牽引變電所備自投功能應用探討與分析

韋 強

0 引言

我國電氣化鐵路牽引變電所一次側電壓等級常用110 kV、220 kV或330 kV，其中普速鐵路牽引變電所多采用110 kV電壓等級，高速鐵路牽引變電所多采用220 kV或330 kV電壓等級。高鐵、普鐵變電所均有2路電源進線，不同的只是變壓器一次側電氣主接線方式不同，但基本采用橋式接線（H型）和雙T接線兩種方式。當電源線路故障或牽引變壓器故障時，所內綜合自動化系統備自投裝置將自動完成備用進線電源或變壓器的切換，從而恢復所內設備正常供電[1]。然而結合近幾年管內或鐵路供電行業內相關牽引變電所綜合自動化系統設備備自投功能應用情況及相關故障案例，有必要對牽引變電所備自投功能邏輯及需要進一步完善的部分進行詳細分析，以期對業內同行有所參考。

1 牽引變電所進線電氣主接線方式

不同類型的牽引變電所，2路進線電源采用不同的電氣主接線方式，總體來講，分為2路進線之間有橋接開關的橋式接線和2路進線之間不帶橋接開關的直接連接方式兩種。

1.1 橋式接線

2路電源進線分別經過隔離開關和斷路器連接至2臺牽引變壓器的一次側，在2路電源引入線之間用帶隔離開關的橫向母線將其連接，主接線如圖1所示。

圖1 橋式接線

1.2 直接連接方式

牽引變電所2路電源進線分別經過隔離開關和斷路器直接連接至牽引變壓器的一次側，2路電源進線變壓器側不設置聯絡開關，電氣主接線如圖2所示。

圖2 直接接線

2 變電所備自投功能

鐵路牽引變電所備自投包括進線備自投和主變備自投兩種功能，主要實現當牽引變電所進線電源故障或變壓器故障時，能夠自動將故障進線或變壓器退出運行，自動投切至備用進線和變壓器運行，完成電源或變壓器的主備轉換，該備自投功能是由牽引變電所內綜合自動化系統備自投裝置實現。

2.1 橋式接線下的自投模式

對于橋式接線方式，牽引變電所可以實現直列供電和交叉供電，即1#進線帶1#主變運行模式和1#進線帶2#主變運行模式，自投方式如表1所示。

表1 橋式接線下的自投模式

以1#進線+1#主變運行模式為例，初始狀態時，GK1、DL1、DL3合位，GK2、GK3、DL2、DL4分位。當1#進線失壓且2#進線有壓時，備自投啟動，當非直列優先時，分DL3、DL1、GK1，合GK2、GK3、DL1、DL3，動作完畢則備自投成功。當1#主變故障時，備自投啟動，當非直列優先時，分DL3、DL1、GK1，合GK1、GK3、DL2、DL4，動作完畢則備自投成功。

2.2 直接連接方式下的自投模式

對于直接連接方式，牽引變電所只能進行直列供電，即1#進線帶1#主變運行或2#進線帶2#主變運行，對應自投方式如表2所示。

表2 直接接線方式下的自投模式

以1#進線+1#主變運行模式為例，初始狀態時，GK1、DL1、DL3合位，GK2、DL2、DL4分位。當1#進線失壓或1#主變故障且2#進線有壓時，備自投啟動，分DL3、DL1、GK1，合GK2、DL2、DL4，動作完畢則備自投成功。

3 變電所備自投存在的典型問題

3.1 自投裝置檢測開關動作過程的問題

一般高鐵變電所進線電壓等級為220 kV或330 kV，按照國家電網相關要求，牽引變電所內還配置有保護220 kV或330 kV電源進線的線路保護裝置，同時該保護裝置將鐵路牽引變電所變壓器高壓側的220 kV或330 kV斷路器接入保護控制回路，當線路出現故障時，保護裝置將發出開入信號，驅動220 kV或330 kV斷路器跳閘。地方電力線路故障導致牽引變電所進線失壓，啟動自投，而不同綜自廠家自投裝置的判斷邏輯不同，有的自投裝置只檢測開關的分合位，有的自投裝置需要檢測開關由合到分的過程，導致自投啟動失敗。舉例說明：

