牵引变电所微机保护系琉的技术改进07z210

・铁路工程／工务・牵引变电所微机保护系琉的技术改进魏侍元（朔黄铁路公司河北肃宁０６２３５０）

摘要牵引变电所综合自动化系统及微机保护装笠，在已运营电气化线路中体现了许多优点，但也存在不同程度的设计缺陷。针对已运营的电气化线路中综合自动化系统和微机保护装里出现的技术问题进行探讨，并提出微机保护系统在应用中的改进。关健词牵引变电所微机保护系统自动化改进

１引言 ２００７年４月，朔黄线改建龙宫牵引变电所综合自动化系统正式投人运行，经过半年来的现场运行表明，该系统满足了朔黄线重载、大密度运行的需要，为综合自动化在牵引供电系统的推广积累了宝贵的经验。 该系统主要有以下几种优点： （１）可靠性高。一种微机保护单元可以完成多种保护与监测功能。代替了多种保护继电器和测量仪表，简化了开关柜与控制屏的接线，从而减少了相关设备的故障环节，提高了可靠性。微机保护单元采用高集成度的芯片，软件有自动检测与自动纠错功能，也提高了保护的可靠性。 （２）精度高，速度快，功能多。测量部分数字化大大提高其精度。ＣＰＵ速度提高可以使各种事件以ｍｓ来计时，软件功能的提高可以通过各种复杂的算法完成多种保护功能。 （３）灵活性大。通过软件可以很方便地改变保护与控制特性，利用逻辑判断实现各种互锁，一种类型硬件利用不同软件，可构成不同类型的保护。 （４）维护调试方便。硬件种类少，线路统一，外部接线简单，大大减少了维护工作量，保护调试与整定利用输人按键或上方计算机下传来进行，调试简单方便。 （５）经济性好，性能价格比高。由于微机保护的多功能性，使变配电站测量、控制与保护部分的综合造价降低。高可靠性与高速度，可以减少停电时间，节省人力，提高了经济效益。收稿日期；２，１０７　－０８　－０５ＲＡＩＬＷＡＹ　ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２既有线牵引变电所综合自动化装置的运行情况 下面介绍已运营的电气化线路中综合自动化系统和微机保护装置的运行经验，重点讨论电气化铁道的特殊性要求方面存在的问题。２．１主变压器保护２．１．１差动保护 牵引供电设计规范规定，主变压器差动保护“应能躲开励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流”，为了实现这一要求，各牵引变电所统一设置了二次谐形洲ｄ动的比率差动保护。 但在实际运行中差动保护多次出现了误动间题，以某变电所跳闸为例，在接触网天窗点完成后，对３号馈线送电时合闸于机车变压器故障点，主变压器差动保护误动作跳闸。事后对记录的事故报文及录波波形数据进行还原处理，发现低压侧ａ相短路电流波形前半个周波突变正常，后半周波明显畸变。故障点虽然在差动保护范围外，但穿越性电流幅值较大（９８００　Ａ）且含有非周期分量，导致。相ＣＴ进人饱和，造成变压器高低压侧出现差电流引起差动保护误动作。２．１．２过负荷保护

提速后的京广线，由于快速电力机车的运行使得一条馈线上多个机车启动和运行的几率增加，馈出线短时负荷电流增大，造成正常负荷情况下保护的非正常跳闸。为了解决这一问题，运营单位都按

