專利名稱：由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于牽引供電繼電保護領(lǐng)域，更準確地說本發(fā)明涉及一種當牽引供電系統(tǒng) 發(fā)生異相短路或牽引變壓器后備保護將要越級跳間時，變壓器后備保護裝置閉合相應(yīng)的繼 電器常開觸點來啟動饋線保護裝置自動選跳的方法。
背景技術(shù)：
電氣化鐵路因節(jié)能環(huán)保、動力性能強，成為我國重點發(fā)展的綠色交通方式，目前的 高速鐵路、重載鐵路全部電氣化，按照鐵路建設(shè)規(guī)劃和當前的建設(shè)進度，未來幾年，我國的 電氣化鐵路總里程將超過5萬公里，承擔著絕大部分的客貨運量，所以牽引供電對可靠性 的要求越來越高。通過廣大牽引供電繼電保護工作者的努力，該領(lǐng)域的繼電保護原理已趨 于完善，但還是有些原理性的問題等待更好的解決辦法，舉兩例如下(附圖1是示意圖)
例一，電力機車在穿越牽引變電所出口處的電分相時(無電區(qū))，由于司機沒有按照規(guī) 程操作或機車自動過分相失靈，可能引發(fā)沿絕緣子表面放電而發(fā)生異相短路，其故障特征 值通常超越了饋線保護裝置配置的阻抗、過電流等保護的識別范圍，饋線保護裝置拒動將 可能造成分相絕緣器、絕緣子燒毀，還可能使牽引變壓器后備保護越級跳間，導致母線所連 接的所有饋電線路失電，擴大了事故范圍，由于后備保護跳閘后不允許重合，所以供電恢復(fù) 時間延長。針對該型的故障，廣大繼電保護工作者提出了幾種解決辦法。文獻《牽引變電所 異相短路故障及常規(guī)饋線保護動作行為分析》(鐵道學報2000年8月第22卷第4期第24 頁)對異相短路時饋線保護動作行為進行了分析，最后提出了電流速斷保護和特殊阻抗保 護相配合的方案，但由于在饋線保護裝置中引入自由相電壓，需要額外增加電壓互感器，即 增大了投資又給檢修帶來了不便，同時還存在難以整定的問題；文獻《牽引供電系統(tǒng)異相 短路保護原理的研究》(西南交通大學2004碩士畢業(yè)論文)對異相短路進行了理論分析并 結(jié)合大電流電弧模型、機車負荷模型進行仿真研究，提出了基于兩供電臂相間電壓幅值變 化及其綜合諧波含量比較高(3次諧波為主)這一特點的保護方案，該方案也需要增加電壓 互感器，此外，電力機車運行工況的復(fù)雜多變及功率補償裝置的投切都將使其可靠性降低； 文獻《基于故障分量相關(guān)分析的供電牽引網(wǎng)異相短路保護》(電力系統(tǒng)自動化2007年3月 25日第31卷第6期第82頁)根據(jù)兩相電流故障分量波形呈現(xiàn)反向?qū)ΨQ性，提出利用相 關(guān)分析法快速提取此特征并使饋線裝置跳間，此方案由于相關(guān)分析算法增加了較多的計算 量，受波形畸變的影響較大，對于復(fù)線鐵路，該方案可能會造成兩供電臂的饋線斷路器多次 跳合間，對供電設(shè)備造成較大沖擊，保護的選擇性得不到保證?？偟恼f來，異相短路故障的 保護原理還需要完善。例二，饋線發(fā)生常規(guī)故障，但由于饋線保護裝置定值整定不合適導致裝置拒跳，從 而可能引起牽引變壓器后備保護越級跳間，擴大了停電范圍，此種案例在電氣化鐵道并不 少見，但目前業(yè)界沒有給出可行的補救措施。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路或牽引變壓器后備保 護將要越級跳閘時，如何切除故障或不致越級跳閘發(fā)生。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是采取以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的 為便于描述，本說明書定義術(shù)語如下
電壓超前相與電壓滯后相定義牽引變電所左右方向各一個供電臂，每個供電臂都有 各自的牽引供電母線，母線對地的電壓為各自的相電壓，正常負荷時，在矢量平面圖中固定 其中一個相電壓矢量不動，另一相電壓矢量按照逆時針方向旋轉(zhuǎn)直至與固定的矢量重合， 如旋轉(zhuǎn)夾角小于180度則固定的相電壓矢量簡稱為電壓超前相，旋轉(zhuǎn)矢量為電壓滯后相， 如旋轉(zhuǎn)夾角大于于180度則固定的相電壓矢量簡稱為電壓滯后相，旋轉(zhuǎn)矢量為電壓超前 相。由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳保護，其特征在于，包括下列步驟
