常 鵬，常占寧

?

高鐵牽引變電所保護(hù)雙重化設(shè)計(jì)及應(yīng)用案例

常 鵬，常占寧

闡述了高鐵牽引變電所保護(hù)實(shí)行雙重化配置的原因，介紹了蘭新高鐵牽引變電所進(jìn)線保護(hù)和牽引變壓器保護(hù)雙重化的現(xiàn)狀，并對現(xiàn)場故障案例進(jìn)行了分析。

高速鐵路；牽引變電所；繼電保護(hù)；雙重化

0 引言

自1961年我國第一條普速電氣化鐵路寶成鐵路寶鳳段開通，牽引變電所進(jìn)線電源即采用了 110 kV電壓等級接入地方電網(wǎng)的模式，后續(xù)建設(shè)的電氣化鐵路均沿用了這一模式。高速鐵路因速度高、牽引負(fù)荷大、可靠性高等特點(diǎn)，要求牽引變電所外部電源容量足夠大，因此，為了提高牽引供電電能質(zhì)量并減小單相牽引負(fù)荷對三相電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，牽引變電所外部電源應(yīng)盡量選擇較高的電壓和較大的短路容量。我國高速鐵路發(fā)展初期選擇了220 kV電壓等級電源做為牽引變電所的進(jìn)線電源；在高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中也做出了明確規(guī)定：供電電源應(yīng)采用220 kV或以上電壓等級。

西北電網(wǎng)主干網(wǎng)絡(luò)電壓采用330 kV，因此蘭新高鐵甘肅省、青海省內(nèi)牽引變電所外部電源采用了330 kV電壓等級供電。該供電方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)容量大、電壓穩(wěn)定，有利于減少電源線路的損耗，總體供電質(zhì)量優(yōu)于110 kV系統(tǒng)，但也帶來了高電壓等級對牽引變電所更高的技術(shù)要求等問題。

1 高鐵牽引變電所保護(hù)雙重化配置的要求

在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)繼電保護(hù)不能可靠動作，將會直接威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)o電網(wǎng)帶來災(zāi)難性的打擊，裝設(shè)雙套保護(hù)是提高重要線路和設(shè)備繼電保護(hù)可靠性的較好辦法。

《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》（GB14285-2006）規(guī)定330～500 kV線路應(yīng)按下列原則實(shí)現(xiàn)主保護(hù)雙重化：一是設(shè)置兩套完整、獨(dú)立的全線速動主保護(hù)；二是兩套全線速動保護(hù)的交流電流、電壓回路和直流電源互相獨(dú)立；每套線路速動保護(hù)應(yīng)分別動作于斷路器的一組跳閘線圈；當(dāng)斷路器具有兩組跳閘線圈時(shí)，兩套保護(hù)宜分別動作于斷路器的兩組跳閘線圈。高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范11.3.12條要求繼電保護(hù)的配置應(yīng)符合下列規(guī)定：繼電保護(hù)設(shè)計(jì)除鐵路特殊要求外，應(yīng)符合《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》GB/T 14285的有關(guān)規(guī)定。2000年國家電力公司發(fā)布了《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》，其中20.1.4條規(guī)定：為提高繼電保護(hù)的可靠性，對重要的線路和設(shè)備必須堅(jiān)持設(shè)立兩套互相獨(dú)立的主保護(hù)原則，并且兩套保護(hù)為不同原理和不同廠家的產(chǎn)品?！秶译娋W(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》（國家電網(wǎng)生[2012]352號）15.2.1.7條規(guī)定：330 kV以上電壓等級輸變電設(shè)備的保護(hù)應(yīng)按雙重化配置。

《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國能安全[2014]161號）規(guī)定雙重化配置的繼電保護(hù)應(yīng)滿足以下要求：兩套保護(hù)裝置中的每套保護(hù)均應(yīng)含有完整的主、后備保護(hù)，能反映被保護(hù)設(shè)備的各種故障及異常狀態(tài)，并能作用于跳閘或發(fā)出信號；采用雙重化配置的兩套保護(hù)裝置應(yīng)安裝在各自保護(hù)柜內(nèi)，并應(yīng)充分考慮運(yùn)行和檢修時(shí)的安全性；有關(guān)斷路器的選型應(yīng)與保護(hù)雙重化配置相適應(yīng)，220 kV及以上斷路器必須具備雙跳閘線圈機(jī)構(gòu)。兩套保護(hù)裝置的直流電源應(yīng)取自不同蓄電池組供電的直流母線段。

