牽引變電所站域后備保護方案研究

葛海波

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牽引變電所站域后備保護方案研究

葛海波

牽引變電所因遭受雷擊導致保護裝置損壞或直流電源故障時，所內一次設備及牽引網處于無保護狀態。本文提出一種適用于牽引變電所的站域后備保護方案，當牽引變電所內常規保護裝置功能失效時，提供牽引供電設備及牽引網的保護功能。

站域后備保護；應急保護；母線保護

0 引言

近年來，我國的鐵路建設大規模展開，部分鐵路線路穿越多雷區和強雷區。牽引變電所遭受雷擊時，可能會造成牽引所內一次設備絕緣擊穿，一次側高壓串入二次設備導致保護裝置損壞或直流電源故障等情況，使一次設備處于無保護狀態，若此時牽引供電網絡發生故障，將嚴重影響牽引供電系統安全運行。中國鐵路總公司發布的《牽引變電所二次系統防強電侵入優化技術方案指導意見》中提出，牽引變電所應增設獨立的應急保護裝置作為牽引變電所的輔助保護。本文結合中國鐵路總公司發布的《牽引變電所綜合應急保護裝置技術方案》，提出一種既能為應急保護裝置提供輔助判據，又可作為全所后備保護的站域后備保護方案。

1 牽引變電所既有保護方案

圖1為牽引變電所主接線圖，從圖中可以看出，牽引變電所一次設備主要為牽引變壓器、 27.5 kV母線、牽引網3部分。牽引變電所既有保護方案為：變壓器保護提供牽引變壓器和27.5 kV母線保護；饋線保護提供牽引網保護。圖1所示牽引變電所的既有保護配置方案如表1所示。

從表1可以看出，目前牽引變電所饋線保護方案仍采用傳統的階梯式距離保護和電流保護，通過定值和延時來保證選擇性，該保護方案存在如下2個明顯缺陷。

圖1 牽引變電所主接線

（1）主保護拒動時后備保護需要較長時間才能切除故障。例如，當圖1中下行牽引網d2點發生故障且饋線保護拒動，則變壓器后備保護至少需要延時700 ms才能切除故障。

（2）27.5 kV母線未配置保護。母線短路屬于靠近電源的近端短路故障，故障電流非常大，但常規保護方案需靠變壓器后備保護切除故障。例如，當圖1中a相母線在d1點發生故障，只能通過變壓器后備保護中的低壓側過流保護元件切除故障，保護延時700 ms，如果低壓側過流拒動，通過高壓側過流保護元件切除故障，則需延時1 000 ms，長時間的大電流將大大縮短一次設備的使用壽命。

表1 牽引變電所既有保護配置方案

2 站域后備保護方案

中國鐵路總公司發布的《牽引變電所綜合應急保護裝置技術方案》明確提出，“應急保護通過采集既有保護系統電源失電信號等作為動作出口的主要判斷依據，電壓、電流信號作為輔助判斷條件”。該技術方案明確了失電保護動作邏輯，如圖2所示。根據失電保護動作邏輯判斷，“電壓、電流信號作為輔助判斷條件”的作用是判斷牽引變電所一次設備和牽引網是否存在故障。該輔助判斷的功能實際是一種能識別全所故障的站域后備保護功能。

圖2 失電保護動作邏輯

本文提出一種站域后備保護方案，在牽引變電所既有保護功能失效時可實現牽引變電所一次設備和牽引網的保護功能，且具有以下特點：

（1）1套保護裝置完成牽引變電所全部一次設備和牽引網的保護功能；

（2）可準確識別各種故障所在位置，具有良好的選擇性；

（3）設置27.5 kV母線保護，在母線故障時可迅速動作切除故障；

（4）保護裝置采集的模擬量和開關量在各種保護間共用，節約硬件資源。

將圖1所示牽引變電所供變電設備劃分為區域1～5，如圖3所示。區域1～3對應1#主變、2#主變、27.5 kV母線等一次設備，區域4為區域1～3的擴展保護區，區域5對應牽引網。