1)首先由牽引變壓器后備保護裝置來判斷電分相是否發(fā)生短路，依據(jù)是如異相短路 保護投入，則看電壓超前相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第四象限且電壓滯后相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第 二象限，在持續(xù)延時內(nèi)二者都滿足則判兩相電流增量是否同步增大，以上條件均滿足則閉 合異相短路告警開出觸點，脈沖寬度Tl可調(diào)節(jié)；
2)上下行牽引供電饋線保護裝置實時檢測異相短路告警開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷測量阻抗是否在第四象限內(nèi)，如在則自動選跳保護啟動，否 則判斷異相短路告警開入在變位以后接觸網(wǎng)電流增量是否大于100A，持續(xù)判斷時間最多 200ms，超時則退出邏輯，如滿足則自動選跳啟動，自動選跳啟動后，在整定時間內(nèi)如選跳 的條件都成立則出口跳閘并啟動一次重合閘；
3)由牽引變壓器后備保護裝置來判斷是否將有越級跳閘發(fā)生，如越級選跳保護投入且 低電壓啟動的過電流保護啟動，在離過電流保護出口跳閘還有時間T2時則閉合越級選跳 開出觸點，脈沖寬度T3可調(diào)；
4)與牽引母線相連的所有饋線保護裝置實時檢測越級選跳開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷越級選跳開入變位前IOOms內(nèi)接觸網(wǎng)電流增量是否曾經(jīng)大于 100A，如是，再判饋線穩(wěn)態(tài)功角是否在[50°，80°]區(qū)間，如滿足則越級自動選跳條件成立，在 其后的整定時間內(nèi)如越級自動選跳的條件一直成立則出口跳閘，不啟動重合閘。首先介紹本發(fā)明中異相短路時饋線自動選跳的基本原理
電氣化鐵路采用了多種特殊接線的變壓器，它們與普通三相電力變壓器在電氣性 能的分析方法和數(shù)學建模上多數(shù)有所區(qū)別。對于Y/Δ-11接線、星形延邊三角形平衡 接線、Scott接線、單相接線(含單相三繞組接線、V/ V接線和V / X接線)、十字交叉 接線、變形Woodbridge接線等不同接線的牽引變壓器的低壓側(cè)發(fā)生異相短路故障，其 原始電路經(jīng)過多次等價變化后，基本上最終都可以轉(zhuǎn)換為附圖2所示的等值電路，對于 某些種類的牽引變壓器，圖中的Ztj等于0。以星形延邊三角形接線平衡變壓器為例，設(shè)
Ect、Εβ分別為兩供電臂等效電勢，Z、Ztj為電力系統(tǒng)及變壓器阻抗在等值電路中的折算
值，R為異相短路電弧電阻k為短路電流，Ua、 #分別為兩供電臂母線電壓，Za、2身 分別為兩供電臂測量阻抗，據(jù)附圖2所示電路求得異相短路電流、測量阻抗如下對于星形延邊三角形接線平衡變壓器有Ea ,所以
由此可以得到電壓超前相(α相)和電壓滯后相(β相)的測量軌跡見附圖3。由附圖 3的測量阻抗分布規(guī)律可知，電壓超前相穩(wěn)態(tài)功角總是分布在第四象限；電壓滯后相穩(wěn)態(tài) 功角從理論上看隨R的增大從二象限延伸至第一象限，而實際上R較小，實測中均分布在 第二象限?？梢钥闯?，常規(guī)阻抗保護可能難以動作，由于短路阻抗(特別是電阻分量)較常 規(guī)故障明顯增大，過流、速斷及電流增量保護也可能不會動作。圖3中θ的大小與牽引變 壓器的類型有關(guān)，平衡變壓器為45°，Y/ Δ -11變壓器為60°，其它不一一列舉。本發(fā)明根據(jù)異相短路時兩相穩(wěn)態(tài)功角的分布范圍及電流變化等規(guī)律，發(fā)明了異相 短路饋線自動選跳方法。下面介紹本發(fā)明中牽引變壓器后備保護將要越級跳閘時饋線保護裝置自動選跳 的原理
