CN114498577A - 一种贯通柔性牵引变电所结构及其保护配置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种贯通柔性牵引变电所及其保护配置方法，属于贯通柔性牵引供电技术领域，该变电所包括节能型牵引变压器、匹配变压器、由若干个子模块级联组成的三相‑单相变流器和若干个断路器。本发明能够在改造传统牵引变电所、实现两变电所间全线贯通的同时，在核心变流器出现严重故障时退回到铁路传统供电方式，提高了牵引变电所运行的可靠性，还能够节约改造变电所所需占地空间。该保护配置方法根据柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，保证牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现牵引变电所的安全可靠运行。

Description

一种贯通柔性牵引变电所结构及其保护配置方法
技术领域
本发明属于牵引供电技术领域，尤其涉及一种贯通柔性牵引变电所结构及其保护配置方法。
背景技术
目前，我国电气化铁路中多采用三相变两相的供电方式，铁路贯通柔性牵引变电所从三相电网取电，经牵引变压器后输出两相电压、分为两个供电臂连接至牵引网，由牵引网向列车供电。然而两供电臂之间因为电压幅值、频率、相位不可能完全一致，因此在变电所内和两变电所间的供电臂之间均设置了电分相。电分相的存在制约了列车的运行速度、存在一定的安全隐患，同时使两个变电所之间的牵引变压器不能相互作为备用，造成了极大的经济浪费。并且既有铁路中的再生制动能量大多只能返回到供电臂所在的变电所中，对于更多的能量无法充分利用，往往还会使供电区间的电压抬升，直接影响列车甚至牵引系统设备的运行。
目前既有铁路贯通柔性牵引变电所中大多使用单相或两相牵引变压器，而电气化铁路作为单相负荷会通过该结构的贯通柔性牵引变电所向三相电网中注入负序电流，并会带来谐波和无功问题。负序电流的存在给用电设备带来了许多危害，如变压器能量损失、提高了供电线路的损耗等。而无功、谐波等问题使电气设备的使用寿命受到一定的威胁，同时使铁路系统每年需向电网单位提交大量罚款，这同样制约着铁路行业的经济效益。如何解决牵引供电系统电能质量、取消电分相装置是当前牵引系统领域的研究热点。随着电力电子器件日渐成熟，以变流器为核心的电力电子设备逐渐投入到牵引供电系统当中，使电压幅值、频率、相位不一致问题得到解决，变流器在牵引供电系统中使用减少了电分相装置，同时也解决了牵引供电系统的电能质量问题。相比于传统变压器，变流器的可靠性目前还难以媲美，并且变流器的投入大大提高了改造变电所的成本。因此，利用变流器解决电分相装置和电能质量问题的同时，还需要考虑变电所的改造建设问题。
贯通柔性牵引变电所由节能型牵引变压器、匹配变压器、三相-单相变流器组成，在贯通柔性牵引供变电所中由于三相-单相流器及匹配变压器的加入，贯通柔性牵引变电所既有的保护配置不再适用，为保证该变电所的安全运行，需研究适用于贯通柔性牵引变电所的保护配置方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种贯通柔性牵引变电所结构及其保护配置方法，解决了牵引网电压相位不可控、变压器利用率低以及既有牵引变电所的保护方法不适配问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种贯通柔性牵引变电所，包括节能型牵引变压器、匹配变压器、由若干个子模块级联组成的三相-单相变流器和若干个断路器；
所述节能型牵引变压器的原边三相分别接于三相电网的A相、B相和C相一一对应连接，所述节能型牵引变压器的副边a相通过断路器QF1与母线A连接，所述节能型牵引变压器的副边b相通过断路器QF2与钢轨连接，所述节能型牵引变压器的副边c相通过断路器QF3与母线B连接；
所述匹配变压器的原边A相、B相和C相均通过断路器QF6分别与所述节能型牵引变压器的副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器的副边包括有若干组绕组；
各所述子模块的输入端依次与各所述绕组一一三相连接，所述子模块C1～Cn的输出端分别与断路器QFc1～QFcn一一并联；所述子模块的输出端依次级联，且正极性通过断路器QF8与母线A连接，负极性端与钢轨连接。
本发明的有益效果是：本发明所提出的一种贯通柔性牵引变电所的结构可以在匹配变压器或三相-单相变流器发生严重故障无法运行时，系统可以退回到传统三相-两相的供电方式，提高系统运行的可靠性。本发明中贯通柔性牵引变电所由多绕组匹配变压器和多个三相-单相变流器子模块级联组成，可以控制输出电压幅值、相位、频率，可以取消两个供电臂间的电分相，实现全线贯通，并且提高了系统运行的功率因数。
进一步地，所述节能型牵引变压器的原边接入110kV或220kV电网，且其输出三相电压为27.5kV；所述匹配变压器的原边接入27.5kV，且其各绕组均输出相同的三相电压。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中节能型牵引变压器既可以为匹配变压器和三相-单相变流器提供电能，也可以在其发生故障时退回到传统供电方式，提高了该变压器的利用率，减少了经济浪费。
再进一步地，各所述子模块包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、直流电容和单相逆变电路，其中，所述三相整流电路和单相逆变电路可采用两电平H桥结构或采用多电平H桥结构。
上述进一步方案的有益效果是：可根据市场上功率器件的耐压耐流等级及性能情况确定经济效益最优的三相-单相变流器子模块拓扑，从而能够确定最经济的柔性牵引变电所建设改造成本。
再进一步地，所述断路器QF1、断路器QF2、断路器QF3以及断路器QF6通过不同的闭合方式选择不同的供电模式，其中，通过闭合断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，关断断路器QF6选择节能型牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电；通过关断断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，闭合断路器QF6选择利用节能型牵引变压器和电子式牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电。
