牵引网馈线保护装置的改进与实践
时间：2023-01-17 16:35:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李明璟，林国松，甘勇生
（1.广西沿海铁路股份有限公司 钦州供电段，高级工程师，广西 钦州 535000；
2.西南交通大学，副教授，四川 成都 610031）
我国普速电气化铁路一般采用直接供电方式，分单线和复线两种运行方式，当牵引网发生故障时，牵引变电所馈线保护装置应能正确跳闸切除故障，并提供准确故障点信息。在黎塘-钦州线采用在供电臂末端分区所将上下行接触网并联的复线运行方式，经过两年多的运行，牵引变电所馈线保护装置基于电抗法原理的接触网故障测距出现了误差大的问题。对此进行研究，在硬件和软件上改进了馈线保护装置，在黎钦线某变电所安装运行并进行短路试验，验证了馈线保护装置的故障测距改进应用方法的可行性和准确性。
在直接供电方式下，常用的故障测距原理为单线电气化铁路采用电抗距离关系表法，复线电气化铁路采用上下行电流比法。黎钦线采用复线运行方式，牵引变电所不配置专用的故障测距装置，采用基于单线运行方式下的电抗距离关系法的馈线保护装置实现故障测距功能。据统计，黎钦线某变电所在2018年至2020年总共发生短路故障16次，历次跳闸后的故障报告得到的测距误差与实际故障距离的统计如图1所示。可以看到，在线路的前中段，测距具有较好的精度，误差范围一般满足在500米内，而在线路的末端发生短路故障时，复线运行方式下的测量电抗采用单线模式下整定的电抗距离关系表，导致在线路中末端产生较大的误差不能满足测距精度的要求。
图1 牵引变电所故障测距误差示意图
在单线运行方式下接触网发生故障时，牵引变电所馈线测量电抗随着故障距离呈现单调增长的线性关系，如式（1）所示：
其中，为牵引变电所馈线测量电抗（Ω），为接触网单位电抗（Ω/km），为牵引变电所到故障点的距离（km）。
在复线运行方式下接触网发生故障时，在线路条件理想（上行、下行线路物理参数完全对称且线路参数均匀）情况下，可以采用如式（2）所示的上下行电流比故障测距原理［1］。
根据电力系统运行统计表明，线路的短路故障中，约90%以上为瞬时性故障，上述黎钦线的16次故障全部为瞬时性故障。在发生瞬时性故障时，牵引网处于复线运行方式，此时牵引变电所馈线的测量电抗会受到对侧互感的影响，电抗与距离的关系呈现非线性［1］，导致黎钦线牵引变电所馈线保护装置的故障测距产生较大的误差。
2.1 馈线保护装置的硬件改进
为了改变目前馈线保护装置故障测距误差大的问题，首先改进了传统装置的硬件结构。馈线保护装置由机箱、跳闸插件、交流插件、CPU插件、开入插件、开出插件和电源插件构成，各插件排列示意如图2所示。在馈线保护中，电源插件接入直流供电电源，为各插件提供各等级的直流电源；
跳闸插件实现对断路器跳闸输出控制；
交流插件将电压互感器输出的馈线二次电压和电流互感器输出的馈线二次电流转换为CPU插件能够识别的模拟量；
CPU插件将模拟量转换为数字量，接收开入插件的数字量，进行保护逻辑判断运算，当判断发生故障时，输出跳闸信号，CPU模块也可以接收远动控制命令，输出控制信号给开出插件；
开出插件接收CPU控制信号，实现开关控制和信号输出。
图2 馈线保护装置结构
原有交流插件包含1个电压变换器和1个电流变换器，可以采集馈线电压和本侧馈线电流。在馈线保护装置的硬件改进中，增加了1个电流变换器，实现同步采集“对侧”馈线保护电流的目的。
2.2 馈线保护装置的软件改进
在软件算法实现中，保留原有的电抗距离关系表法测距原理，将上下行电流比与距离的线性关系用电流比-距离表整定在整定值表中，可以通过灵活整定的方式减小因线路的上下行不对称、线路参数不均匀情况，根据式（2）计算的测距结果而产生误差。
