基于上下行差流比原理的故障方向識(shí)別及廣域保護(hù)方案

葛海波

0 引言

隨著高速鐵路智能化技術(shù)不斷發(fā)展，智能牽引變電所作為我國(guó)新一代智能高鐵的重要組成，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。廣域保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)作為智能牽引變電所的重要組成部分，借助全所數(shù)字化共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了廣域保護(hù)、智能告警、遠(yuǎn)端維護(hù)等多個(gè)智能化應(yīng)用，提高了牽引供電的安全性和可靠性。我國(guó)高鐵線(xiàn)路的牽引網(wǎng)供電多采用全并聯(lián)AT方式，牽引網(wǎng)故障時(shí)廣域保護(hù)可以?xún)H切除故障側(cè)，非故障側(cè)牽引網(wǎng)不斷電，相比目前常規(guī)的牽引網(wǎng)保護(hù)方案具有更好的選擇性，能有效縮小停電范圍。文獻(xiàn)[1-3]提出了基于阻抗特征和電流特征的廣域保護(hù)方案，基于阻抗特征方案中，故障方向是根據(jù)AT 所或分區(qū)所保護(hù)裝置計(jì)算的故障阻抗角度進(jìn)行識(shí)別，基于電流特征方案中，故障方向是根據(jù)保護(hù)裝置采集故障電流和電壓的角度進(jìn)行識(shí)別。兩種方法均需引入電壓作為識(shí)別條件，但若牽引所亭發(fā)生PT 斷線(xiàn)，該所亭的廣域保護(hù)將無(wú)法識(shí)別故障方向。文獻(xiàn)[4]提出在變電所出口處發(fā)生短路時(shí)供電臂保護(hù)中的方向阻抗元件存在死區(qū)，并給出方向阻抗+上下行電流比識(shí)別故障方向的解決方法。

本文提出一種基于上下行差流比特征的故障方向識(shí)別判據(jù)，僅通過(guò)電流信息即可實(shí)現(xiàn)全并聯(lián)AT 供電牽引網(wǎng)故障方向的識(shí)別，能有效避免在PT斷線(xiàn)時(shí)廣域保護(hù)的方向識(shí)別元件失效、無(wú)法正確動(dòng)作的情況。

1 既有廣域保護(hù)方案分析

1.1 既有廣域保護(hù)構(gòu)成及保護(hù)動(dòng)作

廣域保護(hù)主要應(yīng)用于全并聯(lián)AT 供電方式牽引網(wǎng)，由安裝在變電所、AT 所、分區(qū)所的廣域保護(hù)裝置及廣域保護(hù)通道組成[5]，如圖1 所示。既有廣域保護(hù)采用方向阻抗或方向過(guò)流元件識(shí)別牽引網(wǎng)故障方向，兩種元件識(shí)別牽引網(wǎng)故障方向原理類(lèi)似，本文以基于方向阻抗特征的廣域保護(hù)為例進(jìn)行分析。為保證所亭間廣域保護(hù)交互信息一致須定義電流方向，通常定義由所亭流向線(xiàn)路為正向，由線(xiàn)路流向所亭為反向。變電所1QF 和2QF 處的方向阻抗保護(hù)范圍為供電臂全長(zhǎng)，AT 所3QF 和4QF 處的方向阻抗保護(hù)范圍取AT 所左右相鄰AT 段的較長(zhǎng)AT 段，分區(qū)所5QF 和6QF 處方向阻抗保護(hù)范圍為AT 所到分區(qū)所供電臂。

圖1 廣域保護(hù)構(gòu)成示意圖

當(dāng)圖1 中牽引網(wǎng)d1點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，變電所1QF、2QF 廣域保護(hù)正向阻抗Z1、Z2啟動(dòng)；AT 所3QF 廣域保護(hù)正向阻抗Z3啟動(dòng)，4QF 廣域保護(hù)反向阻抗啟動(dòng)；由于故障在變電所—AT 所區(qū)間，故障電流基本由變電所和AT 所提供，流經(jīng)分區(qū)所故障電流較小，分區(qū)所5QF和6QF廣域保護(hù)無(wú)法感知故障，方向阻抗不啟動(dòng)。4QF 廣域保護(hù)反向阻抗啟動(dòng)后，給牽引網(wǎng)同方向的2QF、6QF 廣域保護(hù)發(fā)送閉鎖正向阻抗啟動(dòng)信號(hào)，避免2QF 廣域保護(hù)誤動(dòng)。當(dāng)1QF或3QF 跳閘時(shí)，經(jīng)廣域保護(hù)通道給5QF 廣域保護(hù)發(fā)聯(lián)跳信號(hào)，聯(lián)跳保護(hù)跳開(kāi)5QF。當(dāng)d1故障點(diǎn)越靠近變電所，流經(jīng)AT 所電流越小，AT 所方向阻抗保護(hù)拒動(dòng)概率越大。

