CN103545790A - 适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统，它由交流采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、出口模件、监控MMI模件、电源模件组成。其主要功能包括：自耦变压器差动、自投及重合闸等相关保护功能，适用于采用并联自耦变压器(AT)供电方式的高速铁道牵引所，是一种高性能、简单可靠、方便维护的自耦变压器保护装置。

Description

适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电系统领域。尤其涉及高速铁路AT供电方式下的自耦变压器保护领域。该发明创造实现了牵引变电所自耦变压器的保护、测量及控制功能。

背景技术

铁路运输是我国目前最主要的交通运输方式，我国目前正在大规模地进行铁路建设，到2020年全国铁路营业里程达到10万公里。为满足国民经济的发展和人民生活水平的提高对铁路运输提出的新要求，高速、重载铁路已成为我国铁路发展的必然趋势。高速、重载铁路从牵引网取流大小和牵引网电压稳定等方面对铁路供电系统提出了更高的要求，自耦变压器供电方式即AT供电方式具有其它供电方式所不具备的技术性优势，成为适合于高速、重载等大电流机车运行的首选供电方式。全并联AT供电方式具有供电距离长、供电功率大、供电可靠性高及造价便宜等特点，广泛应用于高速铁路客运专线的运行。

由于AT供电方式的特殊性，使得整个牵引网的电路拓扑结构变得极其复杂。在AT自耦变压器产生故障时，牵引网内的电流分布及牵引网的测量阻抗将发生相应的变化，因此应尽量减少因自耦变压器的故障而给整个系统带来的危害。因此针对AT供电方式下的自耦变压器，极需开发一种实用性强且简洁高效的自耦变压器保护系统。

发明内容

针对现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统，其技术方案是：

一种适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统，提供了保护系统软硬件设计方案，实现自耦变压器保护系统的保护、测控、自动控制完整功能。所述系统硬件采用新型的32位双CPU的硬件平台街头，它由交流采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、出口模件、监控MMI模件、电源模件组成；所述系统软件采用实时多任务操作系统，实现了大容量、高精度的快速、实时信息处理。保护模块与其它模块完全分开，保护模块在硬件、软件上均具有独立性，各保护元件相互独立，可自由选择是否采用。

所述系统提供了以下技术方案：保护功能：AT变压器差动速断保护、差动保护、电流速断保护、过电流保护、外壳过电流保护、失压保护、失灵保护、AT自投功能、一次自动重合闸、故障再现等；

遥测、遥控、遥信功能：能实现母线电压、馈线电流、外壳电流、负荷录波、故障录波、故障报告、负荷统计、断路器分/合闸时间统计测量与记录；实现断路器分/合闸、电动隔离开关分/合闸、装置信号复归、保护及重合闸软压板投/退；实现“当地/远方”运行方式开关位置、断路器位置、隔离开关位置、断路器储能、控制回路断线、保护及重合闸压板位置、保护动作、系统异常呼唤、系统告警等信号采集；

系统能预设定8套定值，可实现远方或就地切换；具有在线自动检测功能，能发出系统异常信号并闭锁保护出口；具有网络对时和手动对时功能；在直流电源消失时，时钟、信号、定值、故障数据均不丢失；具有网络接口，可选用双绞线或光纤作为通信介质与变电站自动化系统配套使用，并可通过网络打印机实现当地打印；具有串行通信接口(RS-232C)，可与便携计算机通信，实现故障报告收集、故障再现、保护运行参数修改等功能；具有全汉化液晶显示屏及操作键盘，信息显示人性化，操作方便。

本发明的有益效果：本发明创造的自耦变压器保护系统通过上述功能及特点，实现对AT自耦变压器的保护，涵盖了差动、自投、重合闸等相关保护，其中自投及重合闸功能，保证了供电系统的连续性，简单可靠、维护方便，该技术方案已成功应用于高速电气化铁路的AT变压器保护中，创造良好的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例中自耦变压器保护系统的硬件图。

图2为本发明实施例中自耦变压器保护系统MMI板处理流程图。

图3为本发明实施例中自耦变压器保护系统CPU板处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明从软硬件方案及实现的功能原理进行描述。

1.软硬件方案：1）硬件方案：系统在总体设计时对各模块设计、程序执行、信号指示、通信实现等方面均充分考虑了抗干扰的要求，系统整体抗干扰能力较强，组屏或安装于开关柜上时，不需加装另外的抗干扰器件，硬件主要组成有：交流采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件；开出模件、出口模件、监控MMI模件、电源模件。