上述进一步方案的有益效果是：当三相-单相变流器出现严重故障时，通过上述设置的不同供电模式，变电所可退回到传统供电试，从而提高系统运行的可靠性。
本发明提供了一种贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护以及设置电流速断作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在电子式牵引变压器设置功率差动保护，在三相-单相变流器的子模块的三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在其直流侧设置过压保护和欠压保护，并在各子模块中设置温度保护，以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，且在三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生非短路故障时，脉冲封锁相应子模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在各子模块故障下的自愈重构；
S5、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护以及过负荷保护作为后备保护，以及在节能型牵引变压器内部设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置。
本发明的有益效果是：本发明提出一种适用于贯通柔性牵引变电所结构的保护配置方法，根据贯通柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证贯通柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现贯通柔性牵引变电所的安全可靠运行。
进一步地，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线安装位置设置电压电流互感器，并利用电压电流互感器测量馈线处电压电流；
S202、根据所述馈线处电压电流，计算得到阻抗值，并判断所述阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、利用断路器QF5执行距离保护动作，并在距离保护拒动且满足低压与大电流判定时，利用断路器QF5执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果得到接地短路故障，执行距离保护与低压启动过电流保护拒动，利用断路器QF5执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
上述进一步方案的有益效果是：为柔性牵引变电所馈线配置了相应保护方法，提高了变电所运行安全性，且通过光缆进行信息交流可及时将接触网故障隔离在故障段，从而减小故障影响范围，提高变电所运行可靠性。
再进一步地，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S302、将贯通柔性牵引变电所的馈线电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧，并将其两处电流互感器并联接入差动保护；
S303、通过贯通柔性牵引变电所的馈线和三相-单相变流器输出侧电流量之和，并根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
上述进一步方案的有益效果是：在母线处设置母线差动保护，可及时切除母线处故障，提高柔性牵引变电所运行的可靠性。
再进一步地，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在三相-单相变流器的各子模块输入侧设置电流传感器，其直流侧设置电压传感器，各子模块内设置温度传感器以及三相-单相变流器的级联输出侧设置电流传感器；
S402、针对各子模块的输入侧电流大于第二整定值时，为短路故障，过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S403、针对三相电压判断为缺相时，缺相保护动作于报警，且报警时间超出第三整定值时，缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S404、针对直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，过压保护和欠压保护动作于报警，且报警时间超出第四整定值，过压保护和欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S405、针对子模块散热器温度大于整定温度，温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S406、针对级联输出侧电流大于第五整定值时，判定为短路故障，过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8和断路器QF5；
S407、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在变压器气隙设置温度传感器，并利用电流互感器测量高压侧电流，得到其负序与零序的电流测量值；
S408、针对电流测量值大于第六整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行过电流保护动作；
S409、针对过电流保护拒动，在发生接地短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行零序电流保护动作，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S4010、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，针对温度测量值大于最高阈值时，温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8；