當(dāng)牽引網(wǎng)故障發(fā)生在A(yíng)T 所—分區(qū)所區(qū)間d2點(diǎn)時(shí)，1QF、2QF、3QF、5QF 廣域保護(hù)正向阻抗均啟動(dòng)。4QF、6QF 廣域保護(hù)反向阻抗啟動(dòng)，閉鎖2QF 廣域保護(hù)的正向阻抗啟動(dòng)。需要注意的是，d2點(diǎn)越靠近分區(qū)所，流經(jīng)AT 所的故障電流越小，AT所方向阻抗保護(hù)拒動(dòng)概率越大。文獻(xiàn)[4]對(duì)故障發(fā)生在變電所出口處AT 所方向阻抗存在死區(qū)，以及故障發(fā)生在A(yíng)T 所出口處分區(qū)所方向阻抗存在死區(qū)的原因進(jìn)行了詳細(xì)理論分析，本文不再贅述。

當(dāng)牽引網(wǎng)故障發(fā)生在A(yíng)T 所母線(xiàn)d3點(diǎn)時(shí)，AT所上、下行的反向阻抗均啟動(dòng)，供電臂其他所亭的廣域保護(hù)均閉鎖。可以利用AT 所上、下行的反向阻抗均啟動(dòng)的特征識(shí)別所內(nèi)母線(xiàn)故障，3QF、4QF廣域保護(hù)的反向阻抗保護(hù)加速跳開(kāi)3QF、4QF，切除AT 所母線(xiàn)故障。

1.2 既有廣域保護(hù)缺陷分析

通過(guò)分析既有廣域保護(hù)故障方向識(shí)別邏輯和動(dòng)作過(guò)程，可以得出既有廣域保護(hù)存在以下缺陷：

（1）牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，變電所故障電流為所亭流向線(xiàn)路，方向?yàn)檎?，變電所廣域保護(hù)方向阻抗元件可正確識(shí)別故障，但無(wú)法識(shí)別故障方向。

（2）當(dāng)故障發(fā)生在A(yíng)T 所出口處時(shí)，由于流經(jīng)分區(qū)所故障電流幾乎為0，分區(qū)所方向阻抗保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)，只有AT 所廣域保護(hù)能識(shí)別故障方向。如果AT 所發(fā)生PT 斷線(xiàn)，整個(gè)供電臂保護(hù)將無(wú)法識(shí)別故障方向，廣域保護(hù)功能失效。

（3）當(dāng)故障發(fā)生在分區(qū)所出口處時(shí)，由于流經(jīng)AT 所故障電流幾乎為0，AT 所方向阻抗保護(hù)無(wú)法啟動(dòng)，只有分區(qū)所廣域保護(hù)能識(shí)別故障方向。如果分區(qū)所發(fā)生PT 斷線(xiàn)，整個(gè)供電臂保護(hù)將無(wú)法識(shí)別故障方向，廣域保護(hù)功能失效。

2 基于上下行差流比原理的廣域保護(hù)方案

通過(guò)以上分析可以看出，當(dāng)牽引網(wǎng)故障靠近AT 所處且AT 所發(fā)生PT 斷線(xiàn)，或故障靠近分區(qū)所處且分區(qū)所發(fā)生PT 斷線(xiàn)時(shí)，既有廣域保護(hù)無(wú)法識(shí)別故障方向，失去選擇性，因此PT 斷線(xiàn)時(shí)需要閉鎖廣域保護(hù)，防止誤動(dòng)。下文通過(guò)對(duì)全并聯(lián)AT 供電方式下短路電流特征進(jìn)行分析，提出一種僅基于電流特征識(shí)別牽引網(wǎng)故障方向的方法，當(dāng)AT 所或分區(qū)所內(nèi)發(fā)生PT 斷線(xiàn)時(shí)，廣域保護(hù)仍能正確識(shí)別故障方向。

