基于无通道保护的高速铁路10 kV电力贯通线故障隔离方法研究

温曼越

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

10 kV电力贯通线为铁路车站、沿线通信信号以及其他非牵引电气设备供电，具有线路较长、接入负荷点多、地理条件差、易发生故障等特点。快速准确地隔离故障区段，恢复非故障区域供电是铁路安全可靠运行的根本保障。但是目前针对高速铁路电力贯通线的继电保护和故障区段隔离方案并不具有选择性，如现有的保护装置仅安装在线路的首端，在线路任何位置发生故障后，保护跳闸将使全线停电，使得故障影响范围大，极大降低了故障查找和恢复供电的效率。因此，电力贯通线路迫切地需要一个快速可靠的故障区段隔离方案，使得现有的问题得以解决，在故障后不仅能够快速识别故障，同时能够快速切除故障区段，避免了人工拉合闸导致的非故障区间失电，提高故障查找和恢复供电的效率，保证电力贯通线的供电可靠性。

由于三段式的电流保护或距离保护难以取得较好的选择性，国内外学者提出了相继速动保护[1]和无通道保护方案[2]。无通道保护是自适应保护的一种，其基本思想是利用对侧开关动作信息判断故障发生在保护区内或区外，从而决定是否加速本端保护动作，依靠单端量取得纵联保护的效果[3-5]。中低压配电系统中一般采用基于工频量的无通道保护。配电线路无通道保护方案[6]利用一端保护先动作跳闸后，另一侧保护检测故障动作跳闸产生的单端工频电气量的变化，来获取线路对端断路器的动作情况，在区内故障时实现相继速动。但在某些系统参数和故障类型下，电流的工频突变量微弱，导致判据灵敏度不足，存在死区问题[7，8]。对此，文献[9]提出利用对侧开关动作后出现的零序和负序电流变化的故障信息，构成瞬时动作模式和延时动作模式，提高了保护判据的灵敏度。文献[10]通过加速阻抗圆检测对侧保护动作，测量阻抗位于加速阻抗圆内时，保护加速动作。文献[11]结合行波和阻抗信息的变化来区分故障发生时刻与对侧断路器的动作时刻，以判断对侧保护的动作情况。

以上无通道保护方案在输配电网中已经有相对成熟的研究，但在铁路电力贯通线中的应用研究几乎没有。因此本文将无通道保护应用到电力贯通线中，并设计相应的备用电源自动投入模块，使其在故障后不仅能够快速识别故障，同时能够切除故障区段，可极大提高电力贯通线的供电可靠性。

1 基于无通道保护的电力贯通线故障隔离方案

如图1所示，B1-B12和R1-R12分别为安装在线路中的断路器和继电器。在单断路器配置的线路中，要从两端同时切除故障，每个继电器需要根据潮流方向和故障方向的不同，判断故障发生在断路器的哪一侧，投入不同的保护动作模式。如果故障处于电源侧，则继电器位于负荷侧，投入负荷侧对应的定时限动作模块——低电压保护DUV(Directional Under Voltage)和加速动作模块——加速低压低流保护ADCUV (Accelerated Directional Under Current Under Voltage)；如果故障位于无电源侧，则继电器位于电源侧，投入电源侧对应的定时限动作模块——过电流保护OC(Over Current)和加速动作模块——加速过电流保护AOC[6](Accelerated Over Current)。

图1 基本无通道故障隔离方案时限配置

当故障k1发生在编号为2的区段上时，继电器R2检测到潮流方向和故障方向都为正向，因此为电源侧继电器，投入OC(t=0.9 s)和AOC(0.3～0.4 s)模块；继电器R3检测到正向潮流方向，但故障方向为反，因此位于负荷侧，投入DUV(t=0.3 s)和ADCUV(1.9～2.0 s)模块。比较而知，R3的DUV模块的动作时间最短，因此在0.3 s断开，将编号2之后的区段隔离，因此R4至R12将返回不动作。然而R3之前的故障未被隔离，因此继电器R2的AOC模块在0.3～0.4 s的时间窗内检测到非故障相电流的突变，判断出R3已经在0.3 s动作，因此在0.4 s加速跳开，至此故障区段被完全隔离。

依此类推，当故障k3发生在编号为11的区段上时，R11的OC模块和R12的ADCUV模块先后动作，在0.2 s时切除故障区段；而当故障k2发生在编号为7的区段上时，则需在长达1.0 s时才能切除故障区段。

因此，虽然无通道保护方案对首端和末端区段故障的切除时间较短，但对于中间部分的区段故障切除时间过长。电力贯通线采用小电阻接地，发生接地故障时通常故障电流很大，故障电流存在的时间越长，对系统的危害越大。因此为了保证系统运行的可靠性，对于线路中间段应提出使故障切除时间更短的方案。