S4011、测量电子式牵引变压器输入输出侧电压电流，并计算得到电子式牵引变压器有功功率差，并针对有功功率差大于第七整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行功率差动保护动作；
S4012、断开断路器QF6和断路器QF8，利用断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3动作使节能型牵引变压器连接母线和钢轨，完成电子式牵引变压器的保护配置，并进入步骤S5。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过配置相应保护方法，提高变电所运行的安全性，同时，电子式牵引变压器设置功率差动保护，可提高电子式变压器内部故障时故障切除的可靠性，三相-单相变流器设置子模块旁路开关，可实现故障模块的及时切除和变流器系统的自愈重构，匹配变压器设置负序过电流保护，使其对不对称故障更加灵敏，可增加不对称故障切除的可靠性。
再进一步地，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在节能型牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护；
S502、在节能型牵引变压器高低压侧设置电压电流互感器，利用电压电流测量值计算其负序电压电流量和零序电流量；
S503、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护，针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护动作；
S505、针对接地故障时，在零序电流量大于第八整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，在负序电流量大于第九整定值，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，当变压器负荷达到整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在节能型牵引变压器内部设置瓦斯检测装置、温度传感器和压力释放器，并测量节能型牵引变压器内部瓦斯含量、温度测量值及压力值；
S509、针对瓦斯含量大于第十整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，温度保护报警，当温度测量值超出最高阈值时，执行温度保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5011、针对变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作，动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸，完成节能型牵引变压器的保护配置。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过配置相应的保护方法，提高变电所运行的安全性，同时加入了负序保护，使其对不对称故障更加灵敏，增加了不对称故障切除的可靠性。
附图说明
图1为本发明贯通柔性牵引变电所的结构。
图2为本实施例中基于两电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图3为本实施例中基于三电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图4为本实施例中基于多电平H桥结构的三相-单相变流器子模块。
图5为本实施例中保护配置方法流程图。
图6为本实施例中贯通柔性牵引变电所三相-单相变流器模块级自愈重构示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
实施例1
如图1所示，本发明提供了一种贯通柔性牵引变电所，包括节能型牵引变压器、匹配变压器、由若干个子模块级联组成的三相-单相变流器和若干个断路器；节能型牵引变压器的原边三相分别接于三相电网的A相、B相和C相一一对应连接，所述节能型牵引变压器的副边a相通过断路器QF1与母线A连接，所述节能型牵引变压器的副边b相通过断路器QF2与钢轨连接，所述节能型牵引变压器的副边c相通过断路器QF3与母线B连接；匹配变压器的原边A相、B相和C相均通过断路器QF6分别与所述节能型牵引变压器的副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器的副边包括有若干组绕组；各所述子模块的输入端依次与各所述绕组一一三相连接，所述子模块C1～Cn的输出端分别与断路器QFc1～QFcn一一并联；所述子模块的输出端依次级联，且正极性通过断路器QF8与母线A连接，负极性端与钢轨连接。当三相-单相变流器出现严重故障、无法向牵引网输出27.5kV电压时，匹配变压器和三相-单相变流器停止工作并处于旁路状态，节能型牵引变压器通过断路器QF1和断路器QF3连接至母线，贯通柔性牵引变电所转变为传统供电方式。
本实施例中，节能型牵引变压器和匹配变压器均采用YNd11型号；所述节能型牵引变压器的原边接入110kV或220kV电网，且其输出三相电压为27.5kV；所述匹配变压器的原边接入27.5kV，且其各绕组均输出相同的三相电压。各所述子模块包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、直流电容和单相逆变电路，其中，所述三相整流电路和单相逆变电路可采用两电平H桥结构或采用多电平H桥结构。
本实施例中，所述断路器QF1、断路器QF2、断路器QF3以及断路器QF6通过不同的闭合方式选择不同的供电模式，其中，通过闭合断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，关断断路器QF6选择节能型牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电；通过关断断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，闭合断路器QF6选择利用节能型牵引变压器和电子式牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电。本发明能够在改造传统牵引变电所、实现两变电所间全线贯通的同时，在核心变流器出现严重故障时退回到铁路传统供电方式。