圖3 牽引變電所設備區域劃分

為使變壓器、母線保護具有良好的速動性和靈敏性，采用電流差動的方法識別故障區域。對變壓器、母線設置元件差動保護，同時考慮提供相鄰設備的后備保護，設置擴展差動保護。元件差動保護動作后監視區域邊界斷路器狀態，如發生斷路器失靈，立即向擴展差動保護發送斷路器失靈信號，擴展差動保護收到斷路器失靈信號后根據擴展差動區域邊界電流判斷是否存在故障。差動保護區域劃分如表2所示。

表2 牽引變電所差動區域劃分

2.1 變壓器保護方案

參考常規變壓器保護方案配置變壓器差動保護和非電量保護。

2.1.1 變壓器差動保護

1#主變和2#主變分別配置變壓器差動保護，其動作邏輯如圖4所示。

圖4 變壓器差動保護動作邏輯

圖4中cd_set1為變壓器差動保護整定值，cd1為變壓器差動保護電流，其計算式為

cd1=h-ph×l（1）

式中，h為變壓器高壓側電流；l為變壓器低壓側電流；ph為差動平衡系數，可根據變壓器匝數比、變壓器參數、流互變比計算。

2.1.2 變壓器非電量保護

變壓器非電量保護動作邏輯如圖5所示。

圖5 變壓器非電量保護動作邏輯

2.2 母線保護方案

牽引變電所正常運行時，a、b相母線一般同時投入/退出運行，因此將a、b相母線看作一個設備元件配置差動保護。母線差動保護的主要原理是依據基爾霍夫電流定律，對于一個母線設備，母線上流入電流之和和流出電流之和應相等。同時母線保護可作為牽引網饋線保護的后備保護，若饋線保護動作后饋線斷路器失靈，則向母線保護發送饋線斷路器失靈信號，母線保護經過延時檢測后跳母線差動區域內斷路器，切除故障。母線保護動作邏輯如圖6所示。

圖6 母線差動保護動作邏輯

圖6中cd_set2為母線差動保護整定值，cd2為母線差動保護電流，其計算式為

2.3 擴展差動保護方案

2.3.1 擴展差動保護

擴展差動保護是將1#主變，2#主變，a、b相母線看作一個保護區域，采集區域邊界電流計算擴展差動區的差電流，通過差電流的大小區分故障。擴展差動保護作為主變差動保護和母線差動保護的后備保護，當檢測到主變或母線區域邊界斷路器失靈信號時，開放擴展差動保護。擴展差動保護動作邏輯如圖7所示

圖7中cd_set3為擴展差動保護整定值，cd3為擴展差動保護電流，其計算式為

式中，、分別為a、b相母線饋出電流；、分別為1#主變、2#主變高壓側電流；Ka、Kb分別為a、b相母線饋出電流平衡系數，可根據變壓器匝數比、變壓器參數、流互變比計算。

2.3.2 區域邊界斷路器失靈判斷

擴展差動保護作為變壓器和母線的后備保護，只有檢測到母線或變壓器區域邊界斷路器失靈信號后才開放，區域邊界斷路器失靈判斷邏輯如圖8所示。

圖8 變壓器、母線區域邊界斷路器失靈判斷邏輯

圖8中yl_set為失靈判斷電流整定值，為各差動支路的保護電流，_sl_set為斷路器失靈檢測延時整定值，其值為斷路器跳閘時間加上一定裕度時間，斷路器跳閘時間一般取100 ms，裕度時間取100 ms，則斷路器失靈檢測延時為200 ms。

變壓器和母線保護方案中保護用到的模擬量和開關量見表2的“區域邊界電流互感器”和“區域邊界斷路器”，部分模擬量和開關量在各種保護間共用。變壓器和母線保護方案需采集的模擬量為TA1～TA10，開關量為1QF～10QF。

