电气化铁路牵引电力合建变电所母线保护方案探讨

刘 巍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处,西安 710043)

电气化铁路牵引电力合建变电所母线保护方案探讨

刘 巍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处,西安 710043)

结合电气化铁路牵引电力合建变电所主接线的特点,借鉴电力系统经验,提出一套完整的母线保护方案,就其中的启动元件、比率制动差动元件、辅助闭锁元件、母联保护元件的保护原理、动作判据、参数整定及相互配合逻辑关系进行全面的讨论。该方案在区外故障时能有效避免因电流互感器饱和而造成的保护误动,有良好的选择性;在区内故障时有较高的灵敏度,保证牵引供电系统及铁路电力系统可靠供电、稳定运行,为牵引电力合建变电所的设计提供了参考和建议。

电气化铁路;母线保护;牵引电力合建变电所;比率差动;母联保护

我国电气化铁路牵引电力合建变电所多采用单母线分段接线形式。母线作为变电所重要的组成元件,其运行的安全稳定性至关重要。当发生各种故障时,为保证电力系统正常运行、牵引供电系统及铁路电力系统可靠供电,必须装设母线保护,以快速准确的切除故障。既有牵引变电所多采用线路分支接线或线路变压器组接线[1],随着日益增多的牵引电力合建变电所的出现,母线保护配置方案的研究已成为电铁变电设计的焦点。

本文借鉴电力系统母线保护配置的经验[2],结合工程实际,提出了一整套母线保护配置方案,为日后的电铁设计提供理论基础及参考。

1 变电所主接线

按照《铁路电力牵引供电设计规范》的要求,牵引电力合建变电所接引两回110kV及以上电压等级的独立电源,互为热备用。应该指出,双电源互为热备用并非唯一运行方式,特殊情况下也可以采用双电源供电方式,此时宜采用甩开母线开关,形成两路母线单独供电的线路变压器组接线[8],采用简单的差动保护就可满足变电所运行的需要。为保证可靠供电,一般情况下,设置2台互为冷备用的牵引变压器及2台同时运行的电力变压器。为缩小故障时的停电范围,设置母联断路器。此配置决定了采用单母线断路器分段主接线形式,如图1所示。

图1 牵引电力合建变电所主接线

2 保护配置

根据图1所示的系统,方案采用微机电流型低阻抗母线差动保护。通过闭锁辅助措施及饱和识别判据,有效地避免了区外故障时因电流互感器饱和而造成的误动;采用基于基尔霍夫电流定律的比率制动特性判据,使之在区内故障时有较高的灵敏度,在区外故障时有良好的制动作用。母差保护采用分相差动原理,以下若无特殊说明,均为分相计算判别。

2.1 启动元件

母线保护要求启动元件快速、灵敏的对母线电压或支路电流的异常变化做出响应,其速度应高于差动元件。设置三个关系为逻辑“或”的启动判据,如图2所示。

图2 启动元件逻辑

母线电压突变量判据

其中,u(k)为分相电压当前采样值;u(k-N)为一周期前的相应采样值;ΔUset为启动定值。

该启动元件速度快,灵敏度高,且不受负荷变化的影响。

支路电流突变量和判据

其中,˙Ij(k)为第j条支路的分相电流当前采样值; ˙Ij(k-N)为一周期前的相应采样值;ΔIset为启动定值。

即使在YH断线的情况下,该启动元件仍能在母线发生区内故障时可靠动作[4]。

大差动电流判据

其中,Id为母线大差动电流,其由母线上除母联断路器之外的所有连接支路的二次电流构成;Idset为启动定值。

2.2 差动元件

为保证母线保护在区外故障时具有良好的选择性,区内故障时有较高的灵敏性,采用基于常规比率制动特性的差动保护。其保护判据为

常规比率制动差动元件动作特性曲线如图3所示。

图3 常规比率制动差动元件动作特性

最小动作电流Id0按照躲过母线上所有连接支路中的最大负荷电流整定,以保证在最小运行方式下差动元件有足够的灵敏度,Id0一般整定为(0.4～0.6)In。Kres的选择范围在0～1:选取较大值,有利于躲避区外故障时因流互的传变误差引起的不平衡电流;选取较小值,可以增大差动元件的灵敏度[5,6]。由此,需要综合权衡选择性与灵敏性的矛盾,通常Kres整定在0.5～0.8。

