CN102104247A - 一种同相供电设备继电保护系统及方法 - Google Patents

一种同相供电设备继电保护系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同相供电设备继电保护系统，主要由微机保护装置、设置在α母线和同相供电设备之间的断路器1QF和电流互感器1TA、设置在β母线和同相供电设备之间的断路器2QF和电流互感器2TA、设置在α母线上的电压互感器1TV、以及设置在β母线上的电压互感器2TV构成，所述电流互感器1TA、电流互感器2TA、电压互感器1TV、电压互感器2TV均与微机保护装置相连。本发明还公开了一种基于上述同相供电设备继电保护系统的保护方法。本发明能使同相供电设备发生故障时被迅速切除隔离，以免受到继续破坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行，从而继续为电力机车安全可靠地输送电能。

Description

一种同相供电设备继电保护系统及方法
技术领域
本发明涉及一种同相供电设备继电保护系统及方法。
背景技术
由于电气化铁道牵引供电系统结构和负荷的特殊性，造成了电力系统三相严重不平衡，存在大量的谐波和无功，尤其是电分相环节的存在使电力机车安全运行存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展。为了克服上述问题，牵引供电系统一般采用换相措施以减少负序对电力系统的影响，采用自动过分相装置以解决高速电力机车通过电分相问题，采用并联电容装置以补偿牵引负荷产生的无功。但是，这些措施只能起到缓解作用，仍然存在着技术缺陷。为此，同相供电技术的提出为综合解决上述问题的提供了另一种途径。同相供电不仅实现了三相平衡，而且能动态补偿谐波和无功，是高速铁路牵引供电的重要发展方向。
同相供电系统是在牵引变电所传统的三相－两相变压器的基础上，通过接入同相供电设备并进行相应改造实现的。同相供电系统如图1所示。图1中，三相－两相变压器为任意一种将电力系统的三相电源变为牵引供电系统的两相电源的牵引变压器，其原边三相与公用电网相连，次边的α输出相和β输出相之间连接的设备为同相供电设备，依次为降压变压器G1、单相变流器M1、直流电容C、单相变流器M2、降压变压器G2；α相为电力机车L供电；降压变压器G1和降压变压器G2的高压侧电压为27.5kV，低压侧电压为500-2000V。
同相供电系统可以综合解决牵引供电系统的电分相、负序、无功、谐波等多种问题，是牵引供电的未来发展方向之一。但是，目前的研究主要集中在同相供电系统构成和有源滤波器控制策略等方面，对其相关配套技术的研究较少。同相供电设备作为电气化铁道同相牵引供电系统的核心组成部分，不可避免地会遇到短路等故障情况，这些故障的发生，将严重威胁同相供电设备的安全，尤其是基于大功率电力电子开关元件构成的单相变流器，其工作条件苛刻，价格昂贵，因此必须对同相供电设备提供完善、合理的保护。当同相供电设备内部发生故障时，保护应可靠动作，同相供电设备两侧断路器能够迅速跳闸；当牵引网发生故障时，保护应可靠不动作。目前，还没有专门针对同相供电设备的继电保护方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同相供电设备继电保护系统，满足继电保护的可靠性、选择性、速动性、灵敏性要求，实现整个同相供电设备的完善保护。该继电保护系统能使同相供电设备发生故障时被迅速切除隔离，以免受到继续破坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行，从而继续为电力机车安全可靠地输送电能。
本发明的另一目的是提供了一种基于上述同相供电设备继电保护系统的保护方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种同相供电设备继电保护系统，主要由微机保护装置、设置在α母线和同相供电设备之间的断路器1QF和电流互感器1TA、以及设置在β母线和同相供电设备之间的断路器2QF和电流互感器2TA构成，所述电流互感器1TA和电流互感器2TA均与微机保护装置相连。
本发明还包括设置在α母线上的电压互感器1TV、以及设置在β母线上的电压互感器2TV，所述电压互感器1TV和电压互感器2TV均与微机保护装置相连。
所述同相供电设备主要由设置在α母线和β母线之间且通过联络电缆依次相连的降压变压器G1、单相变流器M1、直流电容C、单相变流器M2、降压变压器G2构成，所述降压变压器G1和降压变压器G2均通过继电器接点信号与微机保护装置相连；降压变压器G1和降压变压器G2的高压侧电压为27.5kV，低压侧电压为500-2000V。
本发明中涉及的所有α母线均为连接在同相供电系统中三相－两相变压器α输出相的母线，所有β母线均为连接在同相供电系统中三相－两相变压器β输出相的母线；α母线为电力机车供电，β母线输入到同相供电设备的有功功率，除了同相供电设备消耗的有功功率以外，全部被同相供电设备输出到α母线以供给电力机车。
本发明中涉及的微机保护装置为现有的，其属于成熟技术，故在本发明中不再叙述。微机保护装置可以通过接入的电流互感器，电压互感器等测量元件的信号对回路的状态进行监视，控制以及保护，比如短路保护，过载保护，单相接地保护等等。在未采用微机保护装置的时候，通过高压柜用继电器实现这些保护功能，采用微机保护装置，功能相对多一些，比如可以方便接受远程控制，向上级系统进行通讯，传递回路的电流电压、功率电量信号，可以方便的调整保护设定值等等，总之，微机保护装置就是可以智能的实现测量、控制、保护等功能的保护装置，可以将所有功能集中在一套保护装置中实现，也可以分布在多套保护装置中实现。
