CN102393496B - 一种牵引变电所交流回路异常检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型的牵引变电所交流回路异常检测方法，利用电学视在功率守恒原理，切实、可靠地解决了现有牵引设备电压、电流回路异常检测技术的不足问题，主要包含了空载判电压异常情况及有载判视在功率S异常情况，是一种简单、方便、适用性强交流回路异常检测方法，有效解决了牵引供电系统目前影响最大的高压保险熔断引发越级跳闸问题，确保了牵引供电设备安全可靠。在目前电气化铁路里程日益增多的背景下，本发明必将创造良好的经济效益。

Description

一种牵引变电所交流回路异常检测方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电系统领域，该发明创造有效地实现了牵引变电所电流、电压回路异常检测功能。 

背景技术

随着我国《中长期铁路网规划》的实施,特别是在全球金融危机的背景下,我国又追加了2万亿元用于铁路建设,我国的铁路建设迎来了新一轮高峰,为保证供电系统的安全,在技术上要上一个大的台阶，铁路的安全运行离不开牵引供电系统的保护。而长期以来，牵引变电所保护电压、电流回路工作状态异常导致设备跳闸的情况突出，特别是27.5KV高压保险熔断故障引发母线断路器越级跳闸的现象较为普遍，使牵引供电的可靠性降低，对铁路安全运输秩序造成干扰。由于牵引供电保护在检测方法上一直沿用传统模式，虽然设备发展到了综合自动化水平，但对此类越级调整问题仍不能很好解决。 

牵引保护进行逻辑运算的电流、电压参数是牵引变电所整个保护系统电量保护的基础数据，是准确切除变电所、接触网、部分机车设备电气故障的基本要素。因此，及时发现牵引变电所电流、电压回路工作状态的异常现象，尤其是保护回路的异常，是牵引变电所运行工作中一项重要任务。 

但是，从铁路牵引变电所目前的设备装备及设备技术条件看，流互回路的运行监控，仅局限于人工监视及仪表显示数据，采取人为设定越上限告警值，将实际采样电流值与定值进行比较，越上限时给出告警信号方式；对电压回路的监控，则是采取对电压值设置越限门槛值进行判断，将采样电压值和整定值比较，越限时告警的方式。由于判断方法单一，实际运行中存在以下问题： 

牵引变电所的110KV和27.5KV侧低压启动过流保护，其闭锁电压基本取自27.5KV压互。但从27.5KV电压回路高压保险熔断故障现象看，由于残压较高（甚至可达26KVA），无法在故障初期进行判断、处理，导致重载情况下母线断路器低压启动过流保护越级误跳闸，直接影响行车。在实际运行中，部分牵引变电所虽然采取了双压互自动切换回路的补救方案。但由于切换继电器返回电压值低，与高压保险熔断初期残压高的原因类同，实际运用中也不能达到故障状态下自动切换的要求，导致越级跳闸隐患不能消除。本问题在全国范围内的牵引变电所均长期存在，严重干扰了铁路运输秩序。

由于110KV、27.5KV电流保护回路均无告警设置，当回路出现异常时，无法及时确认。实际运行中值班员仅通过仪表显示电流值或流互发出啸叫声对电流回路异常进行判断，判断方法较为主观，准确性较差；另有部分综自化牵引变电所对110KV侧三相电流增设了“CT回路异常告警”信号，判断依据为：当任一相中有差流，但某一相仅有一侧电流突变且电流减少至原先的二分之一以下时判为CT断线。但对于电流回路的断线开路、接触不良导致严重发热等故障，还是没有科学而准确的检测途径，设备监控手段弱化，导致失控。 

因牵引负荷随机车移动而变化，稳定性差，仅仅通过仪表显示和人为观察来判断电流异常，其准确率极为低下。实际运行中，当故障现象发展到音响异常时，实际回路中的大电流状态维持已达一定时间，可能导致流互开路后的高电压烧损一、二次电气设备故障，潜在保护误动、拒动的危险。 

由此，从目前牵引变电所的监测手段看，实际运行中对电压回路高压保险熔断、接触不良和电流回路常见的断线、接触不良等故障的监控极端薄弱，严重干扰铁路运输秩序。因此，为从根本上解决此类问题，确保牵引供电设备安全可靠。针对牵引变电所而专门开发的一种更简洁、高效的电流、电压回路异常监测技术势在必行。 