2.1 全并聯(lián)AT 供電牽引網(wǎng)短路電流特征分析

2.1.1 變電所短路電流特征

當(dāng)故障發(fā)生在變電所至AT 所區(qū)間時(shí)，變電所經(jīng)AT 所至故障點(diǎn)的阻抗遠(yuǎn)小于變電所經(jīng)分區(qū)所至故障點(diǎn)的阻抗，因此故障電流流經(jīng)分區(qū)所較少，在分析過(guò)程中可以忽略，全并聯(lián)AT 供電第一區(qū)段故障電流分配關(guān)系如圖2 所示。

圖2 第一區(qū)段故障變電所電流分配示意圖

首先，分析變電所饋線(xiàn)短路電流與故障點(diǎn)的關(guān)系。文獻(xiàn)[6]對(duì)全并聯(lián)AT 供電方式下變電所電流與故障距離的關(guān)系進(jìn)行了理論推導(dǎo)，推導(dǎo)結(jié)果如式（1）所示。

式中：I1為變電所下行饋線(xiàn)電流；I2為變電所上行饋線(xiàn)電流；L為變電所至AT 所的距離；x為變電所至故障點(diǎn)的距離。

從式（1）可以看出，當(dāng)故障發(fā)生在下行d1點(diǎn)時(shí)，故障點(diǎn)距離變電所越近，變電所故障方向電流I1越大，變電所非故障方向電流I2越小。因此可以根據(jù)變電所上、下行饋線(xiàn)電流大小關(guān)系判斷故障牽引網(wǎng)故障方向，變電所至AT 所區(qū)間的故障方向識(shí)別可根據(jù)式（2）中上下行電流比值大小確定。

式中：k為故障方向識(shí)別可靠系數(shù)。

2.1.2 AT 所、分區(qū)所短路電流特征

當(dāng)故障發(fā)生在變電所至AT 所區(qū)間且故障類(lèi)型為下行T-R 時(shí)，AT 所故障電流分配關(guān)系如圖3 所示。可以看出AT 所的故障電流滿(mǎn)足式（3）。

圖3 第一區(qū)段T-R 故障AT 所電流分配示意圖

AT 所上、下行饋線(xiàn)差電流ICD計(jì)算式為

故障在下行T 線(xiàn)時(shí)，根據(jù)全并聯(lián)AT 供電牽引網(wǎng)故障時(shí)的電流分配特點(diǎn)，由式（3）和式（4）可得T-R 故障時(shí)AT 所差流為

同理，可以推導(dǎo)出變電所至AT所區(qū)間下行F-R、上行T-R、上行F-R 也滿(mǎn)足式（5）。

故障類(lèi)型為下行或上行T-F 故障時(shí)，AT 所故障電流分配關(guān)系如圖4 所示，AT 所的故障電流滿(mǎn)足式（6）。

圖4 第一區(qū)段T-F 故障AT 所電流分配示意圖

同理可以推導(dǎo)出當(dāng)故障發(fā)生在A(yíng)T 所至分區(qū)所區(qū)間時(shí)，AT 所和分區(qū)所上、下行差流關(guān)系，即故障發(fā)生在A(yíng)T 所至分區(qū)所區(qū)間且故障類(lèi)型為T(mén)-R、F-R 時(shí)，AT 所或分區(qū)所差電流分別為各自所亭吸上電流的50%；故障類(lèi)型為T(mén)-F 時(shí)，AT 所或分區(qū)所差電流為0。

2.2 基于上下行差流比原理的廣域保護(hù)方案

上一節(jié)分析了全并聯(lián)AT 供電方式下短路電流特征，牽引網(wǎng)故障類(lèi)型不同，變電所和子所（AT所和分區(qū)所）上、下行短路電流特征不同，故障側(cè)電流和非故障側(cè)電流特征均差異明顯。

在牽引網(wǎng)保護(hù)中，常用的保護(hù)元件包括距離保護(hù)、電流速斷、低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流和電流增量保護(hù)。根據(jù)中國(guó)鐵路多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，這些保護(hù)元件可以準(zhǔn)確識(shí)別牽引網(wǎng)的各種類(lèi)型故障，因此提出一種“保護(hù)元件識(shí)別故障，上、下行故障電流特征識(shí)別故障方向”的廣域保護(hù)方案。