本实施例中，如图1所示，图1是本发明贯通柔性牵引变电所的结构，三相电网(110kV或220kV)经过节能型牵引变压器输出三相27.5kV，所述节能型牵引变压器副边三相设置有断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，断路器QF1和断路器QF3分别与当地牵引网母线A、母线B连接，断路器QF2与钢轨地连接；当所述贯通柔性牵引变电所正常工作时，断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3均断开，断路器QF6均闭合，此时所述节能型牵引变压与牵引网的母线不再连接，其副边三相与匹配变压器原边三相(A，B，C)一一连接。匹配变压器原边接入三相27.5kV电压，副边为n组三相绕组，绕组电压大小相等；绕组具体数量和所输出三相电压的幅值由三相-单相变流器子模块数量和子模块拓扑结构以及子模块所选用开关器件的耐压值三者共同决定。每组绕组分别与一个三相-单相变流器子模块连接，每个三相-单相变流器子模块输出端级联后连接至牵引母线，共同输出单相27.5kV电压；其中，三相-单相变流器子模块C1～Cn的输出端分别并联断路器QFc1～QFcn，三相-单相变流器正极性端通过滤波电感Lo和断路器QF8与母线A连接、负极性端与钢轨地直接连接；当某个三相-单相变流器子模块发生故障时，通过闭合该子模块输出端的断路器使该子模块处于旁路状态，由其余无故障子模块继续输出单相27.5kV电压；当多个三相-单相变流器子模块发生故障，三相-单相变流器已无法向牵引网输出27.5kV电压时，断开断路器QF8和断路器QF6，使匹配变压器和三相-单相变流器退出运行，节能型牵引变压器不再向匹配变压器和三相-单相变流器提供电能；然后闭合断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3使节能型牵引变压器副边a相、c相分别接入母线A、母线B、使副边b相接入钢轨地，此时节能型牵引变压器投入到传统供电方式中，向牵引网提供两相27.5kV电压。
本实施例中，三相-单相变流器子模块包括依次连接的输入电感、三相整流电路、直流电容和单相逆变电路；三相整流电路和单相逆变电路可以采用两电平H桥结构，如图2所示，三相整流电路由6个功率开关管S11～S32组成，直流电容由C1组成，单相逆变电路由4个功率开关管Sa1～Sb2组成；三相整流电路和单相逆变电路可以是三电平H桥结构，如图3所示，与两电平不同的是，三相整流电路由12个功率开关管S11～S34和6个钳位二极管D1～D6组成，直流电容由C1和C2组成，单相逆变电路由8个功率开关管Sa1～Sb4和4个钳位二极管D7～D10组成；图4是基于n电平的三相-单相变流器子模块结构图，其中三相整流电路由功率开关管S11～S32n和钳位二极管D11～D32n-2组成，直流电容由C1～Cn组成，单相逆变电路由功率开关管Sa1～Sb2n和钳位二极管Da1～Db2n-2组成。
本实施例中，为了解决本发明所述的贯通柔性牵引变电所的电能质量问题，减少注入三相电网的谐波电流，本发明中三相-单相变流器子模块的三相整流电路所采用的载波移相调制策略中，采用较低频率的三角载波，子模块C1～Cn对应三角载波的相位依次相差π/n，对应的调制波由各个子模块的控制器给出。所述三相-单相变流器的三相整流电路采用载波移相调制策略能够提高变流器的等效开关频率，减少网侧三相电流的谐波含量，同时能够减少输入滤波电路电感L的取值。
本实施例中，本发明所提出的一种贯通柔性牵引变电所的结构可以在匹配变压器或三相-单相变流器发生严重故障无法运行时，系统可以退回到传统三相-两相的供电方式，提高系统运行的可靠性。本发明中贯通柔性牵引变电所由多绕组匹配变压器和多个三相-单相变流器子模块级联组成，可以控制输出电压幅值、相位、频率，可以取消两个供电臂间的电分相，实现全线贯通，并且提高了系统运行的功率因数。本发明中节能型牵引变压器既可以为匹配变压器和三相-单相变流器提供电能，也可以在其发生故障时退回到传统供电方式，提高了该变压器的利用率，减少了经济浪费。
实施例2
如图5所示，本发明提供了一种贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其实现方法如下：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
本实施例中，如图1所示，在通过所测电气量及断路器QF5处设置方向检测元件，以判断馈线及接触网是否故障，若电气量满足要求且方向检测元件检测故障方向为接触网侧，则判断为馈线及接触网故障，同时动作于断路器QF5；若故障方向为母线侧，则判断为母线故障，馈线处保护不动作，即馈线处保护不发出跳闸信号，此时母线故障应由S2步骤中的母线处差动保护动作于断路器QF5和断路器QF8跳闸。在判断为接触网故障之后，通过断路器QF9与断路器QF10处的方向检测元件可判断故障发生于接触网的哪一段，即发生于断路器QF9左侧、断路器QF9与断路器QF10之间还是断路器QF10右侧，从而联锁跳闸于相应断路器，从而达到故障隔离的效果。此处具体步骤为：若判断故障发生在断路器QF9左侧，则断开断路器QF9，将故障隔离在断路器QF9左侧，若判断故障发生在断路器QF9至断路器QF10之间，则断开断路器QF9与断路器QF10，将故障隔离在断路器QF9与断路器QF10之间，若判断为断路器QF10右侧，则将故障隔离在断路器QF10右侧。
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护以及设置电流速断作为辅助保护，其实现方法如下：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线安装位置设置电压电流互感器，并利用电压电流互感器测量馈线处电压电流；
S202、根据所述馈线处电压电流，计算得到阻抗值，并判断所述阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、利用断路器QF5执行距离保护动作，并在距离保护拒动且满足低压与大电流判定时，利用断路器QF5执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果得到接地短路故障，执行距离保护与低压启动过电流保护拒动，利用断路器QF5执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
