抑制牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的方法研究

張 雷

(中鐵十六局集團(tuán)電氣化工程有限公司，北京 100018)

電力系統(tǒng)正在大規(guī)模發(fā)展，其電壓等級(jí)和容量都在增大，系統(tǒng)中的各種暫態(tài)過(guò)程更加嚴(yán)重，對(duì)電力系統(tǒng)元器件的保護(hù)造成了巨大的影響。由高壓交流斷路器開關(guān)操作引起的暫態(tài)過(guò)程更加嚴(yán)重。斷路器動(dòng)作的過(guò)程中觸頭間電弧連續(xù)熄滅和重燃過(guò)程引發(fā)的暫態(tài)過(guò)電壓現(xiàn)象，其產(chǎn)生的高頻暫態(tài)過(guò)程會(huì)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾，特別是產(chǎn)生的電快速瞬變脈沖群，將引起母線上各相有過(guò)高的零序電壓，引起中性點(diǎn)不接地變壓器的間隙擊穿。當(dāng)變壓器中性點(diǎn)被擊穿，線路中會(huì)有零序電流通過(guò)，當(dāng)此電流連續(xù)而且幅值達(dá)到了零序保護(hù)動(dòng)作條件，零序電流保護(hù)動(dòng)作，會(huì)造成非故障線路被切除，引發(fā)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的情況發(fā)生[1-4]。

當(dāng)斷路器斷開故障電流時(shí)，因?yàn)閿嚅_線路功率較大，機(jī)械元件動(dòng)作有延時(shí)等原因，當(dāng)斷路器斷開線路時(shí)，電弧的燃熄引起了線路嚴(yán)重的不平衡電壓，產(chǎn)生的電快速瞬變脈沖群因?yàn)榫哂胁粚?duì)稱性和略微的不同步性，在中性點(diǎn)不接地的變壓器中性點(diǎn)上產(chǎn)生了較高的過(guò)電壓。當(dāng)重合于永久性故障時(shí)在中性點(diǎn)產(chǎn)生的過(guò)電壓更高，甚至可能是斷開線路出現(xiàn)的過(guò)電壓的2倍。如此高的電壓，極有可能引起中性點(diǎn)不接地變壓器的間隙擊穿[5-8]。

若變壓器中性點(diǎn)被擊穿，則變壓器運(yùn)行方式在放電期間由不接地改為中性點(diǎn)直接接地，線路中有零序電流通過(guò)。當(dāng)此電流連續(xù)而且幅值達(dá)到了零序保護(hù)動(dòng)作條件，會(huì)導(dǎo)致線路中繼電保護(hù)跳閘造成非故障線路被切除，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

針對(duì)上述不足，本文提出抑制牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的方法，在考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制精度的同時(shí)，在不同工況下實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁電流的靈活可調(diào)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，可以有效提升電壓響應(yīng)速度，穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，保證較高要求的電能質(zhì)量。

1 牽引供電典型末端配電網(wǎng)

當(dāng)某線路重合于永久性故障時(shí)，由于快速合、分產(chǎn)生的電快速瞬變脈沖群在母線上產(chǎn)生了較高的過(guò)電壓，導(dǎo)致相鄰線路變壓器高壓側(cè)間隙放電。這種間隙放電會(huì)改變零序網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生零序電流。

當(dāng)零序電流數(shù)值大且連續(xù)，由于線路中運(yùn)行的是靈敏三段式零序電流保護(hù)，大于零序電流保護(hù)定值，相鄰線路零序電流保護(hù)動(dòng)作，繼電保護(hù)跳閘造成非故障線路被切除，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。牽引供電典型末端配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牽引供電典型末端配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Typical terminal distribution network structure of traction power supply

該配電網(wǎng)兩回電源為從同一變電站的不同段母線就近接入。經(jīng)三繞組變壓器供電，變壓器高、中、低3個(gè)繞組運(yùn)行方式為Yn/Yn/Yd11。2個(gè)三繞組變壓器的引線，分別連接配電站的2條母線。2條母線各帶部分負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行。其中母線Ⅰ主要有4條出線，1條備用，另外3條分別接3座地方電站。母線Ⅱ有5條出線，1條備用，另外4條分別接4座地方電站。

2 改進(jìn)的零序保護(hù)電路

本文提出的改進(jìn)的零序保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的零序保護(hù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Improved zero sequence protection structure diagram

當(dāng)零序保護(hù)繼電器檢測(cè)到能夠引發(fā)零序電流保護(hù)動(dòng)作的零序電流時(shí)，并不立即動(dòng)作，而是先進(jìn)行判斷檢測(cè)。

3 集成電路型阻抗繼電器

接地距離保護(hù)系統(tǒng)為集成電路型阻抗繼電器，原理結(jié)構(gòu)如圖3所示。阻抗繼電器的動(dòng)作方程為：

(1)

