傳感器，布置在軌道兩側(cè);隔離開關(guān)QS1～QS3、電流互感器CT1～CT4、電壓互感器PT1～PT3、斷路器QF1～QF2、晶閘管閥組V1～V2，電阻R，電容C，放電線圈FD等均安裝于牽引變電所內(nèi)。裝置一次電源分別經(jīng)QS1和QS2由牽引供電系統(tǒng)27.5kV側(cè)A臂和B臂饋線引入，并通過QS3引出至接觸網(wǎng)中性區(qū)給機車供電。

1.2 關(guān)聯(lián)關(guān)系

由于地面自動過分相裝置涉及牽引供電、接觸網(wǎng)、信號等各個專業(yè)，屬于多學科交叉系統(tǒng)性工程，因此必須構(gòu)建全面、完善、可靠的繼電保護方案，確保裝置本身及牽引供電系統(tǒng)的安全運行。同時，由于裝置自身構(gòu)成復雜，需將裝置內(nèi)部各子部件按照功能進行分組歸類，劃分為位置檢測單元、控制單元、執(zhí)行控制單元及繼保單元等多個專業(yè)單元，以簡化繼保單元的接口設(shè)計，各單元之間關(guān)聯(lián)關(guān)系見圖2。

（1）位置檢測單元

J1、J2、J3檢測電力機車的位置并將信號傳輸至控制單元，同時將自身工作狀態(tài)傳輸至繼保單元。

（2）控制單元

控制單元依據(jù)位置檢測單元（J1、J2、J3）、電壓互感器（PT1、PT2）提供的信號，進行邏輯運算之后將控制命令傳輸至執(zhí)行單元?？刂茊卧獙⒆陨淼墓ぷ鳡顟B(tài)傳輸至繼保單元，同時可以接收繼保單元的動作預告信號，封鎖控制信號，實現(xiàn)輔助保護。

（3）繼保單元

檢測斷路器（QF1～QF2）、隔離開關(guān)（QS1～QS3）、電壓互感器（PT1～PT3）、電流互感器（CT1～CT4）、放電線圈（FD）、位置檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元的信號，根據(jù)預設(shè)的保護邏輯和定值進行全面保護。

（4）執(zhí)行單元

執(zhí)行單元主要包括V1和V2兩個晶閘管閥，單個閥均由反并聯(lián)晶閘管元件順序單向組串而成。

1.3 主要功能

經(jīng)需求分析，地面自動過分相裝置繼電保護設(shè)計既可以參考電氣化鐵路傳統(tǒng)饋線保護的部分項點[6]，又需要根據(jù)過分相特殊工況需求，并考慮與牽引變電所線路保護配置的協(xié)同，形成差異化保護方案，以充分保證整套裝置的可靠性、可用性和安全性。繼保單元的主要功能應當包括：

（1）保護功能

包括過壓保護（A相過電壓、B相過電壓、N相過電壓、AB相過電壓），線路重合閘保護（A相重合閘、B相重合閘），電流速斷保護（A相電流速斷、B相電流速斷、RC支路電流速斷），過流保護（A相過電流、B相過電流、RC支路過電流、相間過電流），差壓保護（放電線圈差電壓），數(shù)字量輸入保護（執(zhí)行單元故障信號、控制單元故障信號、位置檢測單元故障信號等），并支持與變電所聯(lián)跳和廣域供電臂保護。

（2）記錄功能

主要指事件與故障記錄功能，保護裝置運行狀態(tài)通過面板指示燈反映，同時以事件或自檢報告的方式記錄下來。操作人員對裝置的操作，如修改整定值、通過裝置控制斷路器或隔離開關(guān)動作等，將以事件報告的方式記錄下來。

（3）通信和對時功能

繼電繼保單元能夠通過以太網(wǎng)等接口與調(diào)試軟件通信，操作人員可以通過調(diào)試軟件界面查看裝置以及外部設(shè)備的運行狀態(tài)，查看、修改裝置的設(shè)置參數(shù)。同時，繼保單元通過以太網(wǎng)等接口與遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行信息交換和GPS對時。

2 硬件架構(gòu)

由系統(tǒng)一次圖及功能單元關(guān)聯(lián)關(guān)系圖可知，地面自動過分相裝置繼電保護單元輸入主要包含模擬量和數(shù)字量等，輸出主要為數(shù)字量?；趩伟骞δ塥毩⒑湍K化設(shè)計理念，分別設(shè)計了電源插件、主控插件、通信插件、模擬量輸入插件、數(shù)字量輸入插件、數(shù)字量輸出插件等不同類型的插件，全面符合數(shù)字化變電站的標準，可根據(jù)項目應用需求，進行差異化配置和擴展。

2.1 電源插件

電源插件將牽引變電所的220V或110V的直流電源轉(zhuǎn)換為2組穩(wěn)壓電源輸出：一組5V電源、一組24V電源。5V電源給主控插件、通訊插件、模擬量輸入插件和裝置面板等供電;24V電源主要為數(shù)字量輸入插件、數(shù)字量輸出插件供電。

2.2 主控插件

主控插件采用雙CPLD+DSP+FPGA配置方案，依據(jù)模擬量輸入插件傳送的電壓和電流值，以及數(shù)字量輸入插件傳送的開關(guān)量，經(jīng)過保護算法和邏輯判斷，完成保護和控制功能。通過10M/100M自適應雙以太網(wǎng)接口，可滿足星型、環(huán)形等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)置。

2.3 通訊插件

通訊插件包含多路電接口和光纖接口，可采用IEC60870-5-103、IEC61850等通信規(guī)約，支持采用光纖冗余自愈雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可以滿足不同類型的變電站對通信網(wǎng)絡(luò)的需求。