本实施例中，在馈线保护安装位置设置电压电流互感器，测量馈线处电压电流，计算此时测量阻抗大小，小于整定值则距离保护动作，在距离保护拒动，且满足低压与大电流判据时，低压启动的过电流保护动作，若遇大电阻接地短路故障，距离保护与低压启动过电流保护拒动，此时电流增量保护动作，当保护正向(即断路器QF5接触网侧)出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，电流速断保护动作，避免了距离保护死区造成的距离保护拒动。上述保护均动作于断路器QF5。
本实施例中，由于贯通柔性牵引供电系统为双边供电，在QF5、断路器QF9和断路器QF10处需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过光缆通信通道进行信息交流，从而判断故障发生区段，并及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对贯通柔性牵引供电系统运行的影响。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所馈线处设置距离保护作为主保护，低压启动的过电流保护、电流增量保护作为后备保护，电流速断保护作为辅助保护。由于贯通柔性牵引供电系统为双边供电，需配置方向检测元件，根据方向检测元件判定故障发生方向，通过通信通道及时断开相应断路器将故障进行隔离，减小故障对贯通柔性牵引供电系统运行的影响。
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护，其实现方法如下：
S301、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S302、将贯通柔性牵引变电所的馈线电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧，并将其两处电流互感器并联接入差动保护；
S303、通过贯通柔性牵引变电所的馈线和三相-单相变流器输出侧电流量之和，并根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
本实施例中，将馈线电流互感器与三相-单相变流器电流互感器同名端均设置在母线侧，再将两处电流互感器并联接入差动保护装置，通过馈线及三相-单相变流器输出侧电流量之和判断母线是否发生故障，在差动电流大于整定值时，母线差动保护动作，保护动作于QF5和断路器QF8。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护以快速切除母线短路故障并以变压器低压侧低压启动过电流保护作为后备保护在母线差动保护拒动时可靠动作。
S4、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在电子式牵引变压器设置功率差动保护，在三相-单相变流器的子模块的三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在其直流侧设置过压保护和欠压保护，并在各子模块中设置温度保护，以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，且在三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生非短路故障时，脉冲封锁相应子模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在各子模块故障下的自愈重构，其实现方法如下：
S401、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在三相-单相变流器的各子模块输入侧设置电流传感器，其直流侧设置电压传感器，各子模块内设置温度传感器以及三相-单相变流器的级联输出侧设置电流传感器；
S402、针对各子模块的输入侧电流大于第二整定值时，为短路故障，过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S403、针对三相电压判断为缺相时，缺相保护动作于报警，且报警时间超出第三整定值时，缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S404、针对直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，过压保护和欠压保护动作于报警，且报警时间超出第四整定值，过压保护和欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S405、针对子模块散热器温度大于整定温度，温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S406、针对级联输出侧电流大于第五整定值时，判定为短路故障，过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8和断路器QF5；
S407、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在变压器气隙设置温度传感器，并利用电流互感器测量高压侧电流，得到其负序与零序的电流测量值；
S408、针对电流测量值大于第六整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行过电流保护动作；
S409、针对过电流保护拒动，在发生接地短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行零序电流保护动作，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S4010、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，针对温度测量值大于最高阈值时，温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8；