2 基于单端故障测距的电力贯通线故障隔离改进方案

为了能够从两侧切除故障，减小中间段故障隔离时间，针对故障切除时间较长的中间区段，即线路的1/3至2/3范围内的保护装置，增加DIS(Distance)保护模块的配置，DIS模块根据本端测得的三相电压电流数据判断故障距离。故障发生时，DIS模块在电源侧启动，依据单端故障测距的结果，判定故障是否在本端保护范围内，以决定是否加速本端保护的动作[12]。

2.1 单端故障测距算法

假设故障阻抗Zf为纯电阻[13]，则故障点处Zf的虚部为零，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，UA、IA分别为测得的A相电压和电流；Zr为线路单位阻抗；I0为线路零序电流；K为零序电流补偿系数[14]；z0和z1分别为线路单位长度的零序和正序阻抗。

故障阻抗可以表示为

(5)

故障距离x可以表示为

(6)

由此可见，随着故障电阻Rf的增大，故障测距结果x将呈现比实际故障距离偏小的误差。

2.2 加速动作判据

(1)DIS(Distance)模块动作判据

DIS模块的启动判据与AOC模块相同；加速判据为故障测距的结果Ld在保护范围xd之内，即

Ld≤xd

(7)

xd为本区段DIS模块的保护范围，由于在上一小节中证明测距方法会导致偏小的测距结果，因此设置保护范围xd为所保护区段的全长。

为保证动作的选择性，使非故障区段的加速动作模块在时间窗内不会误动，DIS的动作时限需避开OC以及DUV模块的动作时限。由于OC模块和DUV模块的动作时限分别为

tOCm=0.1[2M-(2m-1)]

(8)

tDUVm=0.1(2m-1)

(9)

式中，m为断路器编号；M为断路器总个数。

因此设置DIS的动作时限从母线到线路方向依次减小，即

tDISm=0.1(2M-2m)

(10)

因此对负荷侧的ADCUV模块增加对应于DIS模块动作时限的动作时间窗，该时间窗τ设定为以对侧DIS模块动作时限为基准的100 ms，即0.2～0.3 s、0.4～0.5 s、0.6～0.7 s等。如图2所示，对于加速区段的ADCUV模块，会配置两个动作时间窗，λ1对应于DIS模块的动作时限，λ2对应于原有的无通道保护方案OC模块的动作时限(作为备用)。DIS模块或者OC模块动作后，对应的ADCUV模块都能够在对应时间窗内检测到三相电压和电流的降低，加速动作切除故障区段。

图2 ADCUV模块动作时间窗示意

(2)保护超越分析

(11)

这样可能导致加速区段末端故障时DIS模块拒动，因此需配合保护装置内同时启动的OC模块，在DIS模块拒动时切除故障。

2.3 改进方案保护构成与动作逻辑

由于备自投的投入会导致线路潮流方向发生变化，因此由潮流方向和故障方向元件同时决定继电器启用电源侧或是负荷侧的动作模块[15]。具体保护结构如图3所示。

图3 改进方案保护构成

ADCUV模块和AOC模块的动作流程如图4所示。故障发生时，各模块根据故障与潮流的方向判定位于负荷侧还是电源侧，并相应投入ADCUV模块或者AOC模块。为防止保护的误启动，设置启动计数器。在满足启动判据后，AOC或ADCUV模块启动计数，若在规定的时间窗内满足加速判据，则跳闸断开相应的断路器，否则返回不动作；若ACDUV模块位于加速区段，则返回后再次启动计数，若在下一个时间窗内检测到三相电流和电压接近于零，则跳闸断开相应的断路器，否则返回不动作。

图4 加速保护模块动作流程

2.4 备自投单元投入判据

备自投UV(Under Voltage)模块的动作判据通常为[16]

(12)

t=Tmax+Δt

(13)

式中，Ua、Ub、Uc为三相电压有效值；Uset为故障整定电压，通常设置为额定电压的30%；t为模块动作时间，必须考虑系统中保护的最大动作时间Tmax；Δt为动作时级差，同样取为0.2 s。

当发生不对称故障时，若负荷侧先动作，则已将备自投模块与故障点之间的区段隔离，无需等待故障区段被完全隔离，备自投UV模块即可合闸供电。因此，新增UV模块的启动判据为将三相同时失压变为三相中任意一相的失压[17]

(14)

t2=Tmax2+Δt

(15)

