電氣化鐵路牽引電力合建變電所母線保護(hù)方案探討

劉 巍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處,西安 710043)

電氣化鐵路牽引電力合建變電所母線保護(hù)方案探討

劉 巍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化處,西安 710043)

結(jié)合電氣化鐵路牽引電力合建變電所主接線的特點(diǎn),借鑒電力系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn),提出一套完整的母線保護(hù)方案,就其中的啟動(dòng)元件、比率制動(dòng)差動(dòng)元件、輔助閉鎖元件、母聯(lián)保護(hù)元件的保護(hù)原理、動(dòng)作判據(jù)、參數(shù)整定及相互配合邏輯關(guān)系進(jìn)行全面的討論。該方案在區(qū)外故障時(shí)能有效避免因電流互感器飽和而造成的保護(hù)誤動(dòng),有良好的選擇性;在區(qū)內(nèi)故障時(shí)有較高的靈敏度,保證牽引供電系統(tǒng)及鐵路電力系統(tǒng)可靠供電、穩(wěn)定運(yùn)行,為牽引電力合建變電所的設(shè)計(jì)提供了參考和建議。

電氣化鐵路;母線保護(hù);牽引電力合建變電所;比率差動(dòng);母聯(lián)保護(hù)

我國電氣化鐵路牽引電力合建變電所多采用單母線分段接線形式。母線作為變電所重要的組成元件,其運(yùn)行的安全穩(wěn)定性至關(guān)重要。當(dāng)發(fā)生各種故障時(shí),為保證電力系統(tǒng)正常運(yùn)行、牽引供電系統(tǒng)及鐵路電力系統(tǒng)可靠供電,必須裝設(shè)母線保護(hù),以快速準(zhǔn)確的切除故障。既有牽引變電所多采用線路分支接線或線路變壓器組接線[1],隨著日益增多的牽引電力合建變電所的出現(xiàn),母線保護(hù)配置方案的研究已成為電鐵變電設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)。

本文借鑒電力系統(tǒng)母線保護(hù)配置的經(jīng)驗(yàn)[2],結(jié)合工程實(shí)際,提出了一整套母線保護(hù)配置方案,為日后的電鐵設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)及參考。

1 變電所主接線

按照《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,牽引電力合建變電所接引兩回110kV及以上電壓等級的獨(dú)立電源,互為熱備用。應(yīng)該指出,雙電源互為熱備用并非唯一運(yùn)行方式,特殊情況下也可以采用雙電源供電方式,此時(shí)宜采用甩開母線開關(guān),形成兩路母線單獨(dú)供電的線路變壓器組接線[8],采用簡單的差動(dòng)保護(hù)就可滿足變電所運(yùn)行的需要。為保證可靠供電,一般情況下,設(shè)置2臺互為冷備用的牽引變壓器及2臺同時(shí)運(yùn)行的電力變壓器。為縮小故障時(shí)的停電范圍,設(shè)置母聯(lián)斷路器。此配置決定了采用單母線斷路器分段主接線形式,如圖1所示。

圖1 牽引電力合建變電所主接線

2 保護(hù)配置

根據(jù)圖1所示的系統(tǒng),方案采用微機(jī)電流型低阻抗母線差動(dòng)保護(hù)。通過閉鎖輔助措施及飽和識別判據(jù),有效地避免了區(qū)外故障時(shí)因電流互感器飽和而造成的誤動(dòng);采用基于基爾霍夫電流定律的比率制動(dòng)特性判據(jù),使之在區(qū)內(nèi)故障時(shí)有較高的靈敏度,在區(qū)外故障時(shí)有良好的制動(dòng)作用。母差保護(hù)采用分相差動(dòng)原理,以下若無特殊說明,均為分相計(jì)算判別。

2.1 啟動(dòng)元件

母線保護(hù)要求啟動(dòng)元件快速、靈敏的對母線電壓或支路電流的異常變化做出響應(yīng),其速度應(yīng)高于差動(dòng)元件。設(shè)置三個(gè)關(guān)系為邏輯“或”的啟動(dòng)判據(jù),如圖2所示。

圖2 啟動(dòng)元件邏輯

母線電壓突變量判據(jù)

