牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置的設計

李彥吉，王航臣

（1 北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000；2 長沙理工大學，湖南長沙410114）

牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置的設計

李彥吉1，王航臣2

（1 北京鐵路局 石家莊供電段，河北石家莊050000；2 長沙理工大學，湖南長沙410114）

牽引變電所母線電壓互感器監控缺失是現有綜合自動化設計中缺少的重要一環。從現場應用的角度出發提出了母線電壓互感器在線監測自動裝置的實現方案，闡述了其原理結構、現場使用情況和應注意的問題。

牽引變電所；母線；PT；智能切換；監控

27.5 k V（55 k V）母線電壓互感器（下稱YH）電壓模擬量是實現牽引變電所測控不可缺少的重要數據，一旦間斷消失或者異常降低，將引起牽引變電所饋線系統阻抗保護、主變壓器系統高壓側、低壓側低電壓啟動過電流保護、電容器失壓保護等的誤動作，中斷接觸網、設備的供電，并導致計量、測量數據出現嚴重的偏差［1］。

1 運行中存在的問題

2015年新開通的邯長線（邯鄲—長治）電氣化鐵路牽引變電所母線電壓互感器設置示意圖（未涉及到的進線、饋線部分未畫出），如圖1。

圖1 邯長線27.5 k V母線一次接線圖

在a相母線上分別設置了5YH、7YH，其二次電壓經1YZK轉換開關選擇后送至YMa、YMc小母線；在b相母線上分別設置了6YH、8YH，其二次電壓經2YZK轉換開關選擇后送至YMb、YMc小母線。

YMa、YMb、YMc分別供給計量、測量裝置、饋線阻抗保護、電容過（失）壓保護、主變壓器低電壓啟動過電流保護、進線失壓保護等需要電壓模擬量的二次裝置使用。

1.1 運行電壓互感器故障后不能即時切換為備用電壓互感器，引起主變壓器低電壓啟動過電流保護誤動作

2013年12月30日11：48石德線辛集變電所由于高壓室內5YH高壓保險內部虛接、主變壓器低電壓啟動過電流保護動作，導致晉州至前磨頭間上下行接觸網停電，11：58恢復，影響客車5列、貨車2列。2011年8月16日石太線巖會變電所因3YH斷線，引起主變壓器低電壓啟動過電流保護動作、中斷供電21 min；2001年12月20日京廣線元氏變電所由于YH高壓保險熔斷造成203斷路器低電壓啟動過電流保護跳閘，致使接觸網停電15 min。

主變壓器低電壓啟動過電流保護動作后，將造成運營正線上下行接觸網同時停電，影響范圍大、恢復時間長。

在值班員確認發現運行YH故障后、在測控屏上手動將YH轉換開關打至備用YH運行，而后才能進行接觸網的送電、處理時間在10～25 min；上述停電故障均發生在有人值班的變電所，如出現在實現了遠程控制、無人值班模式的牽引變電所，在YH保險熔斷或YH本體故障時，將引起保護誤動作，中斷接觸網供電，供電調度只能采取安排鄰近的網電運行工區到牽引變電所手動將YH轉換開關打至另外一組YH運行的處理方式，此時間最少在40 min以上。

1.2 無備用YH二次電壓監測裝置，遇有備用YH故障時、在進行YH切換后，引起饋線阻抗保護誤動作跳閘

現在的設計中，未考慮到備用YH的監察，沒有提醒的預警裝置、無法實時監視備用YH的運行狀態。在運行YH故障（保險熔斷）后或者運行YH需要檢修時，需要將YZK打至備用位運行，在遇有備用YH電壓異常時，引起阻抗、失壓保護誤動作。

2010年3月23日石德線龍華變電所就因運行YH故障倒換至已經處于故障狀態的備用YH后，造成211、212、213、214四條饋線斷路器連續多次跳閘，影響列車運行48 min。

