牵引变电所站域后备保护方案研究

葛海波



牵引变电所站域后备保护方案研究

葛海波

牵引变电所因遭受雷击导致保护装置损坏或直流电源故障时，所内一次设备及牵引网处于无保护状态。本文提出一种适用于牵引变电所的站域后备保护方案，当牵引变电所内常规保护装置功能失效时，提供牵引供电设备及牵引网的保护功能。

站域后备保护；应急保护；母线保护

0 引言

近年来，我国的铁路建设大规模展开，部分铁路线路穿越多雷区和强雷区。牵引变电所遭受雷击时，可能会造成牵引所内一次设备绝缘击穿，一次侧高压串入二次设备导致保护装置损坏或直流电源故障等情况，使一次设备处于无保护状态，若此时牵引供电网络发生故障，将严重影响牵引供电系统安全运行。中国铁路总公司发布的《牵引变电所二次系统防强电侵入优化技术方案指导意见》中提出，牵引变电所应增设独立的应急保护装置作为牵引变电所的辅助保护。本文结合中国铁路总公司发布的《牵引变电所综合应急保护装置技术方案》，提出一种既能为应急保护装置提供辅助判据，又可作为全所后备保护的站域后备保护方案。

1 牵引变电所既有保护方案

图1为牵引变电所主接线图，从图中可以看出，牵引变电所一次设备主要为牵引变压器、 27.5 kV母线、牵引网3部分。牵引变电所既有保护方案为：变压器保护提供牵引变压器和27.5 kV母线保护；馈线保护提供牵引网保护。图1所示牵引变电所的既有保护配置方案如表1所示。

从表1可以看出，目前牵引变电所馈线保护方案仍采用传统的阶梯式距离保护和电流保护，通过定值和延时来保证选择性，该保护方案存在如下2个明显缺陷。

图1 牵引变电所主接线

（1）主保护拒动时后备保护需要较长时间才能切除故障。例如，当图1中下行牵引网d2点发生故障且馈线保护拒动，则变压器后备保护至少需要延时700 ms才能切除故障。

（2）27.5 kV母线未配置保护。母线短路属于靠近电源的近端短路故障，故障电流非常大，但常规保护方案需靠变压器后备保护切除故障。例如，当图1中a相母线在d1点发生故障，只能通过变压器后备保护中的低压侧过流保护元件切除故障，保护延时700 ms，如果低压侧过流拒动，通过高压侧过流保护元件切除故障，则需延时1 000 ms，长时间的大电流将大大缩短一次设备的使用寿命。

表1 牵引变电所既有保护配置方案

2 站域后备保护方案

中国铁路总公司发布的《牵引变电所综合应急保护装置技术方案》明确提出，“应急保护通过采集既有保护系统电源失电信号等作为动作出口的主要判断依据，电压、电流信号作为辅助判断条件”。该技术方案明确了失电保护动作逻辑，如图2所示。根据失电保护动作逻辑判断，“电压、电流信号作为辅助判断条件”的作用是判断牵引变电所一次设备和牵引网是否存在故障。该辅助判断的功能实际是一种能识别全所故障的站域后备保护功能。

图2 失电保护动作逻辑

本文提出一种站域后备保护方案，在牵引变电所既有保护功能失效时可实现牵引变电所一次设备和牵引网的保护功能，且具有以下特点：

（1）1套保护装置完成牵引变电所全部一次设备和牵引网的保护功能；

（2）可准确识别各种故障所在位置，具有良好的选择性；

（3）设置27.5 kV母线保护，在母线故障时可迅速动作切除故障；

（4）保护装置采集的模拟量和开关量在各种保护间共用，节约硬件资源。

将图1所示牵引变电所供变电设备划分为区域1～5，如图3所示。区域1～3对应1#主变、2#主变、27.5 kV母线等一次设备，区域4为区域1～3的扩展保护区，区域5对应牵引网。