2.2.1 保護(hù)元件配置方案

牽引變電所配置距離保護(hù)、電流速斷、低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流和電流增量保護(hù)，定值計(jì)算可參考QC/R 687—2018《牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置及整定計(jì)算導(dǎo)則》中整定原則進(jìn)行整定。

AT 所和分區(qū)所配置距離保護(hù)、低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流和電流增量保護(hù)。AT 所距離保護(hù)范圍按照取AT所左右兩相鄰AT 段中最大長(zhǎng)度，分區(qū)所距離保護(hù)范圍取AT 所到分區(qū)所AT 段長(zhǎng)度整定。低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)電流保護(hù)按躲過(guò)流經(jīng)AT 所（分區(qū)所）斷路器的最大負(fù)荷電流整定。電流增量保護(hù)是牽引網(wǎng)高阻故障時(shí)的主要保護(hù)元件，定值可參考變電所電流增量保護(hù)整定計(jì)算原則并考慮一定的可靠系數(shù)確定。

2.2.2 故障方向識(shí)別方案

牽引變電所上、下行故障電流關(guān)系滿(mǎn)足式（2），故障點(diǎn)越靠近AT 所，變電所上、下行電流越接近，k越趨近于1。為防止故障在A(yíng)T 所附近時(shí)變電所故障方向識(shí)別錯(cuò)誤，故障方向識(shí)別可靠系數(shù)k按照故障點(diǎn)在0.8 倍變電所至AT 所區(qū)段長(zhǎng)度時(shí)變電所故障側(cè)電流與非故障側(cè)電流比值設(shè)置，取1.5。牽引變電所故障方向識(shí)別邏輯如圖5 所示。

圖5 牽引變電所故障方向識(shí)別邏輯

變電所至AT 所區(qū)段發(fā)生T-R 或F-R 故障時(shí)，AT 所的上、下行故障電流滿(mǎn)足式（5），AT 所上、下行饋線(xiàn)故障電流差為AT 所自耦變吸上電流的50%。全并聯(lián)AT 供電方式下，故障點(diǎn)越靠近AT所，AT 所自耦變吸上電流越大，AT 所上、下行饋線(xiàn)差電流越大；故障點(diǎn)越靠近變電所，AT 所自耦變吸上電流越小，AT 所上、下行饋線(xiàn)差電流也越小。為防止故障在變電所附近時(shí)AT 所故障方向識(shí)別錯(cuò)誤，僅在A(yíng)T 所吸上電流大于一定的門(mén)檻值才進(jìn)行故障方向識(shí)別。AT 所T-R 或F-R 故障方向識(shí)別邏輯如圖6 所示。

圖6 AT 所故障方向識(shí)別邏輯

圖6 中Iset為AT 所故障方向識(shí)別吸上電流門(mén)檻定值，Ig為AT 所吸上電流。

對(duì)于A(yíng)T 所至分區(qū)所區(qū)間的T-R 或F-R 故障，AT 所或分區(qū)所仍可采用圖6 中的故障方向識(shí)別邏輯實(shí)現(xiàn)故障方向判斷。當(dāng)供電臂發(fā)生T-F 故障時(shí)，AT 所或分區(qū)所的上、下行故障電流差值接近0，圖6 的故障方向識(shí)別邏輯失效。

2.2.3 廣域保護(hù)方案

由以上分析可以看出，僅采用上、下行故障電流特征識(shí)別故障方向時(shí)，如發(fā)生T-F 故障，供電臂部分區(qū)段故障方向識(shí)別邏輯會(huì)失效，因此需要加入既有的電壓電流特征的故障方向識(shí)別邏輯。廣域保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖7 所示。當(dāng)廣域保護(hù)元件啟動(dòng)且故障方向判斷為下行時(shí)，下行廣域保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)斷路器，同時(shí)閉鎖上行廣域保護(hù)，聯(lián)跳同一供電臂下行斷路器；當(dāng)廣域保護(hù)元件啟動(dòng)且故障方向判斷為上行時(shí)，上行廣域保護(hù)動(dòng)作跳開(kāi)斷路器，同時(shí)閉鎖下行廣域保護(hù)，聯(lián)跳同一供電臂上行斷路器。