2.4 GPS對時插件

GPS對時插件校時可采用SNTP協(xié)議、IEC61588、IRIG-B碼、秒脈沖等方式校正裝置的時鐘。

2.5 模擬量輸入插件

插件能夠接入6路電壓和6路電流，可以完成12路模擬量的A/D轉(zhuǎn)換，支持電子式互感器和電磁式互感器，與主控插件的FPGA之間采用CAN總線進行數(shù)據(jù)交換。

2.6 數(shù)字量輸入插件

裝置能檢測40路外部開入量，其中30路可自定義，滿足各類項目擴展需求。開入量以電接口方式輸入插件，再通過光耦進行光電隔離，確保電氣隔離，保證繼保單元的安全;與主控插件的CPLD1之間采用CAN總線進行數(shù)據(jù)交換。

2.7 數(shù)字量輸出插件

裝置能控制40路對外開出量，其中30路可自定義，滿足各類項目擴展需求。開出量以繼電器干接點形式輸出，采用ARM微處理器進行控制，與主控插件的CPLD2之間采用CAN總線進行數(shù)據(jù)交換。

3 保護配置

以下對于地面自動過分相裝置繼電保護的主要項點配置進行原理性分析說明，各項保護定值需要根據(jù)不同項目應用現(xiàn)場的具體情況進行參數(shù)計算和校驗整定。

3.1 過壓保護

A相、B相、中性區(qū)均配置過壓保護，通過比較PT1～PT3的電壓采集值與設(shè)定值，并經(jīng)過一定延時，控制保護動作輸出。A相保護原理框圖如圖4所示，B相和中性區(qū)、以及AB相間過壓保護與之類似。

3.2 線路重合閘保護

A相、B相均配置線路重合閘保護，通過比較PT1和PT2的電壓采集值與設(shè)定值，以及確認QF1和QF2的合閘位置信號，并經(jīng)過一定延時，控制保護動作輸出。需要說明的是，過分相裝置不設(shè)置欠壓保護，且與常規(guī)欠壓保護不同，過分相繼保單元的線路重合閘保護延時設(shè)置較長，以實現(xiàn)與變電所饋線重合閘的協(xié)同配合，避免因非設(shè)備自身原因?qū)е碌念l發(fā)跳閘保護。A相保護原理框圖如圖5所示，B相與之類似。

3.3 電流速斷保護

A相、B相、中性區(qū)和RC支路均配置電流速斷保護，通過比較CT1～CT4的電流采集值與設(shè)定值，并經(jīng)過短時延時，控制保護動作輸出。A相保護原理框圖如圖6所示，B相、中性區(qū)和RC支路與之類似。速斷保護的保護定值大于過流保護定值，且延時較短。

3.4 過流保護

A相、B相、中性區(qū)和RC支路均配置過流保護，通過比較CT1～CT4的電流采集值與設(shè)定值，并經(jīng)過一定延時，控制保護動作輸出。A相保護原理框圖如圖7所示，B相、中性區(qū)和RC支路與之類似。過流保護的保護定值小于速斷保護定值，且延時較長。

3.5 差壓保護

RC支路配置差壓保護，通過比較放電線圈的電壓采集值與設(shè)定值，并經(jīng)過一定延時，控制保護動作輸出。RC差壓保護原理框圖如圖8所示。

3.6 故障輸入保護

故障輸入保護采集控制單元、執(zhí)行單元、位置檢測單元的故障狀態(tài)信號（In）進行邏輯判斷，當任何一個單元出現(xiàn)重故障，繼保單元將收到故障信號輸入，立即執(zhí)行保護動作。

3.7 變電所聯(lián)跳保護

本項保護選配，可通過軟壓板投退。當發(fā)生3.1-3.6故障時，在跳QF1和QF2的同時，可以開出多個自定義干接點信號，用于跳開牽引變電所各條饋線斷路器。如圖10所示，當過分相裝置故障時，可以輸出跳閘節(jié)點，選跳變電所牽引饋線斷路器QF11～QF14。

3.8 廣域遠跳保護

本項保護選配，可通過軟壓板投退。當發(fā)生3.1-3.6故障時，在跳QF1和QF2的同時，可以發(fā)出GOOSE跳閘信號。對于復線末段并聯(lián)方式，用于跳開變電所兩個饋線斷路器和兩個分區(qū)所的斷路器;對于全并聯(lián)AT供電方式，用于跳開兩側(cè)變電所、AT所、分區(qū)所的同相供電臂饋線斷路器。以圖11所示的直接供電系統(tǒng)為例，上行過分相裝置保護可以選跳QF11、QF13、QF15和QF16;下行過分相裝置可以選跳QF12、QF14、QF15和QF16，以限制故障影響范圍。

4 結(jié)束語

基于高性能牽引供電技術(shù)工程化項目，本文對地面自動過分相裝置的繼電保護需求進行了較為詳細的分析，依據(jù)單板功能獨立和模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了全面符合數(shù)字化變電站標準、可便捷配置和擴展的地面自動過分相裝置繼電保護系統(tǒng)硬件架構(gòu)，同時，根據(jù)過分相特殊工況需求并考慮與牽引變電所線路保護配置的協(xié)同，制定了差異化保護策略，充分保證地面自動過分相裝置的可靠性、可用性和安全性，保障電力機車及牽引供電系統(tǒng)的安全運行。目前，該繼保系統(tǒng)已在現(xiàn)場長期運行至今，經(jīng)受牽引供電系統(tǒng)過流、速斷、自動重合閘等各種復雜工況檢驗，實現(xiàn)了與27.5kV饋線保護系統(tǒng)的完美配合，功能完善、選擇性好、可靠性高。

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