其中,u(k)為分相電壓當(dāng)前采樣值;u(k-N)為一周期前的相應(yīng)采樣值;ΔUset為啟動(dòng)定值。

該啟動(dòng)元件速度快,靈敏度高,且不受負(fù)荷變化的影響。

支路電流突變量和判據(jù)

其中,˙Ij(k)為第j條支路的分相電流當(dāng)前采樣值; ˙Ij(k-N)為一周期前的相應(yīng)采樣值;ΔIset為啟動(dòng)定值。

即使在YH斷線的情況下,該啟動(dòng)元件仍能在母線發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時(shí)可靠動(dòng)作[4]。

大差動(dòng)電流判據(jù)

其中,Id為母線大差動(dòng)電流,其由母線上除母聯(lián)斷路器之外的所有連接支路的二次電流構(gòu)成;Idset為啟動(dòng)定值。

2.2 差動(dòng)元件

為保證母線保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)具有良好的選擇性,區(qū)內(nèi)故障時(shí)有較高的靈敏性,采用基于常規(guī)比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)。其保護(hù)判據(jù)為

常規(guī)比率制動(dòng)差動(dòng)元件動(dòng)作特性曲線如圖3所示。

圖3 常規(guī)比率制動(dòng)差動(dòng)元件動(dòng)作特性

最小動(dòng)作電流Id0按照躲過母線上所有連接支路中的最大負(fù)荷電流整定,以保證在最小運(yùn)行方式下差動(dòng)元件有足夠的靈敏度,Id0一般整定為(0.4～0.6)In。Kres的選擇范圍在0～1:選取較大值,有利于躲避區(qū)外故障時(shí)因流互的傳變誤差引起的不平衡電流;選取較小值,可以增大差動(dòng)元件的靈敏度[5,6]。由此,需要綜合權(quán)衡選擇性與靈敏性的矛盾,通常Kres整定在0.5～0.8。

為提高差動(dòng)元件的靈敏度,擴(kuò)展Kres的選擇范圍,也可采用復(fù)式比率制動(dòng)特性。其保護(hù)判據(jù)為

2種比率制動(dòng)系數(shù)的關(guān)系為

當(dāng)制動(dòng)系數(shù)已選定,外部故障時(shí)2種比率制動(dòng)差動(dòng)元件允許的電流互感器最大穩(wěn)態(tài)誤差為

為有效減小負(fù)荷電流對母差保護(hù)靈敏度的影響,提高保護(hù)快速切除經(jīng)過渡電阻故障的能力,母差保護(hù)還采用故障分量比率差動(dòng)元件。其保護(hù)判據(jù)為

故障分量比率差動(dòng)元件僅在啟動(dòng)元件動(dòng)作后的第一個(gè)周期內(nèi)投入,且能準(zhǔn)確地反映各種故障分量,只作為母差保護(hù)的速動(dòng)段。

2.3 復(fù)合電壓閉鎖元件

為防止電流互感器斷線造成母線、失靈保護(hù)誤動(dòng)作或出口繼電器誤碰而引起的斷路器誤跳閘,母線保護(hù)裝置在每一組母線電壓回路中各設(shè)有一套復(fù)合電壓繼電器[14]。將復(fù)合電壓的重動(dòng)繼電器接點(diǎn)對應(yīng)串接在每個(gè)跳閘回路中。對于單母線分段接線,當(dāng)任一組母線電壓互感器因故停用或檢修時(shí),應(yīng)有將復(fù)合電壓閉鎖回路通過連接片切換到運(yùn)行的那組母線電壓互感器的復(fù)合電壓閉鎖回路上的功能。以電流判據(jù)為主的差動(dòng)元件,可以用復(fù)合電壓閉鎖元件來配合,提高保護(hù)整體的可靠性[7,13]。復(fù)合電壓為低電壓(線電壓)、零序電壓、負(fù)序電壓,分別對應(yīng)三相不接地故障、接地故障、不對稱故障有最高的靈敏度,且其靈敏度必須高于差動(dòng)元件。其邏輯框圖如圖4所示。