圖7 廣域保護(hù)動(dòng)作邏輯

圖7 中供電臂下行、上行故障方向識(shí)別邏輯如圖8 所示。

圖8 供電臂下行、上行故障方向識(shí)別邏輯

3 仿真驗(yàn)證

通過(guò)RTDS 仿真系統(tǒng)搭建全并聯(lián)AT 供電方式下的牽引網(wǎng)仿真模型，模型相關(guān)參數(shù)如表1 所示。分別模擬變電所—AT 所、AT 所—分區(qū)所區(qū)間牽引網(wǎng)發(fā)生下行T-R、F-R、T-F 故障時(shí)，圖8（a）中故障方向識(shí)別邏輯輸出結(jié)果。

表1 仿真模型主要參數(shù)

3.1 變電所—AT 所區(qū)段仿真

模擬AT 所PT 斷線(xiàn)時(shí)變電所—AT 所區(qū)段多個(gè)短路故障點(diǎn)的下行故障方向識(shí)別邏輯輸出結(jié)果，仿真結(jié)果如圖9 所示。輸出結(jié)果為1 表示故障方向識(shí)別結(jié)果為下行，結(jié)果為0 表示故障方向無(wú)法識(shí)別，下同?？梢钥闯?，變電所故障方向識(shí)別在0～9 km范圍內(nèi)正確，AT 所故障在1～12 km 范圍內(nèi)T-R 和F-R 故障方向識(shí)別正確，在10～12 km 范圍內(nèi)的T-F故障變電所和AT 所故障方向均無(wú)法識(shí)別。

圖9 變電所—AT 所區(qū)間下行故障識(shí)別結(jié)果

3.2 AT 所—分區(qū)所區(qū)段仿真

模擬AT 所、分區(qū)所PT 斷線(xiàn)后AT 所—分區(qū)所區(qū)段多個(gè)短路故障點(diǎn)的下行故障方向識(shí)別邏輯輸出結(jié)果。

AT 所PT 斷線(xiàn)故障識(shí)別仿真結(jié)果如圖10 所示。T-R 故障和F-R 故障時(shí)，故障發(fā)生在0～14 km 范圍內(nèi)，最少有一個(gè)所亭可以正確識(shí)別故障方向，僅在T-F 故障時(shí)AT 所0.5 km 范圍內(nèi)故障方向無(wú)法識(shí)別。由于篇幅有限，直接給出分區(qū)所PT 斷線(xiàn)時(shí)結(jié)論，僅在T-F 故障時(shí)分區(qū)所0.5 km 范圍內(nèi)故障方向無(wú)法識(shí)別。

圖10 AT 所PT 斷線(xiàn)下行故障識(shí)別結(jié)果

當(dāng)AT 所和分區(qū)所同時(shí)發(fā)生PT 斷線(xiàn)時(shí)，仿真結(jié)果如圖11 所示。

圖11 AT 所、分區(qū)所同時(shí)發(fā)生PT 斷線(xiàn)下行故障識(shí)別結(jié)果

由圖11 可以看出，當(dāng)AT 所和分區(qū)所同時(shí)發(fā)生PT斷線(xiàn)時(shí)發(fā)生T-R故障和F-R故障，在0～14 km范圍內(nèi)最少有一個(gè)所亭可以正確識(shí)別故障方向，在T-F 故障時(shí)全區(qū)段故障方向無(wú)法識(shí)別。

4 結(jié)論

通過(guò)分析全并聯(lián)AT 供電方式下?tīng)恳W(wǎng)不同故障類(lèi)型和方向時(shí)變電所、AT 所和分區(qū)所的上、下行電流特征，提出基于上下行差流比原理的供電臂故障方向識(shí)別判據(jù)，并結(jié)合既有電壓電流特征的故障方向識(shí)別邏輯給出廣域保護(hù)方案，最后利用RTDS 系統(tǒng)建立仿真模型并驗(yàn)證了故障方向判據(jù)的有效性。仿真結(jié)果表明，基于上下行差流比和電壓電流特征相結(jié)合的廣域保護(hù)故障方向識(shí)別方案，在牽引所亭發(fā)生PT 斷線(xiàn)時(shí)可大幅縮小無(wú)法識(shí)別故障方向的范圍，提高了廣域保護(hù)的選擇性。