1.3 熔斷器直阻變大后，母線電壓異常，不能及時發現并報警

現在普遍采用的為RN2－0.5高壓熔斷器作為YH的過載和短路保護，該熔斷器的熔件是由3種不同截面的一根康銅絲繞在瓷芯上組成，交接處焊有小錫球，隨著運行時間的增長、在微弱電流的作用下，電氣化鐵路運行環境使在投入1～3年后的小錫球慢慢熔化變小直至斷開，此時母線電壓并不會降低為0，而是由正常的100 V降低為80～90 V左右。該現象的存在，使YH斷線的預告與閉鎖保護功能失效（該功能整定值為65 V左右）、同時造成系統正常負荷時頻繁跳閘。

2008年3月14日京廣線邢臺變電所就因此問題造成電容器、饋線系統跳閘故障。

2016年2月26日邯長線新固鎮變電所從0：37～9：00調度端頻繁給出Ua越下限、并且瞬間恢復，現場檢查測試，發現在沒有負荷時、變電所出線端電壓24 k V左右，一旦有機車取流時、便給出下限報警信號。測試運行YH二次側電壓90 V左右、高壓熔斷器直流電阻增大為2 kΩ?，F場更換YH高壓保險后電壓顯示27.5 k V（二次值100 V）。

1.4 YH切換過程中，引起失壓類保護誤動作

在例行檢修中，需要停運某一臺YH，進行預防性試驗，這時就需要用圖1中的YZK切換YH運行。在運行、備用YH間切換存在短暫的瞬間＂失電＂過程，可能導致變壓器低壓側低電壓啟動過電流保護、電容器失壓保護等的誤動。

因此要求切換轉換開關必須準確、迅速，但這往往與操作人群有著極大的關系。

2 解決方案

現階段，針對運行YH故障后及時倒換為備用YH的問題，只能靠提高值班員的業務素質、在故障時準確分析、到位操作，才可能避免跳閘、影響接觸網停電問題的發生；針對備用YH的電壓質量、沒有預警系統的問題，只能要求值班員經常性地手動測試備用YH的電壓來防止。

應該說，牽引變電所沒有母線YH預警測控裝置是設計中缺少的重要一環。針對設備的現場實際，研究設計了“牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置”。主要功能是實現YH的自動、智能切換和監控，在運行YH故障的情況下智能倒入另外1臺YH運行、對備用YH的電壓實施監視預告，手動無斷電間隔切換YH。

其設計主要原理是：

（a）實時檢測備用YH二次電壓并與運行YH比較，差值超過整定值（如5%），預告運行或者備用YH電壓故障。

在出現1.3問題時，不管是運行位YH還是備用位YH，通過測量同一相上2臺YH差值的方式，即時發現故障的YH，防止設備帶病運行釀成更為嚴重的設備故障。

（b）在運行YH電壓低于母線最低工作電壓Umin時，與備用位YH進行比較、差值達到整定值，檢測備用YH電壓正常后，在有關保護誤動允許延時內（躲過饋線阻抗保護、主變壓器低電壓啟動過電流保護延時），自動投入備用YH并預告運行位YH故障。

遇有1.1問題時，立即切換為處于良好狀態的備用YH運行、同時預告運行位YH故障，一則可以防止保護誤動跳閘問題，二則即時預警、抓緊修復故障設備。

（c）在一組YH退出、檢修的方式下，若運行YH電壓低于母線最低工作電壓Umin，且I＜Ifmax（最大負荷電流）時，預告運行YH故障，并以通信方式送至后臺機和供電調度端，抓緊退出可能發生誤動的保護或切換定值區、并及時恢復檢修的YH。

現在許多綜合自動化廠家均設置了定值區的自動或手動切換功能，在備用位YH檢修、運行位YH故障時，可即時投入整定值較大的應急定值區，確保接觸網的不間斷供電。

（d）正常狀態下，可任意選擇一組YH運行；在切換的目標YH故障時，啟動閉鎖功能、防止誤切換至故障YH的可能。

3 裝置結構

按照上述思路、擬定牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置總體框架如圖2。

3.1 硬件組成

（1）MCU系統

以16位高性能單片機dspic30f6012a為核心構成，內置的12位AD轉換器完全滿足本裝置的數據采樣要求，大大提高了裝置的集成度，從而提高了裝置的可靠性，MCU系統主要負責數據的計算、控制顯示。