基于上述同相供电设备继电保护系统的保护方法，主要由过电流保护构成，其中，过电流保护：当同相供电设备内部发生较严重故障时，微机保护装置通过位于其两侧的电流互感器1TA或电流互感器2TA测到的电流大于额定负荷电流，微机保护装置基于该电流信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现过电流保护。
进一步的，本发明还包括低电压保护，其中，低电压保护：当α输出相母线故障或β输出相母线故障或三相－两相变压器故障时，微机保护装置通过位于同相供电设备两侧母线上的电压互感器1TV、电压互感器2TV测到的电压低于额定电压水平，微机保护装置基于该电压信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现低电压保护。
更进一步的，本发明还包括非电量保护，其中，非电量保护：当同相供电设备中的降压变压器G1或降压变压器G2油箱内部故障时，其内部安装的重瓦斯继电器或压力继电器、温度继电器会向微机保护装置发出接点信号，微机保护装置基于该信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现非电量保护。
更进一步的，本发明还包括有功功率差动保护，其中，有功功率差动保护：当同相供电设备发生故障时，其消耗的有功功率大于有功功率差动保护的动作功率值，微机保护装置跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现有功功率差动保护。
在上述有功功率差动保护中，同相供电设备消耗的有功功率计算方法为：根据三相－两相变压器α输出相和β输出相的基波电压和电流，计算出α输出相和β输出相的基波有功功率，从而计算出同相供电设备消耗的有功功率，α输出相和β输出相的基波有功功率的计算公式如下：
式中：Re[ ]表示取计算结果的实部，
Figure 933982DEST_PATH_IMAGE002
分别表示三相－两相变压器α输出相测到的基波电压和电流，
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE003
表示
Figure 51979DEST_PATH_IMAGE004
的共轭，
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE005
分别表示β输出相测到的基波电压和电流，
Figure 494724DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE007
的共轭，
Figure 356370DEST_PATH_IMAGE008
分别表示α输出相和β输出相的基波有功功率。
更进一步的，本发明还包括断路器失灵保护，其中，断路器失灵保护：当同相供电设备发生故障且断路器1QF或断路器2QF拒动时，微机保护装置检测到故障，通过断路器失灵保护跳开对应的变压器低压侧断路器，从而实现断路器失灵保护。
更进一步的，本发明还包括防止过电流保护误动，其中，防止过电流保护误动：当降压变压器G1或降压变压器G2产生励磁涌流时，微机保护装置检测到电流成分中二次谐波含量超过预设值，从而闭锁过电流保护防止误动。
综上所述，本发明的有益效果是：以降压变压器G1、单相变流器M1、直流电容C、单相变流器M2、降压变压器G2及上述设备之间的联络电缆构成的同相供电设备为保护对象，过电流保护动作于同相供电设备内部严重故障，有功功率差动保护动作于同相供电设备内部轻微故障，非电量保护动作于降压变压器G1或降压变压器G2油箱内故障，过电流保护、有功功率差动保护、非电量保护三者结合为同相供电设备提供完善的继电保护功能；低电压保护在α输出相母线故障或β输出相母线故障或三相－两相变压器故障时，断开同相供电设备回路、使同相供电设备退出运行，防止母线电压恢复时的冲击对同相供电设备造成破坏；断路器失灵保护在同相供电设备发生故障而断路器又拒动时，跳开相邻上级断路器，以减少同相供电设备损坏。本发明能使同相供电设备发生故障时被迅速切除隔离，以免受到继续破坏，保证牵引供电系统无故障部分迅速恢复正常运行，从而继续为电力机车安全可靠地输送电能。
附图说明
图1为现有的同相供电系统示意图；
图2为本发明的同相供电设备继电保护系统示意图；
图3为α输出相过电流保护原理框图；
图4为β输出相过电流保护原理框图；
图5为α输出相低电压保护原理框图；
图6为β输出相低电压保护原理框图；
图7为一种有功功率差动保护原理框图；
图8为另一种有功功率差动保护原理框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。
实施例：
如图2所示，本发明涉及的同相供电设备继电保护系统，主要由微机保护装置、设置在α母线和同相供电设备之间的断路器1QF和电流互感器1TA、以及设置在β母线和同相供电设备之间的断路器2QF和电流互感器2TA构成，所述电流互感器1TA和电流互感器2TA均与微机保护装置相连。
由于采用了上述结构，从而能实现过电流保护，其工作过程为：当同相供电设备内部（电流互感器1TA与电流互感器2TA之间）发生较严重故障时，微机保护装置通过电流互感器1TA或电流互感器2TA测到的电流大于额定负荷电流，微机保护装置基于该电流信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而起到过电流保护的作用；α输出相、β输出相过电流保护原理框图分别如图3、4所示，图3和图4中，