为提高差动元件的灵敏度,扩展Kres的选择范围,也可采用复式比率制动特性。其保护判据为

2种比率制动系数的关系为

当制动系数已选定,外部故障时2种比率制动差动元件允许的电流互感器最大稳态误差为

为有效减小负荷电流对母差保护灵敏度的影响,提高保护快速切除经过渡电阻故障的能力,母差保护还采用故障分量比率差动元件。其保护判据为

故障分量比率差动元件仅在启动元件动作后的第一个周期内投入,且能准确地反映各种故障分量,只作为母差保护的速动段。

2.3 复合电压闭锁元件

为防止电流互感器断线造成母线、失灵保护误动作或出口继电器误碰而引起的断路器误跳闸,母线保护装置在每一组母线电压回路中各设有一套复合电压继电器[14]。将复合电压的重动继电器接点对应串接在每个跳闸回路中。对于单母线分段接线,当任一组母线电压互感器因故停用或检修时,应有将复合电压闭锁回路通过连接片切换到运行的那组母线电压互感器的复合电压闭锁回路上的功能。以电流判据为主的差动元件,可以用复合电压闭锁元件来配合,提高保护整体的可靠性[7,13]。复合电压为低电压(线电压)、零序电压、负序电压,分别对应三相不接地故障、接地故障、不对称故障有最高的灵敏度,且其灵敏度必须高于差动元件。其逻辑框图如图4所示。

图4 复合电压闭锁元件逻辑框图

当闭锁元件动作后,自动展宽一定时限再返回;当母线电压恢复正常时,闭锁元件返回。

考虑到变电所内存在着单相变、三相-两相平衡变压器等不同的变压器接线,可在复合电压闭锁的判断条件内加入变压器接线选择,但判断原理不变。

2.4 母联死区及母联断路器失灵

如图1所示,若在母联断路器与母联LH间发生故障,断路器侧的母线段虽跳闸出口但无法切除故障, LH侧母线段小差元件不会动作,形成母联死区故障。若I母区内故障,I母小差保护跳开所有连接断路器。若母联断路器失灵,故障仍存在,形成母联断路器失灵故障。此2种情况下,大差元件动作且不返回,当母联断路器跳闸出口,经短延时,若母联电流越限且母线复合电压动作,则跳开电压不正常母线段的所有断路器,切除故障,逻辑框图如图5所示。

2.5 母联充电保护

当某段母线停电检修结束后,由另一段母线通过母联断路器对其充电。当检修母线发生短路,由母联充电保护切除故障,逻辑框图如图6所示。

图5 母联死区及母联断路器失灵保护逻辑框图

图6 母联充电保护逻辑框图

当充电保护投入后,若母联任一相电流超限,无需电压闭锁,经延时,母联断路器跳闸[10]。

2.6 LH断线闭锁元件

当LH发生断线,将引起较大的不平衡电流,导致母差保护误动,为此采用LH断线闭锁元件,包括两种互为逻辑“或”关系的动作判据[11]:大差电流超过限值(即Id＞Idxset)且母线电压正常;任一连接支路的三相不平衡电流超过限值(即iA+iB+iC＞Iunbset)。当判别连接支路的LH断线时,立即闭锁母差保护,并延时告警[9];当判别母联LH断线时,不闭锁母差保护,自动切换至单母线保护方式。

2.7 YH断线告警

若YH二次回路断线,电压闭锁元件将误动作,为此设置YH断线告警元件。其通过复合电压进行分段判别,当元件动作时,发出告警信号[12]。

2.8 断路器失灵保护

作为断路器拒动的后备,设置断路器失灵保护是牵引变电所必要的措施,逻辑框图如图7所示。

图7 断路器失灵保护逻辑框图

电流元件的定值,尽可能整定大于负荷电流。

3 结论

结合电铁牵引电力合建变电所设计实际,详细讨论了其母线保护各个元件的运行机理、动作判据,并给出了参数整定及配合方案的建议。值得注意的是,母线比率制动差动保护仅能有效避免LH饱和时产生的稳态误差,保护还需配合相应的抗LH饱和措施[3],方能保证区外故障可靠不误动。

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Discussion on Busbar Protection Scheme of Substation Co-built for Both Electric Traction System and Electricity System on Electrified Railway

LIU Wei
(Electrification Engineering Department of China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd.,Xi'an 710043,China)

Considering the features of the main wiring of the substation which is co-built not only for the electric traction system but also for the electricity system on electrified railway,and drawing lessons from the electricity system,a complete set of busbar protection scheme is proposed in this paper.And then, the paper carries out a comprehensive discuss on this scheme,including starting element,ratio restraint differential element,protection principle of bus connection protection element,auxiliary locking element, operation criterion,parameter tuning and the logic relationship in interaction.This scheme has good selectivity which can effectively avoid the incorrect protection caused by current transformer saturation in the case of external fault.While the internal fault occurs,the scheme has high sensitivity which can guarantee the reliable power supply and stable operation of both electric traction system and railway electricity system.This paper also provides reference and advice for the design of this kind of substation co-built for both electric traction system and electricity system.

electrified railway;busbar protection;substation co-built for both electric traction system and electricity system;ratio differential;bus connection protection

U224;TM772

A

1004-2954(2013)03-0115-03

2012-06-21;

2012-09-09

刘 巍(1972—),男,高级工程师,1994年毕业于西南交通大学,工学学士,E-mail:dhcdhs@163.com。