由于牵引变电所馈线保护装置可以采集“对侧馈线保护电流”，从而可以计算故障时的上下行电流比，安装在牵引变电所的馈线保护装置同时投入上下行电流比距离表法和电抗距离表法测距功能。当本侧馈线故障时，如果对侧馈线电流大于噪声电流整定值（根据经验取50A），判定“对侧有电流”，从而判别牵引网处于复线运行方式，采用上下行电流比法测距，反之采用电抗距离关系表法测距。传统的分区所馈线保护装置不具备故障测距功能，在本项目实施中，安装在分区所的馈线保护装置投入电抗距离表法测距功能。馈线保护装置故障测距改进应用方法流程如图3所示。
图3 馈线保护装置故障测距改进方法流程图
3.1 改进的馈线保护装置现场安装与短路试验
2020年12月，分别在大崇变电所和沙江分区所各安装了一套改进的馈线保护测控装置。黎钦线大崇变电所-沙江分区所供电臂与馈线保护接线如图4所示，变电所往黎塘方向的213、214分别为下行馈线、上行馈线，分区所272为上下行联络断路器；
其中，6YH、3YH分别为牵引变电所、分区所27.5kV母线电压互感器，18LH、20LH分别为牵引变电所上行、下行馈线的电流互感器，2LH为分区所的上下行联络馈线电流互感器。牵引变电所下行214馈线的馈线保护测控装置接入27.5kV母线电压、本侧馈线电流和对侧上行213的馈线电流。分区所272馈线安装馈线保护测控装置接入下行侧27.5kV母线电压和272馈线电流，规定分区所下行线路指向上行线路为正方向。根据历史故障报告和线路参数，确定了两套馈线保护装置涉及的故障测距的整定参数。
图4 牵引变电所至分区所供电臂与馈线保护接线示意图
2021年4月底，在沙江站（不含）至横州站（不含）间下行区间167#接触网支柱处（K4+225）（如图4所示）进行了两次短路试验，所得两次故障报告电量参数与故障波形基本相同。
3.2 牵引变电所馈线保护装置故障报告分析
牵引变电所馈线保护测控装置记录的第2次短路试验的故障波形如图5所示。从录波数据可以得到本侧（214）、对侧（213）馈线电流有效值分别为1611A、1157A，从而根据式（2）可得短路试验的上下行电流比为1157/（1157+1611）=0.418。实际上，两次短路得到的波形，均计算得到了该电流比值。在第1次短路试验后，将0.418整定到上下行电流比距离关系整定值表，在第2次短路试验中，故障测距误差基本为0m，完全满足馈线保护装置对故障测距精度在500m内的要求［2］。
图5 第2次短路试验的变电所故障波形
3.3 分区所馈线保护装置故障报告分析
分区所馈线保护测控装置两次故障报告中的故障测量电抗值均为1.73Ω。根据第1次短路试验所得的测量电抗值修正了分区所馈线保护装置的电抗距离关系表。分区所第2次短路试验的故障报告如图6所示，其中，“-1.73Ω”表示分区所馈线电流由上行流向下行，“KM=K4+96”代表的故障点公里标为“K4+096”，“L=2.626km”代表的故障点距离分区所距离“2.626km”，故障报告表明改进测距误差后的值为129m，实际上，如果将短路点的电抗距离值也整定进电抗距离关系表，第2次短路试验的误差将为0m。分区所测距结果证明了基于分区所电抗距离表法的测距原理的准确性。
图6 分区所馈线保护装置故障报告
通过对黎钦线某变电所故障测距报告进行统计分析，改进了馈线保护装置的交流插件和软件中的故障测距应用方法。在黎钦线大崇变电所-沙江分区所供电臂进行的短路实验结果表明改进后的故障测距误差大大优于标准要求，验证了故障测距改进应用方法的可行性和准确性。
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