雙套主保護(hù)采用相同廠家的同一產(chǎn)品可使備品備件相對簡化，但采用不同原理和不同廠家的產(chǎn)品可形成互補(bǔ)，以防止由于保護(hù)裝置設(shè)計(jì)考慮不周而造成保護(hù)拒動現(xiàn)象。

2 蘭新高鐵變電所保護(hù)雙重化設(shè)計(jì)

蘭新高鐵牽引變電所繼電保護(hù)及自動裝置設(shè)置原則：330 kV電壓等級保護(hù)除非電量保護(hù)外，均按雙套保護(hù)配置。繼電保護(hù)基本按照以下要求進(jìn)行配置：兩套保護(hù)裝置與其他保護(hù)、設(shè)備配合的回路遵循相互獨(dú)立的原則，兩套保護(hù)裝置的交流電流分別取自電流互感器互相獨(dú)立的繞組，交流電壓分別取自電壓互感器互相獨(dú)立的繞組，兩套保護(hù)裝置的跳閘回路與斷路器的兩個(gè)跳閘線圈分別一一對應(yīng)；兩套保護(hù)之間沒有任何電氣聯(lián)系，防止因交叉停用導(dǎo)致保護(hù)功能缺失，當(dāng)一套保護(hù)裝置退出時(shí)不影響另一套保護(hù)裝置的運(yùn)行。

2.1 進(jìn)線保護(hù)

110 kV及以下的高壓線路保護(hù)絕大部分采用電流保護(hù)或距離保護(hù)，保護(hù)僅反應(yīng)線路一側(cè)的電氣量，不能區(qū)分本線末端和對側(cè)母線（或相鄰線始端）故障，只有反應(yīng)線路兩側(cè)的電氣量才能區(qū)分上述2點(diǎn)故障。為了達(dá)到有選擇性地快速切除全線故障的目的，需要將線路一側(cè)電氣量的信息傳輸?shù)搅硪粋?cè)，也就是在線路兩側(cè)之間發(fā)生縱向聯(lián)系，該保護(hù)稱為輸電線的縱聯(lián)保護(hù)，可以速動保護(hù)全長線路。按照保護(hù)動作原理，縱聯(lián)保護(hù)可分為2類：方向比較式縱聯(lián)保護(hù)和縱聯(lián)電流差動保護(hù)，方向比較式縱聯(lián)保護(hù)以線路兩側(cè)方向元件的動作行為作為動作判據(jù)，縱聯(lián)電流差動保護(hù)是以線路兩側(cè)電流間的相量（相位和幅值）關(guān)系作為動作判斷依據(jù)。

光纖電流差動保護(hù)原理：隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號的傳輸速率已達(dá)到可以快速準(zhǔn)確的傳送三相電流的采樣值，相當(dāng)于將線路兩側(cè)的電流互感器二次側(cè)連接起來。光纖分相電流差動保護(hù)借助線路光纖通道，實(shí)時(shí)地向?qū)?cè)傳遞采樣數(shù)據(jù)，如圖1所示，線路兩側(cè)采樣數(shù)據(jù)借助于高壓線路光纖通道實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各側(cè)保護(hù)利用本地和對側(cè)電流數(shù)據(jù)按相進(jìn)行差動電流計(jì)算，比較被保護(hù)線路兩側(cè)各相的電流大小與相位，對正常運(yùn)行、區(qū)內(nèi)故障、區(qū)外故障作出判別。

圖1 光纖差動保護(hù)原理圖

蘭新高鐵甘肅及青海省境內(nèi)牽引變電所采用330 kV進(jìn)線，雙回路電源引入。牽引變電所的 330 kV電源進(jìn)線設(shè)失壓保護(hù)，電源母線間不設(shè)母聯(lián)隔離開關(guān)，330 kV牽引變電所線路均根據(jù)電力部門要求配置了2套光纖電流差動保護(hù)作為線路的主保護(hù)，并配置信息采集裝置上傳地方電調(diào)。為了實(shí)現(xiàn)“由不同的保護(hù)動作原理、不同廠家的硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)成”的雙重化保護(hù)配置，其中一套牽引變電所進(jìn)線保護(hù)裝置采用了許繼電氣有限公司的GXH803A-201G光差保護(hù)柜（WGQ-871微機(jī)故障啟動裝置、WXH-803/A數(shù)字式電流差動保護(hù)裝置），包含以光纖電流差動為主體的全線速動主保護(hù)，由三段式相間和接地距離保護(hù)等構(gòu)成的后備保護(hù)；另一套采用的是北京四方繼保自動化股份有限公司的CSC-103A（B）線路保護(hù)裝置，其主保護(hù)為縱聯(lián)電流差動保護(hù)，后備保護(hù)為三段式距離保護(hù)、四段式零序電流保護(hù)等，個(gè)別所采用了南京南瑞繼保電氣有限公司的PRC31BM-54型光纖分相電流差動保護(hù)柜（RCS-931數(shù)字式線路保護(hù)裝置、RCS-925遠(yuǎn)跳過電壓保護(hù)裝置）與北京四方保護(hù)裝置的組合。