式中，N为每个周期采样数；Up(n-2N)为2个周期前电压有效值；Up(n)为当前周期电压有效值，下标P代表三相中的任一相。

发生故障时，UV模块与线路上DUV模块同时启动，其延时时间t2只需比负荷侧DUV模块的最长动作时间Tmax2高一个时间阶梯Δt即可。

无通道保护对对称故障的处理，应首先保证故障切除的快速性。提出的不依赖通信的故障隔离方案，在对称故障发生时从首端无选择性瞬时切除故障。因此，为使得备自投装置识别三相的失压是由不对称故障时负荷侧断路器跳闸引起还是三相对称故障引起的，在以上判据的基础上，增加一个不对称故障判据[18]

(16)

在同时满足式(14)和式(16)的情况时，UV模块才可以启动，使得备自投(BZT)不会再次重合于对称故障上。

在无通信模式下，UV模块的动作判据分别根据故障区段电源侧或者负荷侧的先后动作顺序设定为：(1)电源侧先动作，UV模块需等待负荷侧动作后再投入，因此需在到达延时时间t3时动作；(2)负荷侧先动作，则UV模块只需在检测到任一相失压后，与线路上DUV模块同时启动，到达延时时间t2时动作。综上所述，备自投UV模块动作逻辑图如图5所示。

图5 备自投UV模块动作逻辑图

3 仿真分析

3.1 模型搭建

根据实际参数搭建全电缆电力贯通线仿真模型，在MATLAB/SIMULINK软件中仿真验证本方案的正确性和有效性。如图6所示，对于配置12个保护装置的电力贯通线，加速区间编号为5-8的区段，在此区间内使用基于单端故障测距的加速方案隔离故障区段。设置故障电阻为10 Ω，采样频率为1 kHz，对各电气量基波相量的提取采用傅里叶变换[19]。

图6 加速无通道故障隔离方案时限配置

3.2 加速区段故障分析

如图6所示，设置在编号为8的区段上距离继电器R8 0.916 km处于0.135 s发生B相接地短路故障，继电器R8检测到潮流方向和故障方向都为正向，因此为电源侧继电器，投入OC(t=0.7 s)和AOC(t为1.5～1.6 s)以及DIS(t=0.2 s)；继电器R9检测到正向潮流方向，但故障方向为反，因此位于负荷侧，投入DUV(t=1.5s)和ADCUV(t为0.2～0.3 s和0.7～0.8 s)。R5-R8继电器同时启动DIS模块进行故障测距，但是R5-R7继电器检测到故障位于保护范围之外，而R8的DIS模块检测故障距离为0.912 km，位于保护范围的2.86 km之内，比较而知，R8的DIS模块的动作时间最短，因此在0.335 s断开，将编号为8的区段之后的区段隔离。R1至R7检测到三相电流恢复正常，返回不动作。继电器R9的ADCUV模块在0.335～0.435 s的时间窗内检测到三相电压和电流的有效值均接近于零，判断出R7已经在0.335 s动作，因此在0.435 s加速跳开，至此故障区段被完全隔离，本区段故障切除时间由0.8 s缩短至0.3 s。DIS模块和ADCUV模块的响应波形分别如图7和图8所示。

图7 R8的DIS模块响应

图8 R9的ADCUV模块响应

相同故障条件下改变故障发生位置，当故障发生在编号为8的区段上距离继电器R8 0.12 km时，继电器R7和R8的DIS模块动作判据如图9所示。由图9可见，R7的保护范围为1.726 km，测距结果为1.721 km；继电器R8的保护范围为2.86 km，测距结果为0.1 km，都在对应的保护范围之内，而R8的DIS模块动作时间(t=0.2 s)小于R7的DIS模块动作时间(t=0.4 s)，因此0.335 s时断路器B7动作隔离故障区段，R8则返回不动作。

图9 R7和R8的DIS模块动作判据

以下分析故障点k2被隔离之后，备自投UV模块的响应。B相接地故障在0.135 s时发生，R8的DIS模块在0.335s时动作，R9的ADCUV模块在0.535 s时动作，隔离故障区段。t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s，从R8动作的0.335 s时检测到满足动作判据，因此UV模块启动计时，应在0.635 s时动作；t2=Tmax2+Δt=(0.7+0.2) s=0.9 s，在故障发生的0.135 s时检测到满足动作判据开始计时，应在1.035 s时动作。比较而知t2动作时间较短，如图10所示，备自投UV模块在0.635 s时动作，恢复R9之后的非故障区段的供电。UV模块投入后，R9之后的非故障区段的潮流方向将反向，因此各模块的整定值和时限也应当重新配置，如图11所示。