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure 817438DEST_PATH_IMAGE010
分别α输出相电流的基波和二次谐波值；
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 873381DEST_PATH_IMAGE012
分别β输出相电流的基波和二次谐波值；、
Figure 301957DEST_PATH_IMAGE014
分别表示α输出相、β输出相过电流保护的动作电流值；
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE015
为二次谐波闭锁门槛定值；
Figure 220757DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE017
分别表示α输出相、β输出相过电流保护的动作时限。
上述结构不仅能实现过电流保护，还能防止过电流保护误动，其工作过程为：当降压变压器G1或降压变压器G2产生励磁涌流时，微机保护装置检测到电流成分中二次谐波含量超过预设值，从而闭锁过电流保护防止误动。
作为本发明的进一步优化，如图2所示，在上述结构的基础上，本发明还增加了设置在α母线上的电压互感器1TV、以及设置在β母线上的电压互感器2TV，所述电压互感器1TV和电压互感器2TV均与微机保护装置相连，从而能实现低电压保护，其工作过程为：当α输出相母线故障或β输出相母线故障或三相－两相变压器故障时，微机保护装置通过位于同相供电设备两侧母线上的电压互感器1TV、电压互感器2TV测到的电压低于额定电压水平，微机保护装置基于该电压信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现低电压保护；α输出相、β输出相低电压保护原理框图如图5、6所示，图5和图6中，
Figure 801912DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE019
分别表示α输出相、β输出相电压的基波值；
Figure 261712DEST_PATH_IMAGE020
、
Figure 2011100092480100002DEST_PATH_IMAGE021
分别为α输出相、β输出相低电压保护的动作电压值；
Figure 679049DEST_PATH_IMAGE022
、为α输出相、β输出相低电压保护的动作时限。
作为本发明的更进一步优化，如图2所示，在进一步优化的基础上，本发明还将同相供电设备中的降压变压器G1和降压变压器G2的继电器接点信号分别与微机保护装置相连接，从而实现了非电量保护，其工作过程为：当同相供电设备中的降压变压器G1或降压变压器G2油箱内部故障时，其内部安装的重瓦斯继电器或压力继电器、温度继电器会向微机保护装置发出接点信号，微机保护装置基于该信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现非电量保护。
本发明不仅能实现上述功能，还能实现有功功率差动保护和断路器失灵保护，其工作过程如下：
有功功率差动保护：当同相供电设备正常运行时，β母线输入到同相供电设备的有功功率，除了同相供电设备消耗的有功功率以外，全部被同相供电设备输出到α母线以供给电力机车；当同相供电设备发生故障时，会消耗大量有功电能，当其消耗的有功功率大于有功功率差动保护的动作功率值，微机保护装置跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现有功功率差动保护。同相供电设备消耗的有功功率计算方法为：首先通过电流互感器1TA、电流互感器2TA、电压互感器1TV和电压互感器2TV测得三相－两相变压器α输出相和β输出相的基波电压和电流，然后根据基波电压和电流计算出α输出相和β输出相的基波有功功率，从而计算出同相供电设备消耗的有功功率，整个过程均通过微机保护装置进行数据计算，α输出相和β输出相的基波有功功率的计算公式如下：
Figure 882497DEST_PATH_IMAGE001
式中：Re[ ]表示取计算结果的实部，
Figure 380475DEST_PATH_IMAGE002
分别表示三相－两相变压器α输出相测到的基波电压和电流，
Figure 89805DEST_PATH_IMAGE003
表示
Figure 728859DEST_PATH_IMAGE004
的共轭，
Figure 549047DEST_PATH_IMAGE005
分别表示β输出相测到的基波电压和电流，
Figure 901531DEST_PATH_IMAGE006
表示的共轭，
Figure 406648DEST_PATH_IMAGE008
分别表示α输出相和β输出相的基波有功功率。
当同相供电设备两侧都将有功功率方向定义为指向所连接的母线为正方向时，或都将有功功率方向定义为指向所连接的母线为负方向时，有功功率差动保护的原理框图如图7所示。
当同相供电设备一侧将有功功率方向定义为指向所连接的母线为正方向时，而另一侧将有功功率方向定义为指向所连接的母线为负方向时，有功功率差动保护的原理框图如图8所示。