圖4 復(fù)合電壓閉鎖元件邏輯框圖

當(dāng)閉鎖元件動(dòng)作后,自動(dòng)展寬一定時(shí)限再返回;當(dāng)母線電壓恢復(fù)正常時(shí),閉鎖元件返回。

考慮到變電所內(nèi)存在著單相變、三相-兩相平衡變壓器等不同的變壓器接線,可在復(fù)合電壓閉鎖的判斷條件內(nèi)加入變壓器接線選擇,但判斷原理不變。

2.4 母聯(lián)死區(qū)及母聯(lián)斷路器失靈

如圖1所示,若在母聯(lián)斷路器與母聯(lián)LH間發(fā)生故障,斷路器側(cè)的母線段雖跳閘出口但無法切除故障, LH側(cè)母線段小差元件不會動(dòng)作,形成母聯(lián)死區(qū)故障。若I母區(qū)內(nèi)故障,I母小差保護(hù)跳開所有連接斷路器。若母聯(lián)斷路器失靈,故障仍存在,形成母聯(lián)斷路器失靈故障。此2種情況下,大差元件動(dòng)作且不返回,當(dāng)母聯(lián)斷路器跳閘出口,經(jīng)短延時(shí),若母聯(lián)電流越限且母線復(fù)合電壓動(dòng)作,則跳開電壓不正常母線段的所有斷路器,切除故障,邏輯框圖如圖5所示。

2.5 母聯(lián)充電保護(hù)

當(dāng)某段母線停電檢修結(jié)束后,由另一段母線通過母聯(lián)斷路器對其充電。當(dāng)檢修母線發(fā)生短路,由母聯(lián)充電保護(hù)切除故障,邏輯框圖如圖6所示。

圖5 母聯(lián)死區(qū)及母聯(lián)斷路器失靈保護(hù)邏輯框圖

圖6 母聯(lián)充電保護(hù)邏輯框圖

當(dāng)充電保護(hù)投入后,若母聯(lián)任一相電流超限,無需電壓閉鎖,經(jīng)延時(shí),母聯(lián)斷路器跳閘[10]。

2.6 LH斷線閉鎖元件

當(dāng)LH發(fā)生斷線,將引起較大的不平衡電流,導(dǎo)致母差保護(hù)誤動(dòng),為此采用LH斷線閉鎖元件,包括兩種互為邏輯“或”關(guān)系的動(dòng)作判據(jù)[11]:大差電流超過限值(即Id＞Idxset)且母線電壓正常;任一連接支路的三相不平衡電流超過限值(即iA+iB+iC＞Iunbset)。當(dāng)判別連接支路的LH斷線時(shí),立即閉鎖母差保護(hù),并延時(shí)告警[9];當(dāng)判別母聯(lián)LH斷線時(shí),不閉鎖母差保護(hù),自動(dòng)切換至單母線保護(hù)方式。

2.7 YH斷線告警

若YH二次回路斷線,電壓閉鎖元件將誤動(dòng)作,為此設(shè)置YH斷線告警元件。其通過復(fù)合電壓進(jìn)行分段判別,當(dāng)元件動(dòng)作時(shí),發(fā)出告警信號[12]。

2.8 斷路器失靈保護(hù)

作為斷路器拒動(dòng)的后備,設(shè)置斷路器失靈保護(hù)是牽引變電所必要的措施,邏輯框圖如圖7所示。

圖7 斷路器失靈保護(hù)邏輯框圖

電流元件的定值,盡可能整定大于負(fù)荷電流。

3 結(jié)論

結(jié)合電鐵牽引電力合建變電所設(shè)計(jì)實(shí)際,詳細(xì)討論了其母線保護(hù)各個(gè)元件的運(yùn)行機(jī)理、動(dòng)作判據(jù),并給出了參數(shù)整定及配合方案的建議。值得注意的是,母線比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)僅能有效避免LH飽和時(shí)產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)誤差,保護(hù)還需配合相應(yīng)的抗LH飽和措施[3],方能保證區(qū)外故障可靠不誤動(dòng)。

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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

劉 巍(1972—),男,高級工程師,1994年畢業(yè)于西南交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:dhcdhs@163.com。