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万方数据・铁路工程／工务・照提速后线路出现的最大负荷电流、变电所母线出现的最低电压和最差功率因数角，重新计算整定馈线阻抗保护的负荷阻抗Ｒ值。这样调整后，非正常跳闸问题基本得到解决，但更为严重的问题出现了，复线区段、在上下行同时出现大电流时，引起过负荷保护动作主变压器退出运行。仅２００１一２００２年，某牵引变电所过负荷保护连续动作３次，最后不得不将该保护退出运行。２．２馈线保护２．２．，电流速断（过电流）保护 在差动保护所述的故障，若差动保护不误动，将会在延时１ｓ后由２７．　５　ｋＶ低电压启动过电流保护动作，中断。相上下行线路供电，因属馈线的后备保护、不设自投装置，其恢复时间相对较长（一般在巧ｍｉｎ以上），影响范围加大。 按照保护的配置原则，线路机车故障时，应由馈线系统的保护动作切除故障点，但在机车变压器空载投入时发生故障、因电流波形中含有大量的二次谐波，而馈线系统的所有保护为防止空载投运变压器时误动均设置了二次谐波闭锁（一般为基波值的２０％），造成馈线保护拒动。２．２．２故障点标定装里 复线区段采用电抗测距原理时，由于上下行线路互感电抗等的存在和供电线、站场、区间单位电抗值的不同，造成变电所近端故障指示较准确、远端误差增大和Ｖ停方式下故障点指示严重偏离实际值的问题。２．３并联电容补偿系统 铁路系统并联电容补偿装置基本上采用电抗器后置的接线型式。这样在电抗器匝间、层间以及绕组线包间、串联电抗器与电容器连接软线对地发生短路时，因系统电压保持不变、电抗器被全部或部分旁路，使滤波器支路总电抗值增大、短路电流减小且小于滤波器正常的工作电流、电容器端电压降低，因此反映电流增量的速断和过电流保护均不会动作，而电压保护均是以２７．　５　ｋＶ母线电压为基准的，电容器本体差压保护也不动作，以致现在使用的继电保护无法识别这种故障而形成运行保护死区。２．４进线检失压保护 为保证在１路进线电源事故停电的情况下牵引变电所的正常运行，所内均引人了第２路电源，并设

进线检失压保护。但在电压互感器二次小保险意外熔断或外界震动致使端子虚接时，将引起失压保护误动作跳闸。２．５交直流系统 牵引站已投运的综合自动化系统仅涉及变电所内高压设备，对于交直流系统等附属装置仅在后台机设置了预告信号报警，其开关位置及其他运行信息不能在后台及远方实时显示，未能有效地与综合自动化系统连通。

３朔黄线微机保护系统的创新性应用 计算机技术、现代通信技术在综合自动化系统应用后，可有效实现信息共享，将原来难以实现的方案简单化并使数据的处理更为准确和智能化。网络方式可采用ＦＤＫ一ＢＵＳ和ＣＡＮ一ＢＵＳ双现场网络结构，亦可采用ＦＤＫ一ＢＵＳ光纤双环网或以太网。还可以实现小电流接地选线功能。整个系统采用全光纤通信，极大地提高了系统通信的可靠性。各种元件采用了功能各自独立的方式，保证在任一装置故障失效的情况下，系统仍不会无保护运行。 针对既有保护装置和已应用综合自动化系统运行中存在的间题，朔黄线解决方案如下。３．１主变压器系统３．１．１增加差动速断保护判别ＣＴ饱和功能 在正常情况下，电流互感器的铁心工作在低磁密条件下，励磁阻抗很大，励磁电流很小。在系统发生故障时，短路电流很大的情况下，电流互感器将会严重饱和而使交流暂态传变严重恶化，电流互感器的二次侧在电流互感器严重饱和时基波为零，高次谐波分量增大，比率制动的微机差动保护将无法反映区内短路故障。 通过对电流互感器饱和时的暂态实测波形分析发现，电流互感器并不是在故障一开始就发生饱和，而是在故障发生后经过一段时间，其铁心的磁通达到它的饱和密度后才开始的。这样电流互感器从故障起始到开始饱和时总会有一段时间（Ｔ／４　－　Ｔ／２，　Ｔ为工频周期的时间）还能够线性变换电流量。 利用这一特性设置同步识别法判断ＣＴ饱和。在线性传变区外发生故障时差动电流的动作与实际故障时刻并不同步，而存在滞后；而区内故障，差动电流实际反映的是故障电流，其越限是与实际故．障