S4011、测量电子式牵引变压器输入输出侧电压电流，并计算得到电子式牵引变压器有功功率差，并针对有功功率差大于第七整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行功率差动保护动作；
S4012、断开断路器QF6和断路器QF8，利用断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3动作使节能型牵引变压器连接母线和钢轨，完成电子式牵引变压器的保护配置，并进入步骤S5。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所电子式牵引变压器由匹配变压器和三相单相变流器组成，其中三相-单相变流器各个子模块的三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，直流侧设置过压保护和欠压保护，每个模块设置温度保护，三相-单相变流器系统单相交流输出侧设置过电流保护，变流器系统设置温度保护。如图6所示，三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生过压、欠压、缺相等非短路故障时，可脉冲封锁相应各子模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在模块故障下的自愈重构，保证变流器正常稳定运行。匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护、零序电流保护及负序电流保护作为后备保护。电子式牵引变压器设置功率差动保护。
本实施例中，贯通柔性牵引变电所匹配变压器设置过电流保护作为主保护，设置温度保护、零序电流保护及负序电流保护作为后备保护。为完成上述保护，需在三相-单相变流器各子模块输入侧设置电流传感器，直流侧设置电压传感器，模块内设置温度传感器，三相-单相变流器级联输出侧设置电流传感器。当各子模块输入侧电流大于整定值时，判断为短路故障，保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断路器QF6和断路器QF8断开；当检测整流器输入侧三相电压判断缺相时，首先保护动作于报警，若短时间内控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值，首先保护动作于报警，若短时间内变流器通过控制恢复则停止报警，报警时间超过整定值，则保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当模块散热器温度大于整定温度，保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应模块旁路开关实现变流器自愈重构；当级联输出侧电流大于整定值时，判定为短路故障，保护动作于变流器脉冲封锁，断路器QF8和断路器QF5断开。
本实施例中，在匹配变压器高压侧设置电流互感器，变压器气隙设置温度传感器，利用电流互感器测量高压侧电流并计算其负序与零序电流含量。当电流测量值大于整定值时，过电流保护动作，若过电流保护拒动，在发生接地短路时，零序过电流保护动作，在发生两相相间短路时负序过电流保护动作，上述保护均动作于断路器QF6和断路器QF8。当温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，当温度测量值大于最高允许值时，温度保护动作于跳闸，断路器QF6和断路器QF8断开。
本实施例中，电子式牵引变压器设置有功功率差动保护。根据电子式牵引变压器输入输出有功功率相等，测量电子式牵引变压器输入输出侧电压电流计算其有功功率差，当有功功率差大于整定值时，保护动作于断路器QF6和断路器QF8。
本实施例中，当断路器QF6与断路器QF8断开，即匹配变压器与三相-单相变流器退出运行时，动作断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3使节能型牵引变压器连接母至线和钢轨，贯通柔性牵引变电所转变为传统供电方式。
S5、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护以及过负荷保护作为后备保护，以及在节能型牵引变压器内部设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置，其实现方法如下：
S501、在节能型牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护；
S502、在节能型牵引变压器高低压侧设置电压电流互感器，利用电压电流测量值计算其负序电压电流量和零序电流量；
S503、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护，针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护动作；
S505、针对接地故障时，在零序电流量大于第八整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，在负序电流量大于第九整定值，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，当变压器负荷达到整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在节能型牵引变压器内部设置瓦斯检测装置、温度传感器和压力释放器，并测量节能型牵引变压器内部瓦斯含量、温度测量值及压力值；
S509、针对瓦斯含量大于第十整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，温度保护报警，当温度测量值超出最高阈值时，执行温度保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5011、针对变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作，动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸，完成节能型牵引变压器的保护配置。