若k2点处的故障为三相短路故障，则如图12所示，在0.135 s发生故障后，首端继电器R1的OC模块检测到三相故障发生，瞬时无选择性动作切除故障。考虑到合闸初期变压器励磁涌流的影响，设定动作延时为60 ms。因此OC模块在0.195 s时动作切除故障时，备自投UV模块虽然满足两个启动判据，但发现系统不存在负序电流，不满足不对称故障判据，因此经过t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s后，在0.495 s时不会投入动作，以免造成三相短路故障的再次发生。

3.3 改进方案加速效果分析

经过大量仿真分析，改进方案与原故障隔离方案的故障隔离时间如图13所示。可见在配置12个保护装置的线路中，最长故障区段切除时间由1.1 s缩短至0.7 s，其中区段8的切除时间由0.8 s缩减至0.3 s(图13中加速效果2)。因此，在基本无通道保护方案使得故障区段的最大故障隔离时间缩短一半的前提下，基于单端测距的故障隔离加速方案进一步缩短了中间区段故障的隔离时间。对于配置更多保护装置的线路，则故障隔离时间的加速效果会更加明显。

图10 不对称故障时备自投UV模块响应

图11 备自投投入后各模块时限配置方案

图12 对称故障时备自投UV模块响应

图13 两种方案故障隔离时间对比

4 结论

设计了基于无通道保护原理的电力贯通线故障区段隔离方案，通过单端故障测距对保护动作时限进行加速，解决了原无通道保护方案对贯通线路中间段故障隔离时间过长的问题。针对提出的无通信条件下故障区段的隔离方案，研究了相应的备用电源自动投入方案，实现了故障区段被隔离后非故障区段供电的快速恢复，保证了电力贯通线运行的稳定性与可靠性。仿真验证了该方案的可行性。

[1] Pei L， Deshu C， Hua P， et al. Analysis of an accelerated trip scheme for faults in the second zone of protection of a transmission line[J]. Power Delivery， IEEE Transactions on， 1990，5(1):72-78.

[2] Bo Z Q. Adaptive non-communication protection for power lines BO scheme. II. The instant operation approach[J]. Power Delivery， IEEE Transactions on， 2002，17(1):92-96.

[3] Darwish H A， Kawady T A， Taalab A M I， et al. Robust non-communication line protection scheme using novel quantities[C]. Power Engineering Society General Meeting， IEEE， 2006.

[4] Sharafi A， Sanaye-Pasand M， Jafarian P. Non-communication protection of parallel transmission lines using breakers open-switching travelling waves[J]. IET Generation Transmission & Distribution， 2012，6(1):88-98.

[5] Dong X， Shi S， Wang B， et al. Feeder automation system based on non-communication protection and control unit[C]. Power & Energy Society General Meeting， 2009. PES ’09. IEEE. IEEE， 2009:1-7.

[6] 董新洲，施慎行，王宾，等.新型配电线路自动化模式[J].电力系统及其自动化学报，2007(3)：1-7.

[7] 侯喆，张艳霞，戴剑锋.基于小波理论的全线相继速动保护方案[J].电力系统自动化，2003，27(9)：54-57.

[8] 石铁洪，张昊，刘沛.小波变换在全线相继速动保护中的应用[J].电力系统自动化，2001，25(2)：36-39.

[9] 李志雷，张举，陈少伟，等.输电线路无通道保护[J].电力系统保护与控制，2006，34(3)：5-8.

[10] 张举，李志雷，王兴国，等.一种基于加速阻抗圆的无信道保护方法[J].电网技术，2006，30(2)：75-79.

[11] Aguilera C， Orduna E， Ratta G. Adaptive noncommunication protection based on traveling waves and impedance relay[J]. IEEE Transactions on Power Delivery， 2006，21(3)：1154-1162.

[12] 温曼越.高速铁路10 kV电力贯通线故障自动隔离方法研究[D].成都：西南交通大学，2016.

[13] 施世鸿.高压输电线路故障测距研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[14] 张保会，尹项根.电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版社，2005：30-32.

[15] 张梅，董新洲，薄志谦，等.实用化的配电线路无通道保护方案[J].电力系统自动化，2005，29(12)：68-72.

[16] Yin D， Liu K， Dong X， et al. Distribution line automation system based on non-communication protection in the case of symmetrical fault[C]. Advanced Power System Automation and Protection (APAP)， 2011 International Conference on. IEEE， 2011：659-662.

[17] 刘琨，董新洲，薄志谦.适用于配电线路无通道保护的备用电源自动投入装置[J].电力自动化设备，2013，33(6)：147-151.

[18] 刘琨，董新洲，施慎行，等.对称故障下基于无通道保护的配电线路自动化[J].清华大学学报(自然科学版)，2011，51(11)：1652-1657.

[19] 杨奇逊，黄少锋.微型机继电保护基础[M].3版.北京：中国电力出版社，2007：87-99.