2.4 牽引網保護方案

牽引網保護在表1牽引變電所既有饋線保護配置方案基礎上增加饋線斷路器失靈判斷，用于饋線保護拒動時觸發母線后備保護。第路饋線斷路器失靈判斷邏輯如圖9所示。

圖9中yl_set為失靈判斷電流整定值，I為饋出支路的保護電流，_sl_set的計算同2.3.2節所述。

牽引網保護方案中保護用到的模擬量TA7～TA10和開關量7QF～10QF在母線保護方案中已經采集，只需采集TV3～TV4。

圖9 饋線斷路器失靈判斷邏輯

3 方案比較

3.1 典型故障下保護動作比較

以圖3所示牽引變電所為例，分析各種典型故障情況下站域后備保護方案和常規保護方案保護動作情況。

（1）牽引網故障。假設在圖3所示區域5內d4點處發生牽引網故障，站域后備保護方案和常規保護方案均采用了常規饋線保護配置方案，保護動作情況完全相同。如發生饋線保護拒動，常規保護方案由主變后備保護裝置的低壓側過流保護動作切除故障，保護動作延時由原來的距離保護Ⅰ段（或電流速斷）的100 ms變為700 ms；站域后備保護方案由母線保護切除故障，動作延時變為 300 ms（饋線保護延時100 ms + 饋線斷路器失靈檢測延時200 ms）。牽引網故障時，站域后備保護方案比常規保護方案速動性提升400 ms。

（2）母線故障。假設在圖3所示區域3內d3點處發生β相母線故障，常規保護方案中未配置母線保護，只能依靠主變后備保護裝置的低壓側過流保護動作切除故障，動作延時700 ms；如低壓側過流保護拒動，則上一級后備保護高壓側過流保護動作，動作延時1 000 ms。站域后備保護方案母線差動保護動作無延時，如母線區域邊界斷路器拒動，則擴展差動保護動作，動作延時200 ms（斷路器失靈檢測延時200 ms）。母線故障時，站域后備保護方案速動性比常規保護方案明顯提升。

（3）變壓器故障。假設在圖3所示區域2內d2點處發生變壓器內部故障或變壓器套管及引出線故障，站域后備保護和常規保護方案均配置相同保護，保護動作情況完全相同。如2#主變差動區域邊界斷路器拒動，常規保護方案無后備保護，只能由牽引變電所上一級電力變電站線路保護動作切除故障，延時500 ms以上；站域后備保護方案擴展差動保護動作，動作延時200 ms。變壓器故障時，站域后備保護方案速動性比常規保護方案也明顯提升。

（4）方案對比。將常規保護方案與站域后備保護方案在牽引變電所典型故障下的動作情況與保護速動性進行對比，如表3所示。

表3 牽引變電所典型故障下2種保護方案比較

從表3可以看出，發生牽引變電所典型故障時，站域后備保護和常規保護方案均可正確動作，但站域后備保護方案在保護速動性上有明顯提升。

3.2 保護裝置硬件成本及可靠性比較

從表1可以看出，常規保護方案要實現牽引變電所一次設備和牽引網的保護功能，需配置十幾臺保護裝置配合完成。站域后備保護方案通過1臺站域保護裝置即可完成牽引變電所所有保護功能，模擬量和開關量均一次采集，各保護共用，大幅減少了保護裝置和線纜數量。站域保護裝置的硬件和軟件高度集中，如裝置出現故障則站域后備保護將全部失效，可靠性較低，因此站域保護裝置一般作為后備保護裝置使用。

當站域保護裝置為應急保護裝置提供輔助判據時，失電保護動作邏輯由圖2改為圖10所示。

圖10 應急保護裝置失電保護動作邏輯

4 結語

本文提出了一種適用于牽引變電所的站域后備保護方案，用1臺站域保護裝置即可完成牽引變所的所有保護功能。和常規保護方案相比，站域后備保護方案保護速動性有明顯提升但可靠性降低。當牽引變電所內常規保護裝置功能失效時，站域保護裝置可作為全所后備保護使用，也可為應急保護裝置提供輔助判據。

[1] 中國鐵路總公司運輸局. 牽引變電所綜合應急保護裝置技術方案[Z]. 運供設備函[2017] 240號.

[2] 沈紹斐，王慧芳，劉穎，等. 變壓器就地后備保護及站域后備保護研究[J]. 電網技術，2017，41（1）：291-297.

[3] 周澤昕，王興國，杜丁香，等．一種基于電流差動原理的變電站后備保護[J]. 電網技術，2013，37（4）：1113-1120.

[4] 龔石林，曾臻，馮彥釗，等. 基于網絡拓撲的電流差動站域保護[J]. 云南電力技術，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.成都交大許繼電氣有限責任公司，高級工程師。