本实施例中，在节能型牵引变压器高低压侧设置电压电流互感器，利用电压电流测量值计算其负序电压电流量及零序电流量。当差动电流测量值大于比率差动整定值时，比率差动保护动作，若差动电流太大，比率差动保护拒动，差动速断保护动作；当比率差动保护与差动速断保护拒动，在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，低压启动过电流保护动作；在接地故障时，零序电流分量大于整定值，零序过电流保护动作，在两相相间短路时，负序电流分量大于整定值，负序过电流保护动作；过负荷保护设置Ⅰ段过负荷保护，当变压器负荷达到整定值时，过负荷保护动作于报警。
本实施例中，在节能型牵引变压器内部设置瓦斯检测装置、温度传感器、压力释放器，测量变压器内部瓦斯含量、温度大小及压力大小。当瓦斯含量大于整定值时，瓦斯保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；当温度测量值达到报警值时，温度保护报警，当温度测量值超出最高允许范围时，温度保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；当变压器内部压力达到压力释放器动作值时，压力释放保护动作，动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸。
本实施例中，本发明提供的贯通柔性牵引变电所保护配置方法，根据贯通柔性牵引变电所各个设备及线路可能出现的故障及故障特点，采用多级故障定位策略，及时判断故障发生点，并针对其配置适用的保护方法，能够保证贯通柔性牵引变电所各个设备及线路故障时的快速可靠切除，实现贯通柔性牵引变电所的安全可靠运行。所述多级故障定位策略分为器件级、模块级、变电所级三级。其中，器件级与模块级采用变流器故障诊断策略，利用故障瞬间的变流器电压电流有效值及其特征次谐波含量大小可准确判断出三相-单相变流器中功率器件(如IGBT、IGCT)与三相-单相变流器子模块的故障位置，并发出相应信号；变电所级故障主要针对变电所设备及线路故障，通过设备及线路处电压电流互感器测量各处电压电流信息，当其超出保护整定值，保护动作并发出相应信号，根据保护动作信号并结合故障瞬间各处电气量可准确判断故障发生位置，并发出相应信号。
本领域的技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种贯通柔性牵引变电所，其特征在于，包括节能型牵引变压器、匹配变压器、由若干个子模块级联组成的三相-单相变流器和若干个断路器；
所述节能型牵引变压器的原边三相分别接于三相电网的A相、B相和C相一一对应连接，所述节能型牵引变压器的副边a相通过断路器QF1与母线A连接，所述节能型牵引变压器的副边b相通过断路器QF2与钢轨连接，所述节能型牵引变压器的副边c相通过断路器QF3与母线B连接；
所述匹配变压器的原边A相、B相和C相均通过断路器QF6分别与所述节能型牵引变压器的副边a相、b相和c相一一对应连接，所述匹配变压器的副边包括有若干组绕组；
各所述子模块的输入端依次与各所述绕组一一三相连接，所述子模块C1～Cn的输出端分别与断路器QFc1～QFcn一一并联；所述子模块的输出端依次级联，且正极性通过断路器QF8与母线A连接，负极性端与钢轨连接；
所述匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器。
2.根据权利要求1所述贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述节能型牵引变压器的原边接入110kV或220kV电网，且其输出三相电压为27.5kV；所述匹配变压器的原边接入27.5kV，且其各绕组均输出相同的三相电压。
3.根据权利要求1所述的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，各所述子模块包括依次连接的输入滤波电路、三相整流电路、直流电容和单相逆变电路，其中，所述三相整流电路和单相逆变电路可采用两电平H桥结构或采用多电平H桥结构。
4.根据权利要求1所述的贯通柔性牵引变电所，其特征在于，所述断路器QF1、断路器QF2、断路器QF3以及断路器QF6通过不同的闭合方式选择不同的供电模式，其中，通过闭合断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，关断断路器QF6选择节能型牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电；通过关断断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3，闭合断路器QF6选择利用节能型牵引变压器和电子式牵引变压器对贯通柔性牵引变电所母线进行供电。
5.一种如权利要求1-4任一所述的一种贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在断路器QF5处设置方向检测元件，并通过断路器QF5处方向检测元件判断故障在接触网侧还是母线侧，若在接触网，则进入步骤S2，若在母线侧，则进入步骤S3；
S2、在贯通柔性牵引变电所的馈线处设置距离保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护和电流增量保护作为后备保护以及设置电流速断作为辅助保护；
S3、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S4、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在电子式牵引变压器设置功率差动保护，在三相-单相变流器的子模块的三相整流电路输入侧设置过电流保护和缺相保护，在其直流侧设置过压保护和欠压保护，并在各子模块中设置温度保护，以及在三相-单相变流器的单相级联输出侧设置过电流保护，且在三相-单相变流器每个子模块输出侧设置旁路开关，在模块发生非短路故障时，脉冲封锁相应子模块并闭合旁路开关切除故障模块，实现三相-单相变流器在各子模块故障下的自愈重构；
S5、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护作为主保护，设置低压启动的过电流保护、零序过电流保护、负序过电流保护以及过负荷保护作为后备保护，以及在节能型牵引变压器内部设置瓦斯保护、温度保护和压力释放保护，完成对贯通柔性牵引变电所的保护配置。
