CN105024367B

CN105024367B - 一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法

Info

Publication number: CN105024367B
Application number: CN201510491411.XA
Authority: CN
Inventors: 李群湛; 刘炜; 杨乃琪; 邓琴; 刘承志; 李亚楠; 黄小红; 孟军; 仇龙刚; 罗成
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2015-08-11
Filing date: 2015-08-11
Publication date: 2018-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-11
Also published as: CN105024367A

Abstract

本发明提供了一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法，属于电气化轨道交通供电技术领域。它能有效地解决直流开关寿命较短的问题，且具有识别、区分永久故障与瞬时故障的功能。本发明涉及现有直流牵引变电所三相进线K的交流开关QFJ、直流母线B的电压互感器YH、直流馈线一K₁的直流开关一QFZ₁及其电流互感器一LH₁、直流馈线二K₂的直流开关二QFZ₂及其电流互感二LH₂；继电保护装置RP的输入端连接电压互感器YH的测量端和电流互感器一LH₁、电流互感器二LH₂的测量端,继电保护装置RP的输出端连接交流开关QFJ的控制端和直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的控制端。主要用于直流牵引变电所继电保护。

Description

一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法

技术领域

本发明属于电气化轨道交通供电技术领域，尤其涉及直流牵引供电变电所和接触网的继电保护技术。

背景技术

直流牵引变电所的功能是从公用电网的交流电源经整流得到直流电来供给列车，多用于地铁、轻轨等城市轨道交通。通常，直流牵引变电所包括两路独立的(中压)三相交流电源和两台并列的12脉波(可等效成一台24脉波)牵引整流机组，其中牵引整流机组由牵引变压器和二极管整流器及附件构成。直流牵引变电所供出直流电给牵引网。牵引网由接触网(或接触轨)和钢轨构成。直流牵引变电所和牵引网构成直流牵引供电系统。直流牵引供电系统在运行中可能发生各种故障，其中最常见而且是最危险的故障就是各种类型的短路故障，一般牵引网的电阻极小致使短路电流极大，如果不能及时发现和切除短路故障，其危害极大，担当发现和切除故障任务的是继电保护装置。因此继电保护装置是城市轨道交通安全运行所不可或缺的安全设备。

直流供电采用的直流开关技术相比交流开关更加复杂，制造难度更大、造价更高，寿命却更短。通常，交流开关开断额定短路电流的分闸次数(电气寿命)远大于直流开关的分闸次数，如交流开关为50次，直流开关为20次，而交流开关开断额定电流的分闸次数(电气寿命)也远大于直流开关，如交流开关为20000次，直流开关为3000次。因此,改变只使用寿命较短的直流开关来切除短路故障的传统做法，提出合理利用寿命更长的交流开关与直流开关相配合的方法来切除故障是非常必要的，该方法还具有识别、区分永久故障与瞬时(非永久)故障的新的功能，从而减少盲目的、不必要的重合闸，节约开关寿命，减少设备的电气冲击，大大提高供电可靠性。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法，它能有效地解决直流开关寿命较短的问题，同时，还具有识别、区分永久故障与瞬时(非永久)故障的功能。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法，涉及现有直流牵引变电所三相进线K的交流开关QFJ、直流母线B的电压互感器YH、直流馈线一K₁的直流开关一QFZ₁及其电流互感器一LH₁、直流馈线二K₂的直流开关二QFZ₂及其电流互感二LH₂；继电保护装置RP的输入端连接电压互感器YH的测量端和电流互感器一LH₁、电流互感器二LH₂的测量端,继电保护装置RP的输出端连接交流开关QFJ的控制端和直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的控制端。

本发明的工作原理是通过利用交流开关与直流开关相配合的方法来切除故障，在电气化铁路的接触网中，当电压降低到一定程度，如低于额定电压的60％时，列车停止工作(其电流为0)，认为系统发生短路故障。短路发生后，短路点及其附近测量到的电流即为故障电流，且流向短路点，因此短路故障可以根据电压的高低和电流的流向来判定故障类型。为了方便，标定电流互感器一LH₁测量的直流馈线一K₁大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₁＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₁＝-1，等于0的电流的符号值p₁＝0，同样，标定电流互感器LH₂测量的直流馈线二K₂的大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₂＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₂＝-1，等于0的电流的符号值p₂＝0。于是，在所述的直流牵引变电所，可以通过直流母线B的电压的高低和电流的符号值的组合来判断直流母线B和直流馈线一K₁、直流馈线二K₂等故障类型并制定保护方法，即：当直流母线B的电压互感器YH测量的电压低于设定值(如额定电压的60％)时，继电保护装置RP输出信号到交流开关QFJ控制端使其直接分闸，并记交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压为U_q:若交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_h高于交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_q，则继电保护装置RP判定为瞬时性短路故障，且认为故障已经消失，遂通过交流开关QFJ的控制端使其合闸，系统恢复正常运行；若交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_h等于或低于交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_q，则继电保护装置RP判定为永久性短路故障，分三种情形：