（2）AD轉換回路

電壓通道4路，電流通道2路，采用磁隔離方式。

圖2 裝置總體框架圖

（3）控制出口回路

采用小型單常開接點的磁保持繼電器。

（4）人機界面

裝置使用160×160圖形點陣液晶作為顯示器，配合LED指示燈向用戶提供豐富、清晰的系統信息。設有5鍵式多功能厚膜鍵盤。

3.2 現場安裝

現有設計中，牽引變電所母線上的4臺YH二次線一般先引至并聯電容補償系統的測控屏，經YH轉換開關選擇后送到盤頂小母線上。從現場應用的角度出發，可將牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置安裝在并補屏上，經其自動或人工手動選擇后送往盤頂小母線。

分別從電壓公共端子排UD引入母線YH二次電壓，經過3A自動開關后送入裝置，再經裝置引至綜合小母線；其控制電源經6A自動開關供電；通訊線經485口送至通訊管理機、利用既有綜自網絡完成后臺機顯示、調度端通訊。

可選擇在后臺機增加母線YH二次電壓的顯示，以使值班人員方便地讀取各YH的實時電壓值并構成電壓監測曲線。

2015年6月19日將牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置安裝在邯長線武安牽引變電所。在5、6YH工作，7、8YH備用時，分別模擬了5、6YH故障，后臺機顯示告警、并自動投入狀態正常的備用YH。模擬7、8YH故障，現場告警正常、此時自動切換、手動切換均不動作。

2016年1月23日7：30牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置頻繁給出8YH差壓故障信號，值班員立即檢查測量、確認高壓室8YH高壓保險熔斷，更換后故障信號消失，有效防止了一起由于牽引變電設備異常誘發接觸網停電問題的發生。

4 結束語

2016年3月牽引變電所母線電壓互感器在線監測自動裝置通過了專家組的現場驗收試驗。該裝置彌補了既有設計缺陷，可以對牽引變電所母線YH實行自動化管理，剔除了人為因素造成設備隱患誘發的供電跳閘事故，并極大地方便了現場、確保了設備的運行安全，進一步完善了牽引供電系統的綜合自動化功能。

從牽引變電所安全運行的角度出發，建議牽引供電設計部門、綜合自動化生產廠家考慮將此文敘述功能，納入今后繼電保護設計或即有測控裝置。

圖3 母線電壓互感器在線監測自動裝置

使用中，應注意：

（1）裝置工作電源盡量采用可靠供電的直流電源或者兼有逆變、市電互投輸入的電源，優先選用測控屏直流電壓小母線直引電源、以減少管理環節，防止因工作電源的問題影響自投或者信號發出。

（2）母線YH采用同一廠家、同一型號的產品時，差壓整定值可設定在5 V（二次值）以下，以確保YH異常狀態的及時發現；在互投的2臺YH采用不同廠家的設備時，要注意角差和特性方面有差異，擬定整定值時、要考慮到YH特性差異，差壓值較大時、可按正常值的1.5～2倍增大差壓整定值。

（3）接線時，一定不要將接入裝置的YH極性端A（B）611與接地端N611接反，防止互投后、阻抗保護誤動或者出現計量偏差的問題。

［1］ 劉學軍.繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2004.

Design of Automatic Device for On-line Detect Bus-bar PT in Traction Substation

LI Yanji1，WANG Hangchen2
（1 Shijiazhuang Power Supply Section，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China；2 Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114 Hunan，China）

Lack of monitoring for traction substation bus-bar PT is one of the most important parts in integral automation design.From the perspective of field application，this paper puts forward the scheme of automatic device for on-line detect bus-bar PT，and expounds the structure principles，the use situation and the problems that should be paid attention to.

traction substation；bus-bar；PT；intelligent switch；monitoring

U224.2

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.15

1008－7842（2016）06－0057－04

4—）男，高級工程師（

2016－06－04）