溫曼越

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

10 kV電力貫通線為鐵路車站、沿線通信信號(hào)以及其他非牽引電氣設(shè)備供電，具有線路較長(zhǎng)、接入負(fù)荷點(diǎn)多、地理?xiàng)l件差、易發(fā)生故障等特點(diǎn)?？焖贉?zhǔn)確地隔離故障區(qū)段，恢復(fù)非故障區(qū)域供電是鐵路安全可靠運(yùn)行的根本保障。但是目前針對(duì)高速鐵路電力貫通線的繼電保護(hù)和故障區(qū)段隔離方案并不具有選擇性，如現(xiàn)有的保護(hù)裝置僅安裝在線路的首端，在線路任何位置發(fā)生故障后，保護(hù)跳閘將使全線停電，使得故障影響范圍大，極大降低了故障查找和恢復(fù)供電的效率。因此，電力貫通線路迫切地需要一個(gè)快速可靠的故障區(qū)段隔離方案，使得現(xiàn)有的問(wèn)題得以解決，在故障后不僅能夠快速識(shí)別故障，同時(shí)能夠快速切除故障區(qū)段，避免了人工拉合閘導(dǎo)致的非故障區(qū)間失電，提高故障查找和恢復(fù)供電的效率，保證電力貫通線的供電可靠性。

由于三段式的電流保護(hù)或距離保護(hù)難以取得較好的選擇性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了相繼速動(dòng)保護(hù)[1]和無(wú)通道保護(hù)方案[2]。無(wú)通道保護(hù)是自適應(yīng)保護(hù)的一種，其基本思想是利用對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作信息判斷故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)內(nèi)或區(qū)外，從而決定是否加速本端保護(hù)動(dòng)作，依靠單端量取得縱聯(lián)保護(hù)的效果[3-5]。中低壓配電系統(tǒng)中一般采用基于工頻量的無(wú)通道保護(hù)。配電線路無(wú)通道保護(hù)方案[6]利用一端保護(hù)先動(dòng)作跳閘后，另一側(cè)保護(hù)檢測(cè)故障動(dòng)作跳閘產(chǎn)生的單端工頻電氣量的變化，來(lái)獲取線路對(duì)端斷路器的動(dòng)作情況，在區(qū)內(nèi)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)相繼速動(dòng)。但在某些系統(tǒng)參數(shù)和故障類型下，電流的工頻突變量微弱，導(dǎo)致判據(jù)靈敏度不足，存在死區(qū)問(wèn)題[7，8]。對(duì)此，文獻(xiàn)[9]提出利用對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作后出現(xiàn)的零序和負(fù)序電流變化的故障信息，構(gòu)成瞬時(shí)動(dòng)作模式和延時(shí)動(dòng)作模式，提高了保護(hù)判據(jù)的靈敏度。文獻(xiàn)[10]通過(guò)加速阻抗圓檢測(cè)對(duì)側(cè)保護(hù)動(dòng)作，測(cè)量阻抗位于加速阻抗圓內(nèi)時(shí)，保護(hù)加速動(dòng)作。文獻(xiàn)[11]結(jié)合行波和阻抗信息的變化來(lái)區(qū)分故障發(fā)生時(shí)刻與對(duì)側(cè)斷路器的動(dòng)作時(shí)刻，以判斷對(duì)側(cè)保護(hù)的動(dòng)作情況。

以上無(wú)通道保護(hù)方案在輸配電網(wǎng)中已經(jīng)有相對(duì)成熟的研究，但在鐵路電力貫通線中的應(yīng)用研究幾乎沒(méi)有。因此本文將無(wú)通道保護(hù)應(yīng)用到電力貫通線中，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的備用電源自動(dòng)投入模塊，使其在故障后不僅能夠快速識(shí)別故障，同時(shí)能夠切除故障區(qū)段，可極大提高電力貫通線的供電可靠性。

1 基于無(wú)通道保護(hù)的電力貫通線故障隔離方案

如圖1所示，B1-B12和R1-R12分別為安裝在線路中的斷路器和繼電器。在單斷路器配置的線路中，要從兩端同時(shí)切除故障，每個(gè)繼電器需要根據(jù)潮流方向和故障方向的不同，判斷故障發(fā)生在斷路器的哪一側(cè)，投入不同的保護(hù)動(dòng)作模式。如果故障處于電源側(cè)，則繼電器位于負(fù)荷側(cè)，投入負(fù)荷側(cè)對(duì)應(yīng)的定時(shí)限動(dòng)作模塊——低電壓保護(hù)DUV(Directional Under Voltage)和加速動(dòng)作模塊——加速低壓低流保護(hù)ADCUV (Accelerated Directional Under Current Under Voltage)；如果故障位于無(wú)電源側(cè)，則繼電器位于電源側(cè)，投入電源側(cè)對(duì)應(yīng)的定時(shí)限動(dòng)作模塊——過(guò)電流保護(hù)OC(Over Current)和加速動(dòng)作模塊——加速過(guò)電流保護(hù)AOC[6](Accelerated Over Current)。