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万方数据・铁路工程／工务・时刻同步的。这样便可利用差动电流的越限时刻和故障发生时刻是否同步来识别ＣＴ饱和情况。因此配有差动速断保护，它是差动电流过电流瞬时速断保护，没有制动量，电流互感器还未严重饱和，能实现快速正确的切除故障。３．１．２对过负荷保护进行适应性改造 通过分析发现，电气化铁道现在应用检测电流峰值方式（１．５倍变压器额定电流，６０　ｓ发信号，９０　ｓ跳闸）构成的过负荷保护，与变压器的实际运行状态不相适应，更与变压器自身的过负荷性能相去很远。变压器制造厂在２倍过负荷时间的试验值为２ｈ，规程规定为４５　ｍｉｎ，变压器的过负荷能力远未被充分利用。变压器过负荷能力取决于其内部绝缘件的性能，而绝缘件的老化程度则取决于变压器运行中的发热情况。由电工知识可知，在０一ｔ时间内，发热量次谐波不闭锁）将及时动作，切除故障机车所在的供电臂，有效防止２７．　５　ｋＶ低电压启动过电流保护越级跳闸、扩大事故范围的可能。３．２．２提高故障点标定装置的标定精度 主要针对管内的ＡＴ供电方式，采用复线上下行电流比测距原理。当ＡＴ供电牵引网末端并联运行时，当发生Ｔ－Ｒ，Ｔ－Ｒ，Ｔ－Ｆ故障时，测距公式为： Ｉ，６＝丁二一二．２Ｌ １，＋１２

Ｑ＝０．２３９ｆｉ２Ｒｄｔ式中，ｉ为平均电流，Ｑ与ａ２成正比。也就是说，检测到时间ｔ内平均电流的大小就能比较确切地反映变压器的负荷状况。 根据运行中变压器发热和散热的实际情况，参照变压器出厂试验报告和有关规程规定的负荷型式，将过负荷保护细分为５段５时限型。在５个整定时间段内，按保护装置整定时间由短到长的顺序，依次计算各时间段内的平均电流，如果大于该段的过负荷电流整定值则保护装置跳闸。３．２馈线系统测控装置３．２．１重新配置电流速断（过电流）保护 当系统发生严重故障时为消除阻抗保护动作死区，设置该保护，对重负荷线路可以选择低电压闭锁、二次谐波闭锁、谐波自适应特性。以往电流速断（过电流）保护均采用了二次谐波闭锁的方式，电流动作值按出线端最小短路电流整定，一般保持在４　０００　Ａ左右。经对馈线运行数据进行了采集，观测到的峰值电流均在２　２００　Ａ以下，且衰减很快。也就是说，即使没有二次谐波闭锁，空载投运机车变压器也不会引起保护误动。 因此电流速断（过电流）保护的二次谐波在软件上是可选择性闭锁，在现场需要时投人，不需要时撤出。在出现２．１．１所述的故障时，电流速断（二ＲＡＩＬＷＡ丫ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ 在式中的Ｉ，　，几并不是牵引馈线的电流，而是 当量等值电流，它们与牵引网馈线上下行电流成相 同的线性关系，其中Ｉ，　＝　Ｉ一Ｉｎ　１　Ｉｚ二Ｉａ一ＩＱ　Ｉ　Ｉ，Ｉ　，Ｉｎ　，Ｉａ　，Ｉｅ为上下行的Ｔ线、Ｆ线电流。３．３并联电容补偿系统测控装置３．３．１低电压保护 当电容器组所接母线突然失压时，电容器的积 聚电荷缓慢释放，若电压立即恢复而电容器再次充 电，则可能造成电容器过电压损坏；如果电容器还接在母线上，当电压恢复时，空载变压器带大容量的电容负荷，将使工频电压显著增高，这将对变电所设备及电容器本身造成伤害。考虑上述情况，装设低电压保护。 为防止低电压保护在ＰＴ断线或同级电压出现短路时误动，低电压保护中加有电流闭锁，ＰＴ断线和断路器位置判断，以防止低电压保护在电容器组未投时误发信号。３．３．２增加保护类型 电抗器故障时，电容器端电压和回路电流都将是减小的趋势，增设反映电量负增长的保护，具体类型如下。 （１）稳态阻抗比保护。电感电抗值与线圈匝数的平方成正比，出现电抗器匝间、层间以及绕组线包间短路时，其值有较大的变化；电容、电抗器之间连接线对地短路时，电感电抗值趋近于０。因而上述情况下，感抗、容抗比值相对于３次谐波过调值（１２％）将出现大幅度的变化，可利用此变化构成稳态阻抗比保护。在感抗、容抗比值变化超过保护整定量时，启动保护告警跳闸。 （２）过渡过程保护。虽然故障时过渡过程很短，但等到故障发展到一定阶段、稳态阻抗比保护动作时电抗器可能已烧毁，因此应设置过渡过程保护。