(2)

圖3 集成電路型阻抗繼電器的原理結(jié)構(gòu)Fig.3 Principle structure of integrated circuit impedance relay

其中，UⅠ和UⅡ分別為由繼電器輸入的電壓Um和電流Im形成的電壓信號(hào)(電流信號(hào)經(jīng)阻抗變換器變換而成)。將兩信號(hào)進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)的條件是UⅠ和UⅡ瞬時(shí)值同為正的時(shí)間>5 ms。

4 仿真分析

本文利用PSCAD/EMTDC建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型，仿真分析模擬帶零序電流補(bǔ)償?shù)牧愣冉泳€形式如圖4所示。

圖4 帶零序電流補(bǔ)償?shù)牧愣冉泳€方式仿真結(jié)構(gòu)Fig.4 Simulation structure of zero-degree wiring mode with zero-sequence current compensation

將線路L118線路PT中A相電壓UA與加入繼電器電流(IJ=IA+K3I0)相比較，得到二者同時(shí)為正的時(shí)間如圖5所示。

圖5 反應(yīng)接地故障的距離保護(hù)比相結(jié)果Fig.5 Phase comparison result of distance protection in response to ground fault

將圖5局部波形進(jìn)行放大，分別得到圖6和圖7。由圖6、圖7可知，電壓生成信號(hào)同時(shí)為正的時(shí)間最長(zhǎng)不到2.5 ms，因此不滿足距離保護(hù)啟動(dòng)條件。由圖2邏輯框圖知，當(dāng)距離保護(hù)未啟動(dòng)，零序保護(hù)無(wú)法達(dá)到跳閘條件，因此繼電保護(hù)裝置不動(dòng)作。

圖6 比相結(jié)果0.448～0.450 s放大波形Fig.6 Phase comparison results 0.448～0.450 s to zoom in the waveform

圖7 比相結(jié)果0.08～0.09 s放大波形Fig.7 Phase comparison result 0.08～0.09 s to zoom in the waveform

由仿真結(jié)果可以看出，帶有零度電流補(bǔ)償?shù)牧愣染嚯x保護(hù)對(duì)加入繼電器的電壓和電流進(jìn)行比較，所得到的結(jié)果電壓與電流同時(shí)為正的時(shí)間均不超過(guò)5 ms。因此，距離保護(hù)不會(huì)動(dòng)作。以距離保護(hù)Ⅱ段作為啟動(dòng)信號(hào)，則零序電流保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。

當(dāng)斷路器斷開線路時(shí)過(guò)電壓間隙放電引發(fā)零序電流時(shí)，繼電器采集電壓生成信號(hào)同時(shí)為正的時(shí)間最長(zhǎng)不到2.5 ms，不滿足距離保護(hù)啟動(dòng)條件。所以，當(dāng)距離保護(hù)未啟動(dòng)，零序保護(hù)無(wú)法達(dá)到跳閘條件，繼電保護(hù)裝置不動(dòng)作。

同時(shí)，加入方向性距離保護(hù)作為啟動(dòng)元件后，針對(duì)中性點(diǎn)過(guò)電壓造成的零序通路，因未發(fā)生故障，方向性元件不動(dòng)作，避免了保護(hù)誤動(dòng)；而當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生接地故障時(shí)，方向性元件啟動(dòng)，零序電流保護(hù)可以可靠動(dòng)作，該方法可以在一定程度上提高配網(wǎng)末端輸電線路的供電可靠性。

5 結(jié)論

(1)論文提出了抑制牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作的方法，對(duì)傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，通過(guò)加入方向性距離保護(hù)作為啟動(dòng)元件的方式，消除了斷路器斷開線路時(shí)過(guò)電壓間隙放電引起的零序電流保護(hù)裝置誤動(dòng)作，提高了配網(wǎng)末端輸電線路的供電可靠性。

(2)設(shè)計(jì)了新型集成電路型阻抗繼電器，驗(yàn)證了零序電流保護(hù)是否可靠動(dòng)作，證明在一定程度上提高配網(wǎng)末端輸電線路的供電可靠性。

(3)搭建了基于PSCAD/EMTDC的帶零序電流補(bǔ)償零度接線方式的牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)模型，在不同工況下，對(duì)所提出的抑制牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作方法和傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置進(jìn)行比較，仿真結(jié)果表明本文所提出的抑制牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)作方法在未發(fā)生故障時(shí)方向性元件不動(dòng)作，避免了保護(hù)誤動(dòng)；而當(dāng)被保護(hù)線路發(fā)生接地故障時(shí)，方向性元件啟動(dòng)，零序電流保護(hù)可以可靠動(dòng)作，該方法可以在一定程度上提高配網(wǎng)末端輸電線路的供電可靠性。對(duì)于提高牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性研究具有良好的借鑒意義。