圖1 基本無(wú)通道故障隔離方案時(shí)限配置

當(dāng)故障k1發(fā)生在編號(hào)為2的區(qū)段上時(shí)，繼電器R2檢測(cè)到潮流方向和故障方向都為正向，因此為電源側(cè)繼電器，投入OC(t=0.9 s)和AOC(0.3～0.4 s)模塊；繼電器R3檢測(cè)到正向潮流方向，但故障方向?yàn)榉?，因此位于?fù)荷側(cè)，投入DUV(t=0.3 s)和ADCUV(1.9～2.0 s)模塊。比較而知，R3的DUV模塊的動(dòng)作時(shí)間最短，因此在0.3 s斷開(kāi)，將編號(hào)2之后的區(qū)段隔離，因此R4至R12將返回不動(dòng)作。然而R3之前的故障未被隔離，因此繼電器R2的AOC模塊在0.3～0.4 s的時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到非故障相電流的突變，判斷出R3已經(jīng)在0.3 s動(dòng)作，因此在0.4 s加速跳開(kāi)，至此故障區(qū)段被完全隔離。

依此類推，當(dāng)故障k3發(fā)生在編號(hào)為11的區(qū)段上時(shí)，R11的OC模塊和R12的ADCUV模塊先后動(dòng)作，在0.2 s時(shí)切除故障區(qū)段；而當(dāng)故障k2發(fā)生在編號(hào)為7的區(qū)段上時(shí)，則需在長(zhǎng)達(dá)1.0 s時(shí)才能切除故障區(qū)段。

因此，雖然無(wú)通道保護(hù)方案對(duì)首端和末端區(qū)段故障的切除時(shí)間較短，但對(duì)于中間部分的區(qū)段故障切除時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。電力貫通線采用小電阻接地，發(fā)生接地故障時(shí)通常故障電流很大，故障電流存在的時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)的危害越大。因此為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，對(duì)于線路中間段應(yīng)提出使故障切除時(shí)間更短的方案。

2 基于單端故障測(cè)距的電力貫通線故障隔離改進(jìn)方案

為了能夠從兩側(cè)切除故障，減小中間段故障隔離時(shí)間，針對(duì)故障切除時(shí)間較長(zhǎng)的中間區(qū)段，即線路的1/3至2/3范圍內(nèi)的保護(hù)裝置，增加DIS(Distance)保護(hù)模塊的配置，DIS模塊根據(jù)本端測(cè)得的三相電壓電流數(shù)據(jù)判斷故障距離。故障發(fā)生時(shí)，DIS模塊在電源側(cè)啟動(dòng)，依據(jù)單端故障測(cè)距的結(jié)果，判定故障是否在本端保護(hù)范圍內(nèi)，以決定是否加速本端保護(hù)的動(dòng)作[12]。

2.1 單端故障測(cè)距算法

假設(shè)故障阻抗Zf為純電阻[13]，則故障點(diǎn)處Zf的虛部為零，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中，UA、IA分別為測(cè)得的A相電壓和電流；Zr為線路單位阻抗；I0為線路零序電流；K為零序電流補(bǔ)償系數(shù)[14]；z0和z1分別為線路單位長(zhǎng)度的零序和正序阻抗。

故障阻抗可以表示為

(5)

故障距離x可以表示為

(6)

由此可見(jiàn)，隨著故障電阻Rf的增大，故障測(cè)距結(jié)果x將呈現(xiàn)比實(shí)際故障距離偏小的誤差。

2.2 加速動(dòng)作判據(jù)

(1)DIS(Distance)模塊動(dòng)作判據(jù)

DIS模塊的啟動(dòng)判據(jù)與AOC模塊相同；加速判據(jù)為故障測(cè)距的結(jié)果Ld在保護(hù)范圍xd之內(nèi)，即

Ld≤xd

(7)

xd為本區(qū)段DIS模塊的保護(hù)范圍，由于在上一小節(jié)中證明測(cè)距方法會(huì)導(dǎo)致偏小的測(cè)距結(jié)果，因此設(shè)置保護(hù)范圍xd為所保護(hù)區(qū)段的全長(zhǎng)。

為保證動(dòng)作的選擇性，使非故障區(qū)段的加速動(dòng)作模塊在時(shí)間窗內(nèi)不會(huì)誤動(dòng)，DIS的動(dòng)作時(shí)限需避開(kāi)OC以及DUV模塊的動(dòng)作時(shí)限。由于OC模塊和DUV模塊的動(dòng)作時(shí)限分別為

tOCm=0.1[2M-(2m-1)]

(8)

tDUVm=0.1(2m-1)

(9)

式中，m為斷路器編號(hào)；M為斷路器總個(gè)數(shù)。

因此設(shè)置DIS的動(dòng)作時(shí)限從母線到線路方向依次減小，即

tDISm=0.1(2M-2m)

(10)