发明内容

为了概括本发明的目的，在这里描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。 

针对现有技术中存在的问题，为了弥补牵引变电所电流、电压回路异常现有监测技术的不足，本发明公开了一种基于视在功率的交流回路异常实现方案。 

基础判断思路：牵引变电所运行过程中，电压、电流两个参量既相互关联又相互影响。如馈线电流、电压：线路空载时，额定空载电压为27.5KV，电流为“0”。随着电流的增大，电压趋于降低，两者互相关联。但是，其变化比率因供电系统容量不同而存在较大差异。以昆明铁路局管内牵引变电所为例，对850A～900A范围内的负荷电流，电压变化范围涵盖了19.03～26.83KV。由此看出，由于数据的离散性，单独考虑电流变化了多少、电压变化了多少，判断必将出现偏差。因此，必须从两者的关联性角度进行考虑。而直接由两者关联而成，且不受其它额外参数干扰的电量就只有视在功率S。所以，基于视在功率角度，申请人考虑对电压、电流回路的工作状态进行监测。 

从电学上进一步思考牵引供电设备的运行特点，功率的传递和消耗（包括有功、无功部份）是其最主要特征。对牵引变电所的核心设备――主变压器而言，其最基本的电学原理是功率传递（除铁芯涡流、铜损等极少部份损失外），即110KV侧的视在功率近似等于27.5KV侧的视在功率。所以，利用这一特点，将回路电压、电流联系起来考虑，计算公式如下： 

S₁₁₀≈S_27.5

而现有综自保护往往通过基于傅式算法的功率测量原理计算实时数据P、Q。这样，通过P、Q可方便的实现S的计算：

即：

  

其中：h为基波及谐波次数1、2、3……

、、分别为第h次谐波电压矢量的实部、虚部；

、分别为第h次谐波电流矢量的实部 、虚部

、 分别为第h次谐波电压和同次谐波电流产生的有功、无功功率。

再利用公式S²＝P²+Q²，即可得到视在功率数值。 

在此基础上，可进一步做如下判断： 

a)当有负载电流的情况下，若满足S110≈S27.5，则说明110KV电流、电压回路，相关27.5KV电流、电压回路均正常。否则，可视为有问题出现，可预告警。

b)当有负载电流的情况下，若出现S110<S27.5，则说明110KV侧电流、电压回路出现异常。 

c)当有负载电流的情况下，若出现S110> S27.5，则说明27.5KV侧电流、电压回路出现异常。 

d)空载情况下，无大电流拉低电压的问题。此时，可对电压回路的异常直接进行判断，但对电流回路则暂不能进行判断。 

综上所述，利用视在功率，可以对电流、电压进行关联判断。 

灵敏度分析：理论上，牵引变电所主变具备视在功率传递功能，但实际应用中，由于涡流、磁场、铜损等的存在，视在功率100％的传递是一种理想状态。所以，上述条件中的S110≈S27.5、S110<S27.5和S110> S27.5的差异量，直接决定了本思路的实际可行性。因此，申请人对这种判断思路的可行性进行分析。 

从牵引变电所变压器看，单线牵引变压器的容量一般在25000KVA左右，复线上可达40000KVA左右。从机车取流进行分析，以SS3B（额定功率为9600KW）机车为例，一列机车的启动电流按270×1.75约473A计算，额定运行电流按436A计算，则在额定运行状态下，若发生高压保险熔断等故障，电压每下降1KV，则视在功率损失差额约450KVA左右。以经验值考虑，电压仅仅下降2KV时，视在功率损失可达900KVA左右，可达变压器总容量的3.6％到2.3％，具有较高的精度。而在线路过负荷的情况下（以现在的整定值设置而言，过负荷电流最小都在900A以上），其差额最小将达1800KVA，占变压器总容量的7.2％～4.5％，灵敏度进一步增大。所以，实际应用中，当高压保险熔断故障发生时，用视在功率差额进行判断，恰恰是负荷越大，判据的差值越大，判断的灵敏度、准确度越高。因此，这一特征与申请人想解决问题的要素相契合。所以说，原则上，这种办法是可行的。 

