CN103715671B - 一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法：是由分散分布在变电所、AT所、分区所的电流保护元件和通信网络实现的，每个电流保护元件可以通过通信网络向同一供电臂上的其它电流保护元件发送或接收联跳命令，实现故障供电臂的快速隔离。当变电所与AT所之间故障时，变电所电流保护元件采用电流比判据和过电流判据识别故障线路，AT所电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当AT所与分区所之间故障时，AT所电流保护元件和分区所电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当任一电流保护元件检出故障后，跳开所内故障供电臂的断路器，并向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，其它电流保护元件接收到命令后跳开对应断路器，实现故障供电臂的快速隔离，不会影响并联的另一供电臂的供电。

Description

一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法

技术领域

本发明属于高速电气化铁路牵引供电系统领域，该发明创造涉及采用全并联自耦变压器(AT)供电方式的电气化铁路牵引网的保护。

背景技术

为适应高速动车组对供电能力的需求，我国高速铁路均为全并联AT供电方式。但与普速铁路相比，全并联AT供电方式下的牵引网结构更加复杂，故障类型更多，对继电保护的要求更高。但是，牵引负荷具有移动性、冲击性等特点，牵引网结构和供电方式也与电力系统有很大区别，电力系统中的方法，如故障分量法、模型识别法、综合阻抗法、行波差动原理等并不能适用于高速铁路。

目前，我国高速铁路牵引网保护方法的故障隔离过程是当上行或下行供电臂发生故障时，首先由变电所跳开两条供电臂，再根据失压判据和重合闸实现并联解列和故障隔离，但是存在以下问题：

问题1、现有的保护方法只考虑变电所处测量阻抗和电流的大小，当AT所与分区所之间发生故障时无法判断故障发生在上行供电臂还是下行供电臂，所以当任意位置发生故障时，变电所都会将两条供电臂跳开，停电范围大，无法满足保护的选择性。

问题2、由于需要通过变电所、AT所和分区所重合闸的配合动作实现故障隔离，恢复供电所需时间较长。

问题3、由于高速动车组负荷电流大，现有的保护方法要按照躲过变电所处的最大负荷电流整定，整定值大，导致无法识别末端高阻故障。

我国高速铁路运营里程已位居世界第一。因此，研究一种适用于我国全并联AT供电方式的高速铁路牵引网快速保护方法，满足故障隔离和供电恢复的选择性和速动性，无疑具有很高的应用价值和经济效益，并具有相当广阔的市场前景。

发明内容

鉴于现有方法的以上缺点，本发明的目的是，提供一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法，适用于我国高速铁路中全并联AT牵引网，能够满足保护的选择性和速动性。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法，其特征在于:由分散分布在变电所、AT所、分区所的电流保护元件和通信网络构成,任一电流保护元件检出故障后跳开所内断路器，并通过通信网络向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，实现故障供电臂的快速隔离;

当变电所与ＡＴ所之间发生故障时，位于变电所的电流保护元件采用电流比判据和过电流判据识别故障线路，位于AT所的电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当任一电流保护元件检出故障后，跳开所内故障供电臂的断路器，并向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，其它电流保护元件接收到命令后跳开对应断路器，实现故障供电臂的快速隔离，不会影响并联的另一供电臂的供电;

当AT所和分区所之间发生故障时，AT所和分区所电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当任一电流保护元件检出故障后，跳开所内故障供电臂的断路器，并向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，其它电流保护元件接收到命令后跳开对应断路器，实现故障供电臂的快速隔离，不会影响并联的另一供电臂的供电。

联跳命令的通信可采用但不限于光纤以太网技术实现。

电流保护元件为一个相对独立的可完成判据识别的功能单元，同一个所（变电所、AT所、分区所）的2个电流保护元件可以在同一个物理装置上实现，也可以分布在不同的物理装置上实现。