牽引變壓器后備保護既是牽引變壓器故障的后備保護，同時又是饋線故障的遠后備保 護，完成遠后備功能的通常是低電壓啟動的過流保護元件。當饋線發(fā)生故障時，牽引變壓器 后備保護的低電壓啟動的過流保護元件通常也會啟動，但由于其跳閘延時比饋線主要保護 元件的要大，所以一般都是饋線先跳閘，故障切除后牽引變壓器后備保護立即返回，繼電保 護的選擇性得到了保證，但當饋線保護拒動時，后備保護過流保護元件跳閘而導致牽引變 壓器低壓側(cè)的一相或兩相牽引供電母線失電，與之相連的所有饋電線路全部掉電，擴大了 事故范圍，延長了恢復(fù)供電時間。饋線短路故障時，其功角范圍一般在[50°，80°]區(qū)間，電 流增量幾乎都大于100Α( —次值)，在IOOms時間段內(nèi)，如牽引變壓器后備保護裝置的選跳 開出觸點閉合，則饋線保護加速跳閘。本發(fā)明按上述原理構(gòu)成了牽引變壓器后備保護將要 越級跳閘時饋線保護裝置自動選跳的方法。
本發(fā)明所達到的有益效果
本發(fā)明由牽引變壓器后備保護裝置根據(jù)兩相穩(wěn)態(tài)功角的分布范圍及電流變化等規(guī)律 來識別牽引供電異相短路故障并閉合異相短路告警繼電器觸點，在后備保護裝置低電壓過 電流保護啟動并即將跳閘時閉合越級選跳繼電器觸點，饋線保護裝置在檢測到以上觸點開 入后將根據(jù)自身的穩(wěn)態(tài)功角和電流增量等對應(yīng)條件來實現(xiàn)饋線斷路器的自動選跳。本發(fā) 明無需額外的一次設(shè)備，投資很小；沒有難以整定的定值，實施過程簡單方便；保護計算量 小，可靠性高，同時兼顧了選擇性。
圖1為現(xiàn)有的一種牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其故障示意圖。圖2為牽引供電系統(tǒng)異相短路故障的等值電路圖。圖3為異相短路故障時電壓超前相(α相)和電壓滯后相(β相)的阻抗測量軌跡 示意圖。圖4為本發(fā)明的由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳的保護邏輯圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施步驟如下
根據(jù)前述關(guān)于電壓超前相、滯后相的定義，牽引變壓器后備保護裝置正常運行時對其 進行區(qū)分并記錄，具體包括下列步驟
1)首先由牽引變壓器后備保護裝置來判斷電分相是否發(fā)生短路，依據(jù)是如異相短路 保護投入，則看電壓超前相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第四象限且電壓滯后相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第 二象限，在持續(xù)延時內(nèi)二者都滿足則判兩相電流增量是否同步增大，以上條件均滿足則閉 合異相短路告警開出觸點，脈沖寬度Tl可調(diào)節(jié)，其推薦值為IOOms ；
2)上下行牽引供電饋線保護裝置實時檢測異相短路告警開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷測量阻抗是否在第四象限內(nèi)，如在則自動選跳保護啟動，否 則判斷異相短路告警開入在變位以后接觸網(wǎng)電流增量是否大于100Α，持續(xù)判斷時間最多 200ms，超時則退出邏輯，如滿足則自動選跳啟動，自動選跳啟動后，在整定時間內(nèi)如選跳 的條件都成立則出口跳閘并啟動一次重合閘；
3)由牽引變壓器后備保護裝置來判斷是否將有越級跳閘發(fā)生，如越級選跳保護投入且 低電壓啟動的過電流保護啟動，在離過電流保護出口跳閘還有時間T2時則閉合越級選跳 開出觸點，脈沖寬度T3可調(diào)，T2的推薦值為200ms，T3的推薦值為60 ms ；