本发明的技术方案为：一种牵引变电所交流回路异常检测方法，包括以下步骤： 

步骤一、监测变压器高压侧各项电压、电流，以及计算主变高压侧视在功率、主变低压侧视在功率；

步骤二、基于视在功率基础上，对电压、电流回路的工作状态做出判断：

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率近似等于主变低压侧视在功率，则变压器高低压测电流、电压回路均正常；否则，视为有问题出现，可预告警；

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率小于主变低压侧视在功率，则变压器高压测电流、电压回路出现异常；

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率大于主变低压侧视在功率，则变压器低压测电流、电压回路出现异常；

当空载情况下，可对电压回路的异常直接进行判断，但对电流回路则不作判断。

上述的牵引变电所交流回路异常检测方法，其进一步特征在于： 

步骤一中，监测变压器高压侧各项电压UA、UB、UC和变压器高压侧各项电流IA、IB、IC，变压器低压侧各项电压Ua、Ub和变压器低压侧各项电流Ia、Ib，以及计算主变高压侧视在功率SG、主变低压侧视在功率SL。

步骤二中， 

子步骤a：若SG≈SL状态下，判断Ua、Ub和Ia、Ib：

步骤a-1，两相空载：Ia＝Ib＝0，循环监测数据，若Ua或Ub小于低压侧空载异常电压定值，则对应报a或b相电压回路异常告警，置异常标志；对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤a-2，若Ia≠0、Ib≠0，a、b相回路均置正常标记；

步骤a-3，若Ia、Ib一相有流、一相无流，则有流相正常，无流相监测电压；若电压大于低压侧空载异常电压定值，则正常，否则，清正常标志；对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

子步骤b：若SG<SL状态下，判断UA、UB、UC：

步骤b-1，若三相电压正常，则高压侧电流回路异常告警；

步骤b-2，若三相电压有异常低的，则高压侧电压回路异常告警；

子步骤c：若SG> SL状态下：

步骤c-1，两相空载：若Ua或Ub小于低压侧空载异常电压定值，则对应报a或b相电压回路异常告警，置异常标志；对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤c-2，若 Ia、Ib一相有流、一相无流，则无流相检测电压；若电压大于26KV则正常，否则，清正常标。若无流相正常，则有流相清正常标志，该相电压回路异常告警，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤c-3，若Ia≠0、Ib≠0，低压侧高压保险熔断告警，监测两相电流；任何一相大于低压启动过流整定值，闭锁对应母线断路器出口。同时，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸。

本发明的有益效果：由上述分析得出，通过功率传递判据的角度编制软件，可形成一套独立检测工作的装置，也可耦合于既有保护装置中。该装置具备在110KV侧二次保险熔断、接触不良或电流回路开路、接触不良的情况下进行告警的功能，对27.5KV侧，在27.5KV高压保险熔断或回路接触不良的情况下进行告警和判断相别，以便可靠地配合既有牵引所保护功能从而有效地闭锁跳闸出口，防止重载情况下保护误动，从根本上解决了27.5KV高压保险熔断情况下的越级动作问题，检修人员也有足够的时间处理设备缺陷，保证供电可靠。 

本发明创造的一种新型的牵引变电所交流回路异常检测方法，利用牵引所高低压侧视在功率平衡或失衡异常原理，有效解决了牵引供电系统目前影响最大的高压保险熔断引发越级跳闸问题。由该技术方案产生的交流回路异常监控装置已经成功应用于昆明供电段部分牵引变电所中，切实而可靠，在电气化铁路高速发展的大好形式下，随着应用推广必将创造更好的的经济效益。 

附图说明

图1：本发明的牵引变电所典型主接线图。 

图2：本发明的高压侧交流回路异常判断流程图。 

图3：本发明的低压侧a、b相交流回路异常判断流程图。 

图2及图3中牵引变电站高低压侧交流回路异常告警流程图符号说明：SG、SL、Sdz分别为高低压侧视在功率及交流回路异常S定值；HWJa、HWJb、HWJG分别为a、b相及高压侧断路器位置；UKZH、UKZL分别为高低压侧空载异常电压定值；JLYCGU、JLYCGI：分别为高压侧电压回路异常标志、高压侧电流回路异常；JLYCa、JLYCb、JLYCL：分别为a相交流异常呼唤标志、b相交流异常呼唤标志、低压侧交流异常呼唤标志；Iyl为有流电流定值。 