与现有方法相比，本发明方法的有益效果是：

1）充分利用近故障点的电流信息，快速准确识别故障供电臂。当故障点靠近变电所时，变电所的电流比判据最能反映故障供电臂；当故障点靠近AT所时，AT所的方向过电流判据最能反映故障供电臂；当故障点靠近分区所时，分区所的方向过电流判据最能反映故障供电臂；本发明方法充分利用最靠近故障点的电流信息，实现故障供电臂的快速准确识别，防止误判；

2）停电范围小，不影响并联的另一供电臂。本发明方法能够准确识别故障供电臂，并通过联跳命令仅跳开故障供电臂的变电所、AT所、分区所开关，实现了停电范围最小，另一供电臂的列车可以继续正常行驶；

3）提高了保护灵敏度，能够准确识别供电臂末端高阻故障。本发明方法利用AT所和分区所电流识别故障，定值小，灵敏度高，解决了供电臂末端高阻故障时的拒动问题。

附图说明

图1是本发明实施例的高速铁路变电所与AT所之间发生短路故障时供电臂电流示意图。

图2是本发明实施例的高速铁路AT所与分区所之间发生短路故障时供电臂电流示意图。

图3-8分别是电流保护元件1-6的原理框图。

图9是本发明实施例的高速铁路牵引网保护方法示意图。

图10是本发明所述的电流保护元件实施例的微机式继电保护装置构成示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施对本发明作进一步描述。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。

当变电所和AT所之间发生短路故障时，在故障区段，上下行的T₁与T₂、F₁与F₂、R₁与R₂分别形成了回路，可以得到3个回路电压方程：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{T1}{Z}_{T}X-{\stackrel{\·}{I}}_{T3}{Z}_T(D-X)-{\stackrel{\·}{I}}_{T2}{Z}_{T}D+{\stackrel{\·}{I}}_{R1}{Z}_{\mathrm{TR}}X\\ -{\stackrel{\·}{I}}_{R3}{Z}_{\mathrm{TR}}(D-X)+{\stackrel{\·}{I}}_{F1}{Z}_{\mathrm{TF}}D-{\stackrel{\·}{I}}_{R2}{Z}_{\mathrm{TR}}D-{\stackrel{\·}{I}}_{F2}{Z}_{\mathrm{TF}}D=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{R1}{Z}_{R}X-{\stackrel{\·}{I}}_{R3}{Z}_R(D-X)-{\stackrel{\·}{I}}_{R2}{Z}_{R}D+{\stackrel{\·}{I}}_{T1}{Z}_{\mathrm{TR}}X\\ -{\stackrel{\·}{I}}_{T3}{Z}_{\mathrm{TR}}(D-X)+{\stackrel{\·}{I}}_{F1}{Z}_{\mathrm{FR}}D-{\stackrel{\·}{I}}_{T2}{Z}_{\mathrm{TR}}D-{\stackrel{\·}{I}}_{F2}{Z}_{\mathrm{FR}}D=0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F1}{Z}_{F}D-{\stackrel{\·}{I}}_{F2}{Z}_{F}D+{\stackrel{\·}{I}}_{T1}{Z}_{\mathrm{TF}}X-{\stackrel{\·}{I}}_{T3}{Z}_{\mathrm{TF}}(D-X)\\ +{\stackrel{\·}{I}}_{R1}{Z}_{\mathrm{FR}}X-{\stackrel{\·}{I}}_{R3}{Z}_{\mathrm{FR}}(D-X)-{\stackrel{\·}{I}}_{T2}{Z}_{\mathrm{TF}}D-{\stackrel{\·}{I}}_{R2}{Z}_{\mathrm{FR}}D=0\end{array}\right.$ (式1)

