基于集成原理的饋線異相短路保護

李 波 曹毅峰

（鐵道第三勘察設計院集團有限公司電化電信處，天津 300251）

1 引言

牽引供電系統繼電保護配置必須合理、規范、準確，滿足保護的速斷性、可靠性、選擇性、靈敏性的要求。電力機車不降弓通過牽引變電所的電分相時，受電弓飛弧最終可能導致異相短路。由于電弧電阻非線性、時變性、高阻的特點，使得常規原理饋線保護中的阻抗保護、電流速斷保護往往不能正確動作。集成保護由于可以同時獲取變電所內的多處信息，既可以集成傳統保護原理，也可產生新的保護功能，從而提高保護的整體性能。因此集成保護在饋線異相短路故障中的應用越來越受到人們的重視。

2 牽引網饋線異相故障分析

牽引網饋線異相故障如圖1所示。

圖1 牽引網饋線異相故障示意圖

根據文獻[1]的分析可知，工頻沿面的閃絡電壓為式中，S為放電距離，單位為cm。由式（1），在27.5 kV電壓作用下，小于5cm的間隙都可能發生沿面放電。如圖1所示，當電力機車不降弓由β相通過電分相向α相運行時，牽引網電壓通過β相—受電弓滑過絕緣體形成的間隙—受電弓—電力機車—鋼軌形成回路，從而形成沿面放電。當受電弓繼續在絕緣體上滑行時，先前放電的部分靠電弧形成通路，逐步閃絡直至沿整個絕緣直至形成β、α兩相間故障。因此，沿面放電的過程是逐步進行的。當然，電力機車雙弓運行時(不降弓)更易引起異相短路。為了改變玻璃絕緣器對受電弓的沖擊，在新線的設計中，多采用7跨或9跨電分相。但當機車不降弓（斷電）通過電分相時，同樣存在拉弧而導致異相短路故障的可能性。

當電力機車通過電分相造成異相短路時，若電弧電阻為零，則兩供電臂的阻抗繼電器有可能動作。當電弧電阻為10?或30?時阻抗繼電器都不可能動作，常規饋線保護的后備保護電流速斷保護有可能動作，當電弧電阻更大時阻抗保護和電流速斷保護都有可能不會正常動作，有必要設置專門的異相短路保護。文獻中己經給出了幾個實際運行中已經發生過的變電所出口處機車通過接觸網的分相絕緣器時，因升弓飛弧而導致的異相短路，現有的饋線距離阻抗保護不能正確反應，由其輔助保護(電流速斷)動作而跳閘的事例。

3 集成保護的概念及保護原理

“集成保護”是指將所需保護的全部信息集成于一個計算機系統中，形成可靠、靈活、多樣互補的集中式保護系統，保護不僅包括多個獨立設備的同時，集成保護還可包括控制功能，是保護控制一體化裝置。所需保護的所有設備、進線出線的保護集中由一個計算機保護系統實現，為保護系統的安全可靠性，計算機保護系統采用完全的雙冗余配置。

集成保護系統主要由三大部分構成：①接口單元：接口單元可按所需保護系統的集中情況集中或分布設置，通過大容量的光纖網絡將測量控制單元的數據實時傳送至集成保護單元；②光纖網：應用光纖以太網作為集成保護的通信網絡，為保證可靠性采用環網或雙冗余結構，同時可使用標準的網絡通訊協議，使接口單元或合并單元、集成保護與系統間實現無縫通信；③集成計算機繼電保護單元：集成繼電保護的功能在大型機上實現，通過網絡接收到來自變電站各地的測量信息，并通過通信網與各相關變電站交換信息。

集成保護通過各種傳感設備，采用軟硬件相結合的方法，同時獲取變電站內的多處信息，在實現各獨立保護功能的基礎上，各保護功能之間易于協調配合，集成保護可以集成傳統保護原理，也可產生新的保護功能，提高保護的整體性能。

4 相關分析

在集成保護中，由于數據采集由合并單元完成并組幀發送到光纖以太網，保護單元可以同時接收到整個變電站各個間隔的信號。只要在各個合并單元在采集數據時用GPS時鐘精確對時，集成保護單元就可以利用兩相饋線的電流信號來實現異相短路保護。