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细阐述。 

如图1所示，本发明的牵引变电所典型主接线图。本发明就是基于视在功率的交流回路异常实现方案。 

牵引所变压器正常运行情况下，高低压侧视在功率基本保持平衡，但在交流回路异常情况下视在功率平衡关系将被打破，当压互测量降到主变保护的低电压启动过电流值，容易引起低电压启动过电流误动作，所以势必要对交流回路状态有效地做出检测以闭锁或开放相关保护节点。 

交流回路异常相关异常报警事件标志有： 

a)高压侧电压回路异常；

b)高压侧电流回路异常；

c)低压侧交流回路异常；

d)a相交流回路异常；

e)b相交流回路异常。

对于高低压侧交流回路异常告警，分为两种情况，即空载判电压异常情况及有载判视在功率S异常情况：如图2所示，本发明的高压侧交流回路异常判断流程图；图3为本发明的低压侧a、b相交流回路异常判断流程图。图2及图3中牵引变电站高低压侧交流回路异常告警流程图符号说明：SG、SL、Sdz分别为高低压侧视在功率及交流回路异常S定值；HWJa、HWJb、HWJG分别为a、b相及高压侧断路器位置；UKZH、UKZL分别为高低压侧空载异常电压定值；JLYCGU、JLYCGI：分别为高压侧电压回路异常标志、高压侧电流回路异常；JLYCa、JLYCb、JLYCL：分别为a相交流异常呼唤标志、b相交流异常呼唤标志、低压侧交流异常呼唤标志；Iyl为有流电流定值。 

空载相异常检测： 

当高压侧、及低压侧a、b相断路器在分闸位置时候清除相关回路所有交流异常标志；而在断路器位置为合闸位置的情况下，首先是对高压侧、及低压侧a、b相空载时通过检测电压异常来判断交流回路异常，此种情况只在本相交流回路异常标志为0时才进行空载检测，如果本相异常标志在有流时已被判为异常即已被置位，则不再对本相进行空载判压检测，换言之，断路器在合闸位置时空载检测只置标志，不清除标志，清除标志只在本相有流且平衡态时才予以清除。

各符号的意义 

IA、IB、IC、Ia、Ib、分别为变压器高、低压侧各相电流的基波电流；

UAB、UBC、UCA、Ua、Ub分别为变压器高、低压侧各相电压；

SG：主变高压侧视在功率；

Sa、Sb、SL：分别为主变低压侧a相、b相及总的视在功率

ΔS=| |：高低压侧实在功率差值的绝对值； 

TS：交流回路异常告警延时定值。

空载时“高压侧电压回路异常”告警： 

a)交流回路异常检测投入且高压侧异常情况未被检出；

b)高压侧断路器在合位置；

c)高压侧空载即IA、IB、IC都小于线路有流电流定值，同时电压UAB、UBC、UCA、Ua、Ub至少一相大于线路有压电压定值；

d)电压UAB、UBC、UCA至少一相小于空载异常电压定值。

 空载时“a相交流回路异常”告警： 

a)交流回路异常检测投入且a相异常情况未被检出；

b)a相断路器在合位置；

c)a相空载即Ia小于线路有流电流定值，同时电压UAB、UBC、UCA、Ua、Ub至少一相大于线路有压电压定值；

d)电压Ua小于空载异常电压定值。

 空载时“b相交流回路异常”告警： 

a)交流回路异常检测投入且b相异常情况未被检出；

b)b相断路器在合位置；

c)b相空载即Ib小于线路有流电流定值，同时电压UAB、UBC、UCA、Ua、Ub至少一相大于线路有压电压定值；

d)电压Ub小于空载异常电压定值。

有载判视在功率S异常检测：即是对高压侧、及低压侧a、b相有载时通过检测高低压侧视在功率S常来判断交流回路异常。 

 平衡态： 

ΔS<Sdz,则认为高低压侧视在功率为正常平衡状态，有流平衡情况清除异常标志，无流空载情况按照上述判断检测：

a)高压侧有载即IA、IB、IC至少一相大于有流定值：则清除“高压侧电压回路异常”、 “高压侧电流回路异常”；

b)a相断路器有载即Ia>IYL：则清“a相交流回路异常”标志；同时清除“低压侧交流回路异常”标志；

c)b相断路器有载即Ib>IYL：则清b相交流回路异常标志；同时清除“低压侧交流回路异常”标志；

对于高低压侧平衡态的无流空载情况，按照前述空载时高低压侧交流回路异常告警条件判断处理是否异常。

 高压侧失衡态： 

ΔS>Sdz,且SG<SL,则认为高压侧交流回路异常：

高压侧断路器在合闸位置:高低压侧至少一相有压，同时高压侧UAB、UBC、UCA至少一相小于空载异常电压定值：则置“高压侧电压回路异常”标志；否则置“高压侧电流回路异常”标志。