各模件关系如图1所示，图1为本发明实施例中自耦变压器保护系统的硬件图。各模件功能如下：交流采样模件提供多个电压输入和电流输入回路，分别供保护和测量用，交流量经变换后通过有源低通滤波、采样保持、多路转换送到保护模件；通信模件提供了以太网、CAN网、RS-485网和RS-232C等通信接口，通过网络可接入变电站自动化系统；保护CPU模件：该模件由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、和串行E²PROM构成。高性能的微处理器CPU(32位)，大容量的ROM(1Mbyte)、RAM(1Mbyte)使得该CPU具有极强的数据处理能力，可以实现各种复杂的故障处理功能，通过内部专用CAN网络和监控MMI面板高速通信，使各种事件都可得到快速响应；开入模件：模件提供了多路开入量，所有开入量进入系统后都通过光耦进行电气隔离；开出模件：模件提供了多路开出量，所有开出量都以继电器空接点形式输出；出口模件：该模件具有断路器操作及防跳功能，并提供保护动作信号及跳位、合位接点；监控MMI模件：该模件由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、串行EEPROM和硬件时钟构成，负责键盘处理、液晶显示、保护报文存储及和变电站自动化系统的通信等，1Mbyte容量的Flash Memory可记录含录波数据的故障报告及开入变位事件，这些信息在系统直流电源消失时不丢失；电源模件：提供多路稳压电源，给系统模件供电。

2）软件方案：如图2所示，图2为本发明实施例中自耦变压器保护系统MMI板处理流程图。主板软件实施方案：采用实时多任务操作系统为保护系统操作系统，系统软件组成有：系统初始化模块；采样中断及开入扫描模块；时间继电器模块；故障处理模块；开入处理模块；定值管理模块；面板通讯模块；系统自检模块。

如图3所示，图3为本发明实施例中自耦变压器保护系统CPU板处理流程图。MMI面板软件实施方案：采用实时多任务操作系统为保护系统面板操作系统，系统软件组成有：系统初始化模块；系统定时器模块；定值及时钟管理模块；站内网络通讯模块；串行口RS232/RS485通讯模块；面板通讯模块；面板监控模块；系统自检模块。

2.主要保护原理说明

1）差动速断保护

系统采集AT变压器上的T线电流

和F线电流

来设置差动保护。

差动电流为： $\mathrm{Icd}=|\stackrel{\·}{\mathrm{IT}}-\stackrel{\·}{\mathrm{IF}}|.$

差动速断的动作判据为：

注：ICDSD—差动速断整定值。

2）二次谐波制动的差动电流保护

当差动二次谐波电流Icd2＞KYL·ICD时，差动保护闭锁。

差动保护的动作判据为：

注：KYL—二次谐波制动系数整定值；ICD—差动整定值。

3）电流速断保护

该保护是为当AT变压器发生近端故障时保护系统快速出口而设，整定时要求躲过馈线最大负荷电流和AT变压器励磁涌流

4）过电流保护

该保护作为电流速断的后备保护，保护线路全长，整定时要求躲过馈线最大负荷电流。

5）外壳过电流保护

该保护作为差动速断保护的后备保护，保护AT变压器。

6）失压保护

装置设有失压保护，当线路失压时保护跳闸，可起动一次自动重合闸功能。

7）电流失灵保护

系统设有断路器失灵保护，当差动保护、差动速断保护、电流速断保护、过电流保护、外壳过电流保护或者失压保护出口，跳闸脉冲结束后，若断路器未成功分开，则可起动断路器失灵保护功能。

8）AT自投功能

当AT自投功能允许时，若本侧AT变压器发生故障，保护动作，分本侧断路器，如果本侧断路器跳开，则分本侧隔离开关，同时给出自投瞬动接点，启动对侧AT保护系统的自投功能。当对侧AT保护系统监测到外部自投启动开入动作，如果此时线路上电压大于线路有压定值，则合对侧隔离开关，开关合到位后再合对侧断路器。只有差动、过流、速断、外壳过流和非电量保护可设置为启动自投功能，而失压保护跳闸后不启动自投功能。

9）一次自动重合闸

系统设一次检有压自动重合闸功能。当系统失压动作后可启动一次自动重合闸功能，保证馈线发生瞬时性故障重合成功后AT变压器也能够重合成功，使保证供电系统恢复正常工作。只有失压保护有一次自动重合闸功能，而差动、过流、速断、外壳过流、非电量保护跳闸后不重合。

以上实施例只是对于本发明的部分功能进行描述，但实施例和附图并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (10)

1.一种适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统，其特征在于：它由交流采样模件、通信模件、保护CPU模件、开入模件、开出模件、出口模件、监控MMI模件、电源模件组成。

2.根据权利要求1所述的适用于牵引变电所的自耦变压器保护系统，其特征在于：所述交流采样模件，提供多个电压输入和电流输入回路，分别供保护和测量用，交流量经变换后通过有源低通滤波、采样保持、多路转换送到保护CPU模件；所述通信模件，提供了以太网、CAN网、RS-485网和RS-232C通信接口，通过网络可接入变电站自动化系统；所述保护CPU模件，由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、和串行E2PROM构成，通过内部专用CAN网络和监控MMI模件面板高速通信，使各种事件得到快速响应；所述开入模件，提供多路开入量，所有开入量进入系统后都通过光耦进行电气隔离；所述开出模件，提供多路开出量，所有开出量都以继电器空接点形式输出；所述出口模件，提供非电量保护输入接口和跳闸开出回路；所述监控MMI模件，由CPU、RAM、ROM、Flash Memory、串行EEPROM和硬件时钟构成，负责键盘处理、液晶显示、保护报文存储及和变电站自动化系统的通信；所述电源模件，提供多路稳压电源，给系统模件供电。