高壓線路保護(hù)采用雙重化配置的目的是防止保護(hù)裝置由于元器件的損壞而造成保護(hù)拒動，如果2套裝置由于原理不完善造成保護(hù)拒動，將不能達(dá)到雙重化配置的目的。2套裝置在動作特性上均采用了比率制動原理，目前差動保護(hù)不同原理主要體現(xiàn)在制動特性不同，有二段式也有三段式，各廠家內(nèi)部算法也各不相同，但實(shí)質(zhì)上2套裝置就保護(hù)原理來說是相同的，其動作邏輯也是一樣的，只是在動作范圍內(nèi)的靈敏度上有所區(qū)別。

2.2 牽引變壓器保護(hù)

牽引變壓器綜合自動化功能配置的基本要求：牽引變電所綜合自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，集中組盤安裝方式。系統(tǒng)由站級管理層、通信層、間隔層3部分設(shè)備組成。間隔層設(shè)備包括雙套主變壓器保護(hù)裝置和雙套主變壓器后備保護(hù)裝置。

蘭新高鐵采用的是2臺單相變壓器組成VV接線的線路變壓器組形式。330 kV牽引變壓器設(shè)置的差動保護(hù)、高低壓側(cè)低電壓啟動過電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)均按雙套配置。本體設(shè)置的輕重瓦斯、油溫一段二段、壓力釋放等保護(hù)除外，其中過負(fù)荷、輕瓦斯、油溫一段作用于發(fā)出信號，其余作用于跳閘。牽引變電所330 kV進(jìn)線側(cè)電流互感器采用8個(gè)二次線圈，1個(gè)用于計(jì)量，1個(gè)用于測量，6個(gè)用于保護(hù)。330 kV斷路器設(shè)有2套相同而又各自獨(dú)立的分閘裝置，每1套分閘裝置動作時(shí)或2套裝置同時(shí)動作時(shí)均應(yīng)保證設(shè)備的機(jī)械特性。

蘭新高鐵牽引變電所牽引變壓器采用了天津凱發(fā)電氣股份有限公司（下文簡稱天津凱發(fā)）的DK3530A保護(hù)裝置和南京自動化股份有限公司（下文簡稱南自公司）的WBZ-65A保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)了主變保護(hù)雙重化配置。差動保護(hù)由比率差動保護(hù)和差動速斷保護(hù)2個(gè)元件組成，均采用了三折線比率制動原理。其特性曲線如圖2。

圖2 比率差動保護(hù)特性曲線圖

2.2.1 比率差動保護(hù)

比率制動特性用以避開電流互感器產(chǎn)生的誤差，防止勵磁涌流可能導(dǎo)致的差動保護(hù)誤動。天津凱發(fā)保護(hù)裝置的比率差動閉鎖判據(jù)有差動電流二次、三次、五次諧波閉鎖、低壓側(cè)相電流二次諧波閉鎖，二次電流的方向設(shè)定為流出方向?yàn)檎较?。南自公司保護(hù)裝置差動判斷依據(jù)是高低壓側(cè)對應(yīng)的兩相電流的矢量差，因此，要求高低壓側(cè)電流互感器極性應(yīng)保持同名端輸入。

2.2.2 差動速斷保護(hù)

弓網(wǎng)拉弧或機(jī)車投斷負(fù)載及變壓器內(nèi)部故障，使差動電流中含有較大的二次分量，易導(dǎo)致保護(hù)延時(shí)甚至拒動，為此增設(shè)了差動速斷保護(hù)裝置。天津凱發(fā)的保護(hù)裝置在檢測到某一相差動電流大于本相的差動電流速斷定值時(shí)，瞬時(shí)動作出口，快速切除變壓器區(qū)內(nèi)發(fā)生的嚴(yán)重故障。

牽引變壓器主保護(hù)采用不同勵磁涌流鑒別原理的比率差動保護(hù)和故障分量差動保護(hù)、差動速斷保護(hù)和重瓦斯保護(hù)。配置2套相同的低壓啟動過流保護(hù)為后備保護(hù)。輕瓦斯、油位、溫度等非電量保護(hù)未實(shí)行雙重化配置。