A.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{-1,1}，则继电保护装置RP判定直流馈线一K₁(及其接触网)故障，遂通过直流开关一QFZ₁的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线一K₁(及其接触网)，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线二K₂(及其接触网)的正常供电；

B.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,-1}，则继电保护装置RP判定直流馈线二K₂(及其接触网)故障，遂通过直流开关二QFZ₂的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线二K₂(及其接触网)，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线一K₁(及其接触网)的正常供电；

C.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,0}或{0,1}或{1,1}，则继电保护装置RP判定直流母线B故障，遂通过直流开关一QFZ₁和直流开关二QFZ₂的控制端使其分闸，切除故障的直流母线B。

超出上述A、B、C三种情形，而交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_h仍然等于或低于交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_q，则判定为邻近变电所发生了永久性短路故障，则由临近的变电所的继电保护装置处理。

交流开关QFJ、直流开关一QFZ₁、直流馈线二K₂的分合闸信息将及时反馈到继电保护装置RP。

理论分析和计算表明：当直流母线B的电压互感器YH测量的电压低于设定值(如额定电压的60％)而继电保护装置RP使三相进线K的交流开关QFJ分闸后，由于电源到短路点的电气距离增加，直流侧的短路电流可以降低50％到80％，因此，更有利于直流开关切除永久性短路故障，减少其寿命损失。

同理可处理复线轨道、两台并列的牵引整流机组(牵引变压器和二极管整流器)、双直流母线的牵引变电所的直流母线和直流馈线及其接触网的短路故障。

另外，为进一步提高性能，还可以对两个相邻直流牵引变电所之间的接触网采用低电压启动的纵差保护。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明在不增加其他专用设备情况下可区分永久性短路故障和瞬时性短路故障，避免盲目、不必要的重合闸及其造成的开关寿命损失和重合闸过程对电气设备的冲击，大大提高系统可靠性。

二、本发明更好地利用了交流开关电气寿命长和直流开关电气寿命短的特点，提出了优先使用交流开关和交流开关与直流开关相配合来切除各种短路故障的继电保护方案，可靠、经济、实用。

三、本发明可以省去直流进线开关，有利于简化直流牵引变电所的结构，节约投资。

四、本发明实施方便，既适用于新线建设，也便于旧线改造。

附图说明

图1是本发明实施例的牵引变电所结构与故障示意图

图2是本发明实施例的牵引变电所继电保护装置连接结构示意图

图3是本发明实施例的牵引变电所继电保护方法工作流程示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述。

图1示出，本发明实施例的直流牵引变电所结构与故障示意图，图中直流牵引变电所包括三相进线K及交流开关QFJ、牵引变压器TT、二极管整流器UT、直流母线B、直流馈线一K₁及其直流开关一QFZ₁、直流馈线二K₂及其直流开关二QFZ₂；其中测量直流母线B电压的电压互感器YH并联于直流母线B上，测量直流馈线一K₁电流的电流互感器一LH₁安装在直流开关一QFZ₁中，测量直流馈线二K₂电流的电流互感器二LH₂安装在直流开关二QFZ₂中，为清晰起见，均未在图中画出；另外，通过直流馈线一K₁的电流记为I₁，通过直流馈线二K₂的电流记为I₂；图中画出了直流馈线二K₂及其接触网短路故障情形，直流馈线一K₁和直流母线B短路故障亦然。

图2是本发明实施例的直流牵引变电所继电保护装置连接结构示意图。在直流牵引变电所中，继电保护装置RP的输入端连接电压互感器YH的测量端和电流互感器一LH₁、电流互感器二LH₂的测量端，即继电保护装置RP通过电压互感器YH的测量端获得直流母线B的电压，通过电流互感器LH₁的测量端获得直流馈线一K₁的电流I₁，通过电流互感器LH₂的测量端获得直流馈线二K₂的电流I₂；继电保护装置RP的输出端连接交流开关QFJ的控制端和直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的控制端，执行分闸和合闸命令，同时，交流开关QFJ、直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂将其分合闸信息反馈到继电保护装置RP。