6.根据权利要求5所述的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：
S201、在贯通柔性牵引变电所的馈线安装位置设置电压电流互感器，并利用电压电流互感器测量馈线处电压电流；
S202、根据所述馈线处电压电流，计算得到阻抗值，并判断所述阻抗值是否小于第一整定值，若是，则进入步骤S203，否则，进入步骤S204；
S203、利用断路器QF5执行距离保护动作，并在距离保护拒动且满足低压与大电流判定时，利用断路器QF5执行低压启动的过电流保护动作，并进入步骤S205；
S204、根据判断结果得到接地短路故障，执行距离保护与低压启动过电流保护拒动，利用断路器QF5执行电流增量保护动作，且当断路器QF5接触网侧出口处金属性短路时，短路电流达到电流速断保护整定值，执行电流速断保护动作，并进入步骤S205；
S205、分别在断路器QF9和断路器QF10处设置方向检测元件，并根据方向检测元件确定判定故障发生方向；
S206、根据所述故障发生方向，利用光缆通信通道进行信息交流，确定故障发生区段，完成贯通柔性牵引变电所馈线处的保护配置，并进入步骤S3。
7.根据权利要求5所述的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：
S301、在贯通柔性牵引变电所27.5kV母线处设置母线差动保护；
S302、将贯通柔性牵引变电所的馈线电流互感器与三相-单相变流器的电流互感器同名端均设置在母线侧，并将其两处电流互感器并联接入差动保护；
S303、通过贯通柔性牵引变电所的馈线和三相-单相变流器输出侧电流量之和，并根据所述侧电流量之和判断母线是否发生故障，若是，则利用断路器QF5和断路器QF8执行母线差动保护，完成贯通柔性牵引变电所27.5kV母线的保护配置，并进入步骤S4，否则，进入步骤S4。
8.根据权利要求5所述的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S4包括以下步骤：
S401、将匹配变压器和三相-单相变流器组成电子式牵引变压器，在三相-单相变流器的各子模块输入侧设置电流传感器，其直流侧设置电压传感器，各子模块内设置温度传感器以及三相-单相变流器的级联输出侧设置电流传感器；
S402、针对各子模块的输入侧电流大于第二整定值时，为短路故障，过电流保护动作于三相-单相变流器驱动脉冲封锁，断开断路器QF6和断路器QF8；
S403、针对三相电压判断为缺相时，缺相保护动作于报警，且报警时间超出第三整定值时，缺相保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S404、针对直流侧电压大于过压整定值或小于欠压整定值时，过压保护和欠压保护动作于报警，且报警时间超出第四整定值，过压保护和欠压保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S405、针对子模块散热器温度大于整定温度，温度保护动作于驱动脉冲封锁并闭合相应子模块旁路开关，实现变流器自愈重构；
S406、针对级联输出侧电流大于第五整定值时，判定为短路故障，过电流保护动作于变流器脉冲封锁，断开断路器QF8和断路器QF5；
S407、在匹配变压器高压侧设置电流互感器，在变压器气隙设置温度传感器，并利用电流互感器测量高压侧电流，得到其负序与零序的电流测量值；
S408、针对电流测量值大于第六整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行过电流保护动作；
S409、针对过电流保护拒动，在发生接地短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行零序电流保护动作，在发生两相相间短路时，利用断路器QF6和断路器QF8执行负序过电流保护动作；
S4010、针对温度传感器测量值大于温度报警值时，温度保护报警，针对温度测量值大于最高阈值时，温度保护动作于跳闸，断开断路器QF6和断路器QF8；
S4011、测量电子式牵引变压器输入输出侧电压电流，并计算得到电子式牵引变压器有功功率差，并针对有功功率差大于第七整定值时，利用断路器QF6和断路器QF8执行功率差动保护动作；
S4012、断开断路器QF6和断路器QF8，利用断路器QF1、断路器QF2和断路器QF3动作使节能型牵引变压器连接母线和钢轨，完成电子式牵引变压器的保护配置，并进入步骤S5。
9.根据权利要求5所述的贯通柔性牵引变电所的保护配置方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：
S501、在节能型牵引变压器设置比率差动保护与差动速断保护；
S502、在节能型牵引变压器高低压侧设置电压电流互感器，利用电压电流测量值计算其负序电压电流量和零序电流量；
S503、在节能型牵引变压器处设置比率差动保护与差动速断保护，针对差动电流测量值大于比率差动整定值时，执行比率差动保护动作，若比率差动保护拒动，执行差动速断保护动作；
S504、针对比率差动保护与差动速断保护拒动，在电压电流测量值满足低压启动过电流保护动作值时，执行低压启动过电流保护动作；
S505、针对接地故障时，在零序电流量大于第八整定值时，执行零序过电流保护动作；
S506、针对在两相相间短路时，在负序电流量大于第九整定值，执行负序过电流保护动作；
S507、在过负荷保护设置I段过负荷保护，当变压器负荷达到整定值时，执行过负荷保护动作于报警；
S508、在节能型牵引变压器内部设置瓦斯检测装置、温度传感器和压力释放器，并测量节能型牵引变压器内部瓦斯含量、温度测量值及压力值；
S509、针对瓦斯含量大于第十整定值时，执行瓦斯保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5010、针对温度测量值达到报警值时，温度保护报警，当温度测量值超出最高阈值时，执行温度保护动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸；
S5011、针对变压器内部压力达到压力释放器动作值时，执行压力释放保护动作，动作于断路器QF0和断路器QF6跳闸，完成节能型牵引变压器的保护配置。
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