由前文的分析可得，牽引網異相短路故障實質上就是兩相饋線通過電弧導通形成回路，之所以采用電流故障分量作為分析對象，是為了消除負荷電流的影響。該方法的另一優點是，由于采集的是相當于電弧通路的電流，因此不需要考慮電弧的特點，可以將電弧作為一個普通的集中參數元件考慮。故障分量在實際中可以通過下式得到：

針對饋線電流故障分量基本上大小相等，方向相反的特點，借用識別此種信號的數學方法，可以設計一系列保護措施來實現對牽引網異相短路故障的保護。相關度分析目前看來是最為精確的方法，且算法簡單，受系統運行方式影響也較小。對信號x(t) =As in(2πft+?)，其同一采樣數據窗內的自相關函數為

設x (t)，y (t)是兩個能量有限的實信號波形，它們在同一數據窗內的相關系數為

當x(t)，y(t)均為穩態正弦信號時，如果x(t)，y(t)得相位一致，ρxy( 0) = 1 ；如果x(t)，y(t)相位相差 180°，ρxy( 0) = ?1 ；如果x(t)，y(t)相位相差90°，ρxy( 0) = 0 ；其他情況下，若x(t)，y(t)相位相差α時，ρxy(0) = cosα，故異相保護判據為

Istart為機車起動電流，由于穩態電流故障分量只能持續1個周期時間，且相關系數計算需要半個周期，建議時間定值整定范圍為 5～10ms。，跳閘命令可通過集成保護單元同時發送給兩相饋線斷路器，迅速切除故障。

5 饋線異相短路集成保護的實現方法

饋線異相短路集成保護原理如圖2所示。

圖2 饋線異相短路集成保護原理

集成保護通過各種傳感設備，采用軟硬件相結合的方法，同時獲取變電所內的多處信息，包括電氣量和狀態量，該信息經接口單元上送，通過大容量的光纖網絡將測量值實時傳送至集成保護單元，各保護模塊從網絡上獲得信息，通過分析計算，完成相應的保護功能。決策模塊收集、協調、配合各個保護模塊的動作信息和狀態量后，通過決策，確定故障線路并發跳閘命令，切除故障。

集成保護單元設計中需采用雙冗余配置，數據采集系統、控制單元、光纖以太網絡、集成保護計算機系統均采用雙系統配置，互為熱備用。相當于每種保護均有雙配置，相互校驗。當某一系統失效，則該系統將閉鎖，另一系統可保證控制、保護的全部功能。集成保護中央計算機系統與數據采集系統、控制單元都采用光纖以太網連接，完全杜絕了電氣干擾。集成保護單元可采用高性能、高可靠性的計算機系統，有利于穩定運行。由于采用了大型計算機作為集成保護中央處理中心，可以用大型技術成熟的軟件，采用標準的庫函數。保護軟件無論從模塊化、還是完整性方面都較傳統微機保護單片系統要好的多；集成保護單元可以得到比傳統微機保護更多的信息，如各處的電流電壓量、開關量，信息冗余量大，也容易提高軟件可靠性。

6 結論

本文在分析牽引網饋線異相故障的基礎上，借鑒牽引供電系統中集成保護的思想，提出了將集成保護應用于饋線異相短路故障中，有利于饋線異相短路故障保護的實施。比起現有獨立設備的保護，集成保護可實現信息共享、資源豐富和多種保護功能的協調配合，有很明顯的優勢。隨著光互感器的發展應用以及變電所光纖以太網通信系統的建立和廣泛應用等，集成保護將具有很好的發展前景。

[1] 簡克良.高電壓技術[M].北京:中國鐵道出版社,1993.

[2] 曹建猷.電氣化鐵路供電系統[M].北京：中國鐵道出版社,1981.

[3] 賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理[M]. 北京:中國電力出版社,1994.

[4] 李群湛.牽引供電系統分析[M].成都:西南交通大學出版社,1997.

李 波，男，助理工程師，鐵道第三勘察設計院集團有限公司電化電信處。