4)與牽引母線相連的所有饋線保護裝置實時檢測越級選跳開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷越級選跳開入變位前IOOms內(nèi)接觸網(wǎng)電流增量是否曾經(jīng)大于 100A，如是，再判饋線穩(wěn)態(tài)功角是否在[50°，80°]區(qū)間，如滿足則越級自動選跳條件成立，在 其后的整定時間內(nèi)如越級自動選跳的條件一直成立則出口跳閘，不啟動重合閘。之后按照附圖4的保護邏輯予以實施，實際使用時，該邏輯圖中的相關(guān)延時為推 薦值，通常無需改動，所以本發(fā)明基本上沒有需要仔細斟酌而難以整定的定值，實施過程也 簡單可靠。本發(fā)明按照實施實例進行了說明，應(yīng)當理解，但上述實施例不以任何形式限定本 發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳方法，其特征在于，包括下列步驟1)首先由牽引變壓器后備保護裝置來判斷電分相是否發(fā)生短路，依據(jù)是如異相短路 保護投入，則看電壓超前相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第四象限且電壓滯后相的穩(wěn)態(tài)功角是否在第 二象限，在持續(xù)延時內(nèi)二者都滿足則判兩相電流增量是否同步增大，以上條件均滿足則閉 合異相短路告警開出觸點，脈沖寬度Tl可調(diào)節(jié)；2)上下行牽引供電饋線保護裝置實時檢測異相短路告警開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷測量阻抗是否在第四象限內(nèi)，如在則自動選跳保護啟動，否 則判斷異相短路告警開入在變位以后接觸網(wǎng)電流增量是否大于100A，持續(xù)判斷時間最多 200ms，超時則退出邏輯，如滿足則自動選跳啟動，自動選跳啟動后，在整定時間內(nèi)如選跳 的條件都成立則出口跳閘并啟動一次重合閘；3)由牽引變壓器后備保護裝置來判斷是否將有越級跳閘發(fā)生，如越級選跳保護投入且 低電壓啟動的過電流保護啟動，在離過電流保護出口跳閘還有時間T2時則閉合越級選跳 開出觸點，脈沖寬度T3可調(diào)；4)與牽引母線相連的所有饋線保護裝置實時檢測越級選跳開入，如有開入且饋線自動 選跳保護投入，則下一步判斷越級選跳開入變位前IOOms內(nèi)接觸網(wǎng)電流增量是否曾經(jīng)大于 100A，如是，再判饋線穩(wěn)態(tài)功角是否在[50°，80°]區(qū)間，如滿足則越級自動選跳條件成立，在 其后的整定時間內(nèi)如越級自動選跳的條件一直成立則出口跳閘，不啟動重合閘。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳方法，其特征在 于在所述步驟1)中，脈沖寬度Tl為100ms。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的由外部觸點啟動的電氣化鐵路饋線自動選跳方法，其特征在 于在所述步驟3)中，T2為200ms，T3為60 ms。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種當牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路或牽引變壓器后備保護將要越級跳閘時，變壓器后備保護裝置閉合相應(yīng)的繼電器常開觸點來啟動饋線保護裝置自動選跳的方法，屬于牽引供電繼電保護領(lǐng)域。本發(fā)明由牽引變壓器后備保護裝置根據(jù)兩相穩(wěn)態(tài)功角的分布范圍及電流變化等規(guī)律來識別牽引供電異相短路故障并閉合異相短路告警繼電器觸點，在后備保護裝置低電壓過電流保護啟動并即將跳閘時閉合越級選跳繼電器觸點，饋線保護裝置在檢測到以上觸點開入后將根據(jù)自身的穩(wěn)態(tài)功角和電流增量等對應(yīng)條件來實現(xiàn)饋線斷路器的自動選跳。本發(fā)明無需額外的一次設(shè)備，投資很??；沒有難以整定的定值，實施過程簡單方便；保護計算量小，可靠性高，同時兼顧了選擇性。
文檔編號H02H7/22GK102005737SQ20101055724
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月24日
發(fā)明者安林, 張慎明, 李承運, 李輝, 李鋼, 楊海英, 濮衛(wèi)興, 王軍, 邱永生 申請人:國電南瑞科技股份有限公司