 低压侧失衡态：ΔS>Sdz,且SG>SL, 则认为低压侧交流回路异常,分以下三种情况： 

a)b相都有载：即Ia>IYL，同时Ib>IYL：则同时置“低压侧交流回路异常”、 “a相交流回路异常”和 “b相交流回路异常”标志；

b)仅a相有载, 即Ia>IYL：则置a相交流回路异常标志；

c)仅b相有载, 即Ib>IYL：则置b相交流回路异常标志。

 对于以上后两种中的一相有流另一相无流空载情况，按照前述空载时“a/b相交流回路异常”告警条件判断处理a/b相是否异常。 

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但具体实施例和附图并不是用来限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。 

Claims (5)

1.一种牵引变电所交流回路异常检测方法，包括以下步骤：

步骤一、监测变压器高压侧各相电压、电流，以及计算主变高压侧视在功率、主变低压侧视在功率；

步骤二、基于视在功率基础上，对电压、电流回路的工作状态做出判断：

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率近似等于主变低压侧视在功率，则变压器高、低压侧电流、电压回路均正常；否则，视为有问题出现，可预告警；所述近似等于是指主变高、低压侧视在功率差值的绝对值小于交流回路异常S定值；

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率小于主变低压侧视在功率，则变压器高压测电流、电压回路出现异常；

当有负载电流的情况下，若主变高压侧视在功率大于主变低压侧视在功率，则变压器低压测电流、电压回路出现异常；

当空载情况下，可对电压回路的异常直接进行判断，但对电流回路则不作判断。

2.根据权利要求1所述的牵引变电所交流回路异常检测方法，其特征在于：

步骤一中，监测变压器高压侧各相电压UA、UB、UC和变压器高压侧各相电流IA、IB、IC，变压器低压侧各相电压Ua、Ub和变压器低压侧各相电流Ia、Ib，以及计算主变高压侧视在功率SG、主变低压侧视在功率SL。

3.根据权利要求2所述的牵引变电所交流回路异常检测方法，其特征在于：

步骤二中，

子步骤a：若SG≈SL状态下，判断Ua、Ub和Ia、Ib：

步骤a-1，两相空载：Ia＝Ib＝0，循环监测数据，若Ua或Ub小于低压侧空载异常电压定值，则对应报a或b相电压回路异常告警，置异常标志；

步骤a-2，若Ia≠0、Ib≠0，a、b相回路均置正常标记；

步骤a-3，若Ia、Ib一相有流、一相无流，则有流相正常，无流相监测电压；

子步骤b：若SG<SL状态下，判断UA、UB、UC：

步骤b-1，若三相电压正常，则高压侧电流回路异常告警；

步骤b-2，若三相电压有异常低的，则高压侧电压回路异常告警；

子步骤c：若SG> SL状态下：

步骤c-1，两相空载：若Ua或Ub小于低压侧空载异常电压定值，则对应报a或b相电压回路异常告警，置异常标志；

步骤c-2，若 Ia、Ib一相有流、一相无流，则无流相检测电压；

步骤c-3，若Ia≠0、Ib≠0，低压侧高压保险熔断告警，监测两相电流。

4.根据权利要求3所述的牵引变电所交流回路异常检测方法，其特征在于：

步骤a-1中，对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤a-3中，若电压大于低压侧空载异常电压定值，则正常，否则，清正常标志；对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸。

5.根据权利要求3所述的牵引变电所交流回路异常检测方法，其特征在于：

步骤c-1中，对标志异常相，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤c-2中，若电压大于26KV则正常，否则，清正常标；若无流相正常，则有流相清正常标志，该相电压回路异常告警，闭锁对应母线断路器出口，同时对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸；

步骤c-3中，任何一相大于低压启动过流整定值，闭锁对应母线断路器出口；同时，对该相启动一套过流保护，若检测到电流大于馈线过流保护整定值，则延时出口跳闸。