断路器失灵保护：当同相供电设备上发生的故障且断路器1QF或断路器2QF拒动时，必须跳开对应的变压器低压侧断路器才能切除故障。因此，当向断路器发出跳闸命令一段时间后，微机保护装置仍能检测到故障，通过断路器失灵保护跳开对应的变压器低压侧断路器，从而实现断路器失灵保护。
如上所述，便可较好的实现本发明。

Claims (10)

1.一种同相供电设备继电保护系统，其特征在于，主要由微机保护装置、设置在α母线和同相供电设备之间的断路器1QF和电流互感器1TA、以及设置在β母线和同相供电设备之间的断路器2QF和电流互感器2TA构成，所述电流互感器1TA和电流互感器2TA均与微机保护装置相连。
2.根据权利要求1所述的一种同相供电设备继电保护系统，其特征在于，还包括设置在α母线上的电压互感器1TV、以及设置在β母线上的电压互感器2TV，所述电压互感器1TV和电压互感器2TV均与微机保护装置相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种同相供电设备继电保护系统，其特征在于，所述同相供电设备主要由设置在α母线和β母线之间且通过联络电缆依次相连的降压变压器G1、单相变流器M1、直流电容C、单相变流器M2、降压变压器G2构成，所述降压变压器G1和降压变压器G2均通过继电器接点信号与微机保护装置相连。
4.一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，主要由过电流保护构成，其中，过电流保护：当同相供电设备内部发生较严重故障时，微机保护装置通过位于其两侧的电流互感器1TA或电流互感器2TA测到的电流大于额定负荷电流，微机保护装置基于该电流信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现过电流保护。
5.根据权利要求4所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，还包括低电压保护，其中，低电压保护：当α输出相母线故障或β输出相母线故障或三相－两相变压器故障时，微机保护装置通过位于同相供电设备两侧母线上的电压互感器1TV、电压互感器2TV测到的电压低于额定电压水平，微机保护装置基于该电压信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现低电压保护。
6.根据权利要求5所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，还包括非电量保护，其中，非电量保护：当同相供电设备中的降压变压器G1或降压变压器G2油箱内部故障时，其内部安装的重瓦斯继电器或压力继电器、温度继电器会向微机保护装置发出接点信号，微机保护装置基于该信号跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现非电量保护。
7.根据权利要求6所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，还包括有功功率差动保护，其中，有功功率差动保护：当同相供电设备发生故障时，其消耗的有功功率大于有功功率差动保护的动作功率值，微机保护装置跳开同相供电设备两侧的断路器，从而实现有功功率差动保护。
8.根据权利要求7所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，所述有功功率差动保护中，同相供电设备消耗的有功功率计算方法为：根据三相－两相变压器α输出相和β输出相的基波电压和电流，计算出α输出相和β输出相的基波有功功率，从而计算出同相供电设备消耗的有功功率，α输出相和β输出相的基波有功功率的计算公式如下：
式中：Re[ ]表示取计算结果的实部，
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE004
分别表示三相－两相变压器α输出相测到的基波电压和电流，
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE006
表示
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE008
的共轭，
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE010
分别表示β输出相测到的基波电压和电流，表示
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE014
的共轭，
Figure 2011100092480100001DEST_PATH_IMAGE016
分别表示α输出相和β输出相的基波有功功率。
9.根据权利要求7所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，还包括断路器失灵保护，其中，断路器失灵保护：当同相供电设备发生故障且断路器1QF或断路器2QF拒动时，微机保护装置检测到故障，通过断路器失灵保护跳开对应的变压器低压侧断路器，从而实现断路器失灵保护。
10.根据权利要求4～9中任一项所述的一种同相供电设备继电保护方法，其特征在于，还包括防止过电流保护误动，其中，防止过电流保护误动：当降压变压器G1或降压变压器G2产生励磁涌流时，微机保护装置检测到电流成分中二次谐波含量超过预设值，从而闭锁过电流保护防止误动。
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