图3是本发明实施例的牵引变电所继电保护方法工作流程示意图。系统发生短路故障后，短路点及其附近的电压大大降低，列车停止工作(其电流为0)，短路点及其附近支路的电流即为故障电流，且流向短路点；继电保护装置RP标定电流互感器一LH₁测量的直流馈线一K₁大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₁＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₁＝-1，等于0的电流的符号值p₁＝0，同样，标定电流互感器二LH₂测量的直流馈线二K₂的大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₂＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₂＝-1，等于0的电流的符号值p₂＝0；于是，继电保护装置RP可以借助直流母线B的电压的高低和电流的符号值的组合来判断直流母线B和直流馈线一K₁、直流馈线二K₂的故障类型和保护方法：当直流母线B的电压互感器YH测量的电压低于设定值(如额定电压的60％)时，继电保护装置RP输出命令到交流开关QFJ控制端使其直接分闸，并记交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压为U_q，交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压为U_h，若电压U_h高于电压U_q，则继电保护装置RP判定为瞬时性短路故障，且认为故障已经消失，遂输出命令到交流开关QFJ的控制端使其合闸，系统恢复正常运行；若电压U_h等于或低于电压U_q，则继电保护装置RP判定为永久性短路故障，分三种情形。

A.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{-1,1}，则继电保护装置RP判定直流馈线一K₁(及其接触网)故障，遂输出命令到直流开关一QFZ₁的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线一K₁(及其接触网)，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线二K₂(及其接触网)的正常供电；

B.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,-1}，则继电保护装置RP判定直流馈线二K₂(及其接触网)故障，遂输出命令到直流开关二QFZ₂的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线二K₂(及其接触网)，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线一K₁(及其接触网)的正常供电；

C.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,0}或{0,1}或{1,1}，则继电保护装置RP判定直流母线B故障，遂输出命令到直流开关一QFZ₁和直流开关二QFZ₂的控制端使其分别分闸，切除故障的直流母线B。

交流开关QFJ、直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的分合闸信息亦将实时反馈到继电保护装置RP。

超出上述A、B、C三种情形，而交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_h仍然等于或低于交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压U_q，则判定为邻近变电所发生了永久性短路故障，则由临近的变电所的继电保护装置按照与上相同的保护方法处理。

另外，可以与两个相邻直流牵引变电所之间的接触网的低电压启动的纵差保护相配合，以便进一步提高性能。

Claims

1.一种直流牵引变电所继电保护装置及其方法，涉及直流牵引变电所三相进线K的交流开关QFJ、直流母线B的电压互感器YH、直流馈线一K₁的直流开关一QFZ₁及其电流互感器一LH₁、直流馈线二K₂的直流开关二QFZ₂及其电流互感器二LH₂；其特征在于：继电保护装置RP的输入端连接电压互感器YH的测量端和电流互感器一LH₁、电流互感器二LH₂的测量端，继电保护装置RP的输出端连接交流开关QFJ的控制端和直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的控制端；继电保护装置RP标定电流互感器一LH₁测量的直流馈线一K₁大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₁＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₁＝-1，等于0的电流的符号值p₁＝0，同样，标定电流互感器二LH₂测量的直流馈线二K₂的大于0的并流入直流母线B的电流的符号值p₂＝1，而大于0的并流出直流母线B的电流的符号值p₂＝-1，等于0的电流的符号值p₂＝0；当直流母线B的电压互感器YH测量的电压低于设定值时，继电保护装置RP输出命令到交流开关QFJ控制端使其直接分闸，并记交流开关QFJ分闸前电压互感器YH测量的直流母线B的电压为U_q，交流开关QFJ分闸后电压互感器YH测量的直流母线B的电压为U_h，若电压U_h高于电压U_q，则继电保护装置RP判定为瞬时性短路故障，并且故障已经消失，遂通过交流开关QFJ的控制端使其合闸，系统恢复正常运行；若电压U_h等于或低于电压U_q，则继电保护装置RP判定为永久性短路故障，分三种情形：

A.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{-1,1}，则继电保护装置RP判定直流馈线一K₁及其接触网故障，遂输出命令到直流开关一QFZ₁的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线一K₁及其接触网，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线二K₂及其接触网的正常供电；

B.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,-1}，则继电保护装置RP判定直流馈线二K₂及其接触网故障，遂输出命令到直流开关二QFZ₂的控制端使其分闸，切除故障的直流馈线二K₂及其接触网，再令已分闸的交流开关QFJ合闸，恢复直流馈线一K₁及其接触网的正常供电；

C.若此时符号值的组合{p₁,p₂}＝{1,0}或{0,1}或{1,1}，则继电保护装置RP判定直流母线B故障，遂输出命令到直流开关一QFZ₁和直流开关二QFZ₂的控制端使其分别分闸，切除故障的直流母线B，交流开关QFJ、直流开关一QFZ₁、直流开关二QFZ₂的分合闸信息亦将实时反馈到继电保护装置RP。