式中，D为变电所至AT所距离；X为故障点至变电所距离；Z_T、Z_R、Z_F分别为T线、钢轨和F线的自阻抗；Z_TR、Z_FR、Z_TF分别为三者的互阻抗。

由基尔霍夫定律有：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{R4}=-{\stackrel{\·}{I}}_{R2}={\stackrel{\·}{I}}_0\\ {\stackrel{\·}{I}}_{R3}=-({\stackrel{\·}{I}}_0+{\stackrel{\·}{I}}_g)\\ {\stackrel{\·}{I}}_{R1}=-\stackrel{\·}{I}+{\stackrel{\·}{I}}_0+{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T3}=\stackrel{\·}{I}-{\stackrel{\·}{I}}_{T2}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F1}=-{\stackrel{\·}{I}}_{F3}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F4}=-{\stackrel{\·}{I}}_{F2}\end{array}\right.$ (式2)

式中，为AT所自耦变压器的吸上电流；为短路点电流；为下行线路的钢轨电流。

对于AT所的自耦变压器有:

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{T3}+{\stackrel{\·}{I}}_{T4}=\frac{1}{2}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F3}+{\stackrel{\·}{I}}_{F4}=\frac{1}{2}{\stackrel{\·}{I}}_g\end{array}\right.$ (式3)

联立式1-3，可得

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{T1}=\frac{2D-X}{2D}\stackrel{\·}{I}-\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T3}=\stackrel{\·}{I}-{\stackrel{\·}{I}}_{T1}=\frac{X}{2D}\stackrel{\·}{I}+\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T2}=\frac{X}{2D}\stackrel{\·}{I}-\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{T4}=-\frac{X}{2D}\stackrel{\·}{I}+\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F1}={\stackrel{\·}{I}}_{F2}=-\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\\ {\stackrel{\·}{I}}_{F3}={\stackrel{\·}{I}}_{F4}=\frac{1}{4}{\stackrel{\·}{I}}_g\end{array}\right.$ (式4)

所以，变电所和AT所的电流保护元件1-4测得的短路电流值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{2D-X}{2D}\stackrel{\·}{I}\\ {\stackrel{\·}{I}}_2={\stackrel{\·}{I}}_3=-{\stackrel{\·}{I}}_4=\frac{X}{2D}\stackrel{\·}{I}\end{array}\right.$ (式5)

式中，为短路电流值。

同理，当AT所和分区所之间发生短路故障时，电流保护元件1-6测得的短路电流值分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{2}\stackrel{\·}{I}\\ {\stackrel{\·}{I}}_3=-{\stackrel{\·}{I}}_4=\frac{D^{\text{'}}-X^{\text{'}}}{{2D}^{\text{'}}}\stackrel{\·}{I}\\ {\stackrel{\·}{I}}_5=-{\stackrel{\·}{I}}_6=\frac{X^{\text{'}}}{{2D}^{\text{'}}}\stackrel{\·}{I}\end{array}\right.$ (式6)

式中，D′为AT所至分区所距离；X′为故障点至AT所距离。

附图3和4分别给出了电流保护元件1和2的原理框图，图中的各个整定值参数计算依据和计算公式说明如下。

由式5可以看到变电所上下行电流比满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}{k}_1=\frac{I_1}{I_1+I_2}=\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|+\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2\right|}=\frac{D-X}{2D}>\frac{1}{2}\\ k_2=\frac{I_2}{I_1+I_2}=\frac{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2\right|}{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_1\right|+\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_2\right|}=\frac{X}{2D}<\frac{1}{2}\end{array}\right.$ (式7)

式中，k₁，k₂分别为电流保护元件1和电流保护元件2测得的上下行电流比，表示电流保护元件1－6测得的电流有效值的绝对值。

为了区分故障发生在上行线路还是下行线路，可以得到以下判据：

k_i＞k_set.ss＝k_rel×0.5(式8)

式中，k_i为变电所电流保护元件1或2测得的电流比；k_set.ss为电流比整定值；k_rel为可靠系数，考虑互感器误差等因素，一般取1.2。

上下行电流比仅反映电流分配关系，当供电臂有动车组运行时，式8也将满足。为避免变电所保护在负荷时误动，还需躲过最大负荷电流，即：

I_i＞I_set.ss＝K_relI_fmax.ss(式9)