針對圖2中無跨條隔開直接接線的高鐵變電所，以1#進線+1#主變運行模式為例，初始狀態時，GK1、DL1、DL3合位，GK2、DL2、DL4分位。自投邏輯：當1#進線失壓且2#進線有壓時，備自投啟動，分DL3、DL1、GK1，合GK2、DL2、DL4，動作完畢則備自投成功。

正是由于變電所內配置有地方電力電源線路保護裝置，地方電源線路故障時，線路保護裝置已出口斷開了變壓器高壓側斷路器（即DL1），故當牽引變電所自投裝置因進線失壓，由失壓保護動作出口斷開DL1時，線路保護裝置已先于自投裝置斷開了DL1，自投裝置檢測不到DL1由合到分的過程，最終導致自投終止，自投失敗。

3.2 進線和主變同時故障下的自投問題

針對變電所進線側無跨條隔開的電氣主接線方式，因自投模式較簡單，不論是1#進線失壓還是1#變壓器故障，均由1#系統自投至2#系統運行，2#進線失壓或2#變壓器故障均由2#系統自投至1#系統運行。對于橋式接線的牽引變電所，目前所內綜合自動化系統備自投裝置邏輯功能大部分只能完成一種故障情況下的自投，即進線失壓啟動自投或變壓器故障啟動自投，對于進線失壓和變壓器故障兩種故障同時存在的情況，部分綜合自動化系統自投裝置無法啟動自投，自投失敗。具體分析下列兩種情況：

（1）當變電所附近發生金屬性短路或變壓器低壓側電氣設備發生金屬性短路故障時，都將產生比較大的短路電流，而較大的短路電流又會產生較大的電動力，一是可能造成變壓器非電量保護動作，二是會造成變電所運行變壓器進線側電壓被拉低的情況。

（2）當變電所運行變壓器故障，同時運行進線失壓，也會產生兩種故障同時存在的現象。

4 優化建議

（1）解決自投裝置檢測開關動作過程的問題的建議[2]：一是優化設計，將牽引變電所內地方線路保護裝置設計為針對牽引變電所變壓器高壓側斷路器只發告警或只啟動不出口，不驅動斷路器跳閘，斷路器跳閘由牽引變電所進線失壓保護完成；二是完善自投邏輯程序，將自投裝置檢測故障系統開關由合到分的過程，優化為判斷開關由合到分或開關在分位兩種模式。以上兩種措施均可實現自投正常啟動。

（2）針對變電所綜合自動化系統備自投功能，結合現場實際應用情況，應考慮在各種因素條件下造成的進線電壓低（或進線失壓）及變壓器故障兩種故障同時存在的情況發生，完善備自投邏輯功能，具備在進線故障及變壓器故障同時存在情況下的自投功能。比如當前牽引變電所為1#進線帶1#變壓器運行，當發生1#進線失壓及1#主變故障時，備自投裝置應啟動，將自動投切至2#進線帶2#主變運行；當變電所1#進線帶2#變壓器運行，發生1#進線失壓及2#變壓器故障時，自投裝置啟動，自動投切至2#進線帶1#變壓器運行；當2#進線帶2#變壓器運行，發生2#進線失壓及2#變壓器故障時，備自投啟動，自動投切至1#進線帶1#變壓器運行；當2#進線帶1#變壓器運行，發生2#進線失壓及1#變壓器故障時，備自投啟動，自動投切至1#進線帶2#變壓器運行模式。

具體的自投模式如表3所示。

表3 優化后橋式接線下的自投模式

以1#進線+2#主變運行模式為例，初始狀態為GK1、GK3、DL2、DL4合位，GK2、DL1、DL3分位。當1#進線失壓且2#主變故障，同時檢測2#進線有壓時，備自投啟動，分DL4、DL2、GK3、GK1，合GK2、GK3、DL1、DL3，動作完畢則備自投成功，轉換為2#進線+1#主變運行模式。

5 結語

目前國內鐵路供電系統牽引變電所綜自保護裝置廠家不盡相同，其保護裝置保護原理、保護邏輯基本相同，但又不完全一致。從現場工程應用實際來看，部分綜自廠家的備自投裝置邏輯還存在一些不足和需要優化完善的方面。為適應當前鐵路安全、高效、可靠的運輸要求，進一步提高鐵路供電可靠性，減少故障停時，通過對以上兩種自投裝置保護邏輯典型問題的分析，供行業內及綜自保護裝置廠家技術人員借鑒，不斷優化完善自投保護邏輯，以提高自投功能的完備性。