由于同一廠家同一批次產(chǎn)品在原理設(shè)計(jì)、器件選型、加工工藝等過程中可能存在一定的不合理性，在某些情況下可能2套裝置同時(shí)失效，使系統(tǒng)失去保護(hù)。鑒于此實(shí)際情況，在目前尚未具備更為理想和完善的保護(hù)裝置的情況下，采用不同保護(hù)原理和不同生產(chǎn)廠家的2套保護(hù)作為雙重化配置有利于性能互補(bǔ)，提高保護(hù)的可靠性。

3 牽引變電所保護(hù)雙重化動作案例

2015年5月5日11時(shí)11分25秒105毫秒，丹霞牽引變電所主變壓器壓力釋放動作，102、203、204斷路器跳閘，當(dāng)時(shí)運(yùn)行方式為2號進(jìn)線3#、4#主變運(yùn)行，1號進(jìn)線1#、2#主變熱備。由于主變二次側(cè)F相電流互感器絕緣擊穿炸裂，導(dǎo)致運(yùn)行系統(tǒng)27.5 kV側(cè)F1母線近端金屬性短路接地，處于熱備狀態(tài)的1#系統(tǒng)牽引變壓器的330 kV側(cè)電流互感器中無電流通過，2×27.5 kV側(cè)電流互感器經(jīng)母線帶電，造成1#主變差動保護(hù)出口動作。故障報(bào)告顯示2015-05-05 11:11:25.105丹霞牽引變電所南自1#變壓器保護(hù)裝置差動出口動作。

對該變壓器2套保護(hù)裝置分別進(jìn)行動作可靠性試驗(yàn)，經(jīng)驗(yàn)證2套保護(hù)裝置均能可靠動作，變壓器差動保護(hù)動作試驗(yàn)報(bào)告見表1。表1中設(shè)備名稱顯示為“1號變壓器保護(hù)裝置”的是國電南京自動化股份有限公司的變壓器保護(hù)試驗(yàn)情況，設(shè)備名稱為“1與2號變差動保護(hù)裝置”的是天津凱發(fā)電氣股份有限公司的變壓器保護(hù)試驗(yàn)情況。

表1 變壓器差動保護(hù)動作試驗(yàn)報(bào)告表

2015年11月20日16時(shí)14分53秒582毫秒，青沙灣牽引變電所2號主變低壓側(cè)202斷路器跳閘,低壓側(cè)過流出口，綜自后臺發(fā)出的報(bào)文見表2和表3。

表2 青沙灣牽引變電所事故記錄表

表3 青沙灣牽引變電所故障報(bào)告表

2016年9月22日J(rèn)MC變電所合102斷路器時(shí)合閘失敗，發(fā)出“3號變測控保護(hù)裝置差動保護(hù)”、“4號變測控保護(hù)裝置差動保護(hù)”事故報(bào)警，對3、4號主變的南自及凱發(fā)差動保護(hù)裝置進(jìn)行測量及保護(hù)回路校驗(yàn)，測量顯示及保護(hù)出口均正常，后臺機(jī)只有南自裝置給出的報(bào)告而無凱發(fā)裝置發(fā)出的報(bào)告，在裝置上進(jìn)行查找發(fā)現(xiàn)凱發(fā)裝置保護(hù)啟動但未出口跳閘。

4 結(jié)語

高鐵牽引變電所采用的是雙電源、雙回路受電，牽引變壓器采用固定備用方式并具備自動投切功能，無論是進(jìn)線還是變壓器發(fā)生故障，都能夠通過切換投入到備用系統(tǒng)運(yùn)行，牽引變壓器是否按雙重化原則配置存在爭議。隨著高鐵供電技術(shù)的發(fā)展，在盡量遵循電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)置原則的基礎(chǔ)上，優(yōu)化牽引變電所保護(hù)配置方案，使之得到進(jìn)一步的改善。

[1] GB14285-2006 繼電保護(hù)及安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 陸琛杰. 高壓線路光纖電流差動保護(hù)雙重化配置的探討[J]. 寧波化工，2008，（1）：24-27.

[3] 國能安全[2014]161號防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求[S].

[4]國家電網(wǎng)生[2012]352號國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施[S].

[5] 魏建忠. 高速鐵路牽引變壓器保護(hù)雙重化配置方案[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（8）：110-110.

[6] TB10621-2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

The paper illustrates reasons for dual configuration for protection of traction substation of high speed railway, introduces present situations of incoming line protection and dual configuration for protection of traction transformers, and analyzes cases of site failures.

High speed railway; traction substation; relay protection; dual configuration

U224.4

B

1007-936X(2017)02-0005-04

常 鵬.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，工程師，電話：13669389463；常占寧.蘭州鐵路局供電處，高級工程師。

2016-05-19