其中，I_i为变电所电流保护元件1或2测得的短路电流；k_rel为可靠系数，一般取1.2；I_fmax.ss为供电臂正常运行时最大负荷电流。式8和式9同时满足则变电所的相应电流保护元件跳闸。

附图5和6分别给出了电流保护元件3和4的原理框图，图中的各个整定值参数计算依据和计算公式说明如下。

由式8可以看出，变电所电流保护元件仅能保护变电所至AT所之间线路的80%左右，无法反应靠近AT所的故障。因此，需要在AT所装设馈线保护。根据式5和式6，电流方向可以区分故障发生在哪条供电臂，同时需要电流大小区分故障电流和负荷电流，因此可以得到AT所的方向过电流保护判据如下：

(式10)

其中，I_i为AT所电流保护元件3或4测得的短路电流；I_set.AT为电流整定值；为AT所母线电压，为灵敏角，对牵引网一般取70°左右；k_rel为可靠系数，一般取1.2；I_f.max为线路正常运行时最大负荷电流。

附图7和8分别给出了电流保护元件5和6的原理框图，图中的各个整定值参数计算依据和计算公式说明如下。

由式6可以看出，式10也能保护AT所至分区所之间的部分线路，但不能保护靠近分区所的故障。根据式6，可以在分区所类似配置方向过电流保护如下：

(式11)

其中，I_i为分区所处电流保护元件5或6测得的短路电流；I_set.sp为分区所方向过电流保护的整定值；为分区所母线电压，为灵敏角，对牵引网一般取70°左右；k_rel为可靠系数，一般取1.2；I_f.max为线路正常运行时最大负荷电流。

由式8-11可以看出，当上行供电臂故障时，与其相关的电流保护元件1、3和5中至少有一个能够动作，但是完全隔离故障需要断路器1QF、3QF和5QF都跳闸，所以还要配置联跳保护。即当某个保护动作的同时通过通信网络向同一供电臂上的其它电流保护元件发出联跳信号，使整个供电臂断路器跳闸，隔离故障。高速铁路全并联AT供电牵引网示意图及其完整保护方法如附图9所示，其中电流保护元件1、3、5和相关通信网络实现了上行供电臂的整体保护，电流保护元件2、4、6和相关通信网络实现了下行供电臂的整体保护。

本发明所述的电流保护元件分别由分散安装在变电所、AT所、分区所的继电保护装置担任，通过在置有微处理器的微机式继电保护装置中植入上述相应判据识别代码后实现，如图10所示。

以上已以较佳实施例公布了本发明,然其并非用以限制本发明,凡采取等同替换或等效变换的方法所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法，其特征在于:由分散分布在变电所、AT所、分区所的电流保护元件和通信网络构成，当任一电流保护元件检出故障后跳开所内断路器，并通过通信网络向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，实现故障供电臂的快速隔离；

当变电所与AT所之间发生故障时，位于变电所的电流保护元件采用电流比判据和过电流判据识别故障线路，位于AT所的电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当任一电流保护元件检出故障后，跳开所内故障供电臂的断路器，并向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，其它电流保护元件接收到命令后跳开对应断路器，实现故障供电臂的快速隔离，不会影响并联的另一供电臂的供电；

当AT所和分区所之间发生故障时，AT所和分区所电流保护元件采用方向过电流判据识别故障线路；当任一电流保护元件检出故障后，跳开所内故障供电臂的断路器，并向同一供电臂上的其它电流保护元件发送联跳命令，其它电流保护元件接收到命令后跳开对应断路器，实现故障供电臂的快速隔离，不会影响并联的另一供电臂的供电。

2.如权利要求1所述的基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法，其特征在于:联跳命令的通信利用光纤以太网技术实现。

3.如权利要求1所述的基于电流特征的高速铁路供电臂联跳保护方法，其特征在于:所述电流保护元件为一个相对独立的可完成判据识别的功能单元，同一个处所的二个电流保护元件采用以下形式之一实现：1)在同一个物理装置上实现；2)分布在不同的物理装置上实现；所述处所为:变电所、AT所、分区所。