图3 牵引变电所设备区域划分

为使变压器、母线保护具有良好的速动性和灵敏性，采用电流差动的方法识别故障区域。对变压器、母线设置元件差动保护，同时考虑提供相邻设备的后备保护，设置扩展差动保护。元件差动保护动作后监视区域边界断路器状态，如发生断路器失灵，立即向扩展差动保护发送断路器失灵信号，扩展差动保护收到断路器失灵信号后根据扩展差动区域边界电流判断是否存在故障。差动保护区域划分如表2所示。

表2 牵引变电所差动区域划分

2.1 变压器保护方案

参考常规变压器保护方案配置变压器差动保护和非电量保护。

2.1.1 变压器差动保护

1#主变和2#主变分别配置变压器差动保护，其动作逻辑如图4所示。

图4 变压器差动保护动作逻辑

图4中cd_set1为变压器差动保护整定值，cd1为变压器差动保护电流，其计算式为

cd1=h-ph×l（1）

式中，h为变压器高压侧电流；l为变压器低压侧电流；ph为差动平衡系数，可根据变压器匝数比、变压器参数、流互变比计算。

2.1.2 变压器非电量保护

变压器非电量保护动作逻辑如图5所示。

图5 变压器非电量保护动作逻辑

2.2 母线保护方案

牵引变电所正常运行时，a、b相母线一般同时投入/退出运行，因此将a、b相母线看作一个设备元件配置差动保护。母线差动保护的主要原理是依据基尔霍夫电流定律，对于一个母线设备，母线上流入电流之和和流出电流之和应相等。同时母线保护可作为牵引网馈线保护的后备保护，若馈线保护动作后馈线断路器失灵，则向母线保护发送馈线断路器失灵信号，母线保护经过延时检测后跳母线差动区域内断路器，切除故障。母线保护动作逻辑如图6所示。

图6 母线差动保护动作逻辑

图6中cd_set2为母线差动保护整定值，cd2为母线差动保护电流，其计算式为

2.3 扩展差动保护方案

2.3.1 扩展差动保护

扩展差动保护是将1#主变，2#主变，a、b相母线看作一个保护区域，采集区域边界电流计算扩展差动区的差电流，通过差电流的大小区分故障。扩展差动保护作为主变差动保护和母线差动保护的后备保护，当检测到主变或母线区域边界断路器失灵信号时，开放扩展差动保护。扩展差动保护动作逻辑如图7所示

图7中cd_set3为扩展差动保护整定值，cd3为扩展差动保护电流，其计算式为

式中，、分别为a、b相母线馈出电流；、分别为1#主变、2#主变高压侧电流；Ka、Kb分别为a、b相母线馈出电流平衡系数，可根据变压器匝数比、变压器参数、流互变比计算。

2.3.2 区域边界断路器失灵判断

扩展差动保护作为变压器和母线的后备保护，只有检测到母线或变压器区域边界断路器失灵信号后才开放，区域边界断路器失灵判断逻辑如图8所示。

图8 变压器、母线区域边界断路器失灵判断逻辑

图8中yl_set为失灵判断电流整定值，为各差动支路的保护电流，_sl_set为断路器失灵检测延时整定值，其值为断路器跳闸时间加上一定裕度时间，断路器跳闸时间一般取100 ms，裕度时间取100 ms，则断路器失灵检测延时为200 ms。

变压器和母线保护方案中保护用到的模拟量和开关量见表2的“区域边界电流互感器”和“区域边界断路器”，部分模拟量和开关量在各种保护间共用。变压器和母线保护方案需采集的模拟量为TA1～TA10，开关量为1QF～10QF。