3.一种适用于牵引变电所的自耦变压器保护装置的实现方法，其特征在于：

步骤1，保护步骤：AT变压器差动速断保护、差动保护、电流速断保护、过电流保护、外壳过电流保护、失压保护、电流失灵保护、AT自投功能、一次自动重合闸、故障再现；

步骤2，遥测、遥控、遥信步骤：实现母线电压、馈线电流、外壳电流、负荷录波、故障录波、故障报告、负荷统计、断路器分/合闸时间统计测量与记录；实现断路器分/合闸、电动隔离开关分/合闸、装置信号复归、保护及重合闸软压板投/退；实现“当地/远方”运行方式开关位置、断路器位置、隔离开关位置、断路器储能、控制回路断线、保护及重合闸压板位置、保护动作、装置异常呼唤、装置告警信号采集；

步骤3，预设定8套定值，实现远方或就地切换；在线自动检测，发出装置异常信号并闭锁保护出口；网络对时和手动对时；在直流电源消失时，时钟、信号、定值、故障数据均不丢失；网络接口(以太网、CAN网、RS-485网)，选用双绞线或光纤作为通信介质与变电站自动化系统配套使用，并通过网络打印机实现当地打印；串行通信接口(RS-232C)，与便携计算机通信，实现故障报告收集、故障再现、保护运行参数修改；全汉化液晶显示屏及操作键盘，信息显示人性化，操作方便；

步骤4，断路器失灵保护，当差动保护、差动速断保护、电流速断保护、过电流保护、外壳过电流保护或者失压保护出口，跳闸脉冲结束后，若断路器未成功分开，则可起动断路器失灵保护功能；

步骤5，AT自投：当AT自投功能允许时，若本侧AT变压器发生故障，保护动作，分本侧断路器，如果本侧断路器跳开，则分本侧隔离开关，同时给出自投瞬动接点，启动对侧AT保护装置的自投；当对侧AT保护装置监测到外部自投启动开入动作，如果此时线路上电压大于线路有压定值，则合对侧隔离开关，开关合到位后再合对侧断路器；只有差动、过流、速断、外壳过流和非电量保护可设置为启动自投功能，而失压保护跳闸后不启动自投；

步骤6，一次检有压自动重合闸：当失压动作后可启动一次自动重合闸，馈线发生瞬时性故障重合成功后AT变压器能够重合成功，使供电系统恢复正常工作。

4.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于，所述差动速断保护：

装置采集AT变压器上的T线电流和F线电流

，来设置差动保护；

差动电流为： $\mathrm{Icd}=|\stackrel{\·}{\mathrm{IT}}-\stackrel{\·}{\mathrm{IF}}|;$

差动速断的动作判据为：

其中ICDSD为差动速断整定值。

5.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述差动保护为二次谐波制动的差动电流保护；

当差动二次谐波电流Icd2＞KYL·ICD时，差动保护闭锁；

差动保护的动作判据为：

其中KYL为二次谐波制动系数整定值；ICD为差动整定值。

6.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述电流速断保护为当AT变压器发生近端故障时保护装置快速出口而设，整定时要求躲过馈线最大负荷电流和AT变压器励磁涌流。

7.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述过电流保护为电流速断的后备保护，保护线路全长，整定时要求躲过馈线最大负荷电流；

所述外壳过电流保护为差动速断保护的后备保护，保护AT变压器。

8.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述失压保护，当线路失压时保护跳闸，可起动一次自动重合闸功能。

9.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述电流失灵保护，当差动保护、差动速断保护、电流速断保护、过电流保护、外壳过电流保护或者失压保护出口，跳闸脉冲结束后，若断路器未成功分开，则可起动断路器失灵保护功能。

10.根据权利要求3所述的实现方法，其特征在于：

所述AT自投功能，当AT自投功能允许时，若本侧AT变压器发生故障，保护动作，分本侧断路器，如果本侧断路器跳开，则分本侧隔离开关，同时给出自投瞬动接点，启动对侧AT保护装置的自投功能；当对侧AT保护装置监测到外部自投启动开入动作，如果此时线路上电压大于线路有压定值，则合对侧隔离开关，开关合到位后再合对侧断路器；只有差动、过流、速断、外壳过流和非电量保护可设置为启动自投功能，而失压保护跳闸后不启动自投功能；

所述一次自动重合闸，当装置失压动作后可启动一次自动重合闸，保证馈线发生瞬时性故障重合成功后AT变压器也能够重合成功，使保证供电系统恢复正常工作；只有失压保护有一次自动重合闸功能，而差动、过流、速断、外壳过流、非电量保护跳闸后不重合。

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