2.4 牵引网保护方案

牵引网保护在表1牵引变电所既有馈线保护配置方案基础上增加馈线断路器失灵判断，用于馈线保护拒动时触发母线后备保护。第路馈线断路器失灵判断逻辑如图9所示。

图9中yl_set为失灵判断电流整定值，I为馈出支路的保护电流，_sl_set的计算同2.3.2节所述。

牵引网保护方案中保护用到的模拟量TA7～TA10和开关量7QF～10QF在母线保护方案中已经采集，只需采集TV3～TV4。

图9 馈线断路器失灵判断逻辑

3 方案比较

3.1 典型故障下保护动作比较

以图3所示牵引变电所为例，分析各种典型故障情况下站域后备保护方案和常规保护方案保护动作情况。

（1）牵引网故障。假设在图3所示区域5内d4点处发生牵引网故障，站域后备保护方案和常规保护方案均采用了常规馈线保护配置方案，保护动作情况完全相同。如发生馈线保护拒动，常规保护方案由主变后备保护装置的低压侧过流保护动作切除故障，保护动作延时由原来的距离保护Ⅰ段（或电流速断）的100 ms变为700 ms；站域后备保护方案由母线保护切除故障，动作延时变为 300 ms（馈线保护延时100 ms + 馈线断路器失灵检测延时200 ms）。牵引网故障时，站域后备保护方案比常规保护方案速动性提升400 ms。

（2）母线故障。假设在图3所示区域3内d3点处发生β相母线故障，常规保护方案中未配置母线保护，只能依靠主变后备保护装置的低压侧过流保护动作切除故障，动作延时700 ms；如低压侧过流保护拒动，则上一级后备保护高压侧过流保护动作，动作延时1 000 ms。站域后备保护方案母线差动保护动作无延时，如母线区域边界断路器拒动，则扩展差动保护动作，动作延时200 ms（断路器失灵检测延时200 ms）。母线故障时，站域后备保护方案速动性比常规保护方案明显提升。

（3）变压器故障。假设在图3所示区域2内d2点处发生变压器内部故障或变压器套管及引出线故障，站域后备保护和常规保护方案均配置相同保护，保护动作情况完全相同。如2#主变差动区域边界断路器拒动，常规保护方案无后备保护，只能由牵引变电所上一级电力变电站线路保护动作切除故障，延时500 ms以上；站域后备保护方案扩展差动保护动作，动作延时200 ms。变压器故障时，站域后备保护方案速动性比常规保护方案也明显提升。

（4）方案对比。将常规保护方案与站域后备保护方案在牵引变电所典型故障下的动作情况与保护速动性进行对比，如表3所示。

表3 牵引变电所典型故障下2种保护方案比较

从表3可以看出，发生牵引变电所典型故障时，站域后备保护和常规保护方案均可正确动作，但站域后备保护方案在保护速动性上有明显提升。

3.2 保护装置硬件成本及可靠性比较

从表1可以看出，常规保护方案要实现牵引变电所一次设备和牵引网的保护功能，需配置十几台保护装置配合完成。站域后备保护方案通过1台站域保护装置即可完成牵引变电所所有保护功能，模拟量和开关量均一次采集，各保护共用，大幅减少了保护装置和线缆数量。站域保护装置的硬件和软件高度集中，如装置出现故障则站域后备保护将全部失效，可靠性较低，因此站域保护装置一般作为后备保护装置使用。

当站域保护装置为应急保护装置提供辅助判据时，失电保护动作逻辑由图2改为图10所示。

图10 应急保护装置失电保护动作逻辑

4 结语

本文提出了一种适用于牵引变电所的站域后备保护方案，用1台站域保护装置即可完成牵引变所的所有保护功能。和常规保护方案相比，站域后备保护方案保护速动性有明显提升但可靠性降低。当牵引变电所内常规保护装置功能失效时，站域保护装置可作为全所后备保护使用，也可为应急保护装置提供辅助判据。

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[4] 龚石林，曾臻，冯彦钊，等. 基于网络拓扑的电流差动站域保护[J]. 云南电力技术，2015，43（1）：43-46.

When the traction substation is suffered from the lightning strikes which lead to damages of protection devices and failures of DC power supply, the primary equipment inside substation will be in a state without protection. The paper puts forward a scheme applicable to the substation domain backup protection, and it will provide the protection functions for the traction power supply equipment and traction network when the protection devices inside the substation loss the conventional functions of protection.

Substation domain backup protection; emergency protection; bus bar protection

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.019

U223.8+2

B

1007-936X(2018)05-0072-05

2018-02-05

葛海波.成都交大许继电气有限责任公司，高级工程师。