因此對(duì)負(fù)荷側(cè)的ADCUV模塊增加對(duì)應(yīng)于DIS模塊動(dòng)作時(shí)限的動(dòng)作時(shí)間窗，該時(shí)間窗τ設(shè)定為以對(duì)側(cè)DIS模塊動(dòng)作時(shí)限為基準(zhǔn)的100 ms，即0.2～0.3 s、0.4～0.5 s、0.6～0.7 s等。如圖2所示，對(duì)于加速區(qū)段的ADCUV模塊，會(huì)配置兩個(gè)動(dòng)作時(shí)間窗，λ1對(duì)應(yīng)于DIS模塊的動(dòng)作時(shí)限，λ2對(duì)應(yīng)于原有的無(wú)通道保護(hù)方案OC模塊的動(dòng)作時(shí)限(作為備用)。DIS模塊或者OC模塊動(dòng)作后，對(duì)應(yīng)的ADCUV模塊都能夠在對(duì)應(yīng)時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到三相電壓和電流的降低，加速動(dòng)作切除故障區(qū)段。

圖2 ADCUV模塊動(dòng)作時(shí)間窗示意

(2)保護(hù)超越分析

(11)

這樣可能導(dǎo)致加速區(qū)段末端故障時(shí)DIS模塊拒動(dòng)，因此需配合保護(hù)裝置內(nèi)同時(shí)啟動(dòng)的OC模塊，在DIS模塊拒動(dòng)時(shí)切除故障。

2.3 改進(jìn)方案保護(hù)構(gòu)成與動(dòng)作邏輯

由于備自投的投入會(huì)導(dǎo)致線路潮流方向發(fā)生變化，因此由潮流方向和故障方向元件同時(shí)決定繼電器啟用電源側(cè)或是負(fù)荷側(cè)的動(dòng)作模塊[15]。具體保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改進(jìn)方案保護(hù)構(gòu)成

ADCUV模塊和AOC模塊的動(dòng)作流程如圖4所示。故障發(fā)生時(shí)，各模塊根據(jù)故障與潮流的方向判定位于負(fù)荷側(cè)還是電源側(cè)，并相應(yīng)投入ADCUV模塊或者AOC模塊。為防止保護(hù)的誤啟動(dòng)，設(shè)置啟動(dòng)計(jì)數(shù)器。在滿足啟動(dòng)判據(jù)后，AOC或ADCUV模塊啟動(dòng)計(jì)數(shù)，若在規(guī)定的時(shí)間窗內(nèi)滿足加速判據(jù)，則跳閘斷開(kāi)相應(yīng)的斷路器，否則返回不動(dòng)作；若ACDUV模塊位于加速區(qū)段，則返回后再次啟動(dòng)計(jì)數(shù)，若在下一個(gè)時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到三相電流和電壓接近于零，則跳閘斷開(kāi)相應(yīng)的斷路器，否則返回不動(dòng)作。

圖4 加速保護(hù)模塊動(dòng)作流程

2.4 備自投單元投入判據(jù)

備自投UV(Under Voltage)模塊的動(dòng)作判據(jù)通常為[16]

(12)

t=Tmax+Δt

(13)

式中，Ua、Ub、Uc為三相電壓有效值；Uset為故障整定電壓，通常設(shè)置為額定電壓的30%；t為模塊動(dòng)作時(shí)間，必須考慮系統(tǒng)中保護(hù)的最大動(dòng)作時(shí)間Tmax；Δt為動(dòng)作時(shí)級(jí)差，同樣取為0.2 s。

當(dāng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，若負(fù)荷側(cè)先動(dòng)作，則已將備自投模塊與故障點(diǎn)之間的區(qū)段隔離，無(wú)需等待故障區(qū)段被完全隔離，備自投UV模塊即可合閘供電。因此，新增UV模塊的啟動(dòng)判據(jù)為將三相同時(shí)失壓變?yōu)槿嘀腥我庖幌嗟氖篬17]

(14)

t2=Tmax2+Δt

(15)

式中，N為每個(gè)周期采樣數(shù)；Up(n-2N)為2個(gè)周期前電壓有效值；Up(n)為當(dāng)前周期電壓有效值，下標(biāo)P代表三相中的任一相。

發(fā)生故障時(shí)，UV模塊與線路上DUV模塊同時(shí)啟動(dòng)，其延時(shí)時(shí)間t2只需比負(fù)荷側(cè)DUV模塊的最長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間Tmax2高一個(gè)時(shí)間階梯Δt即可。

無(wú)通道保護(hù)對(duì)對(duì)稱故障的處理，應(yīng)首先保證故障切除的快速性。提出的不依賴通信的故障隔離方案，在對(duì)稱故障發(fā)生時(shí)從首端無(wú)選擇性瞬時(shí)切除故障。因此，為使得備自投裝置識(shí)別三相的失壓是由不對(duì)稱故障時(shí)負(fù)荷側(cè)斷路器跳閘引起還是三相對(duì)稱故障引起的，在以上判據(jù)的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)不對(duì)稱故障判據(jù)[18]

(16)

在同時(shí)滿足式(14)和式(16)的情況時(shí)，UV模塊才可以啟動(dòng)，使得備自投(BZT)不會(huì)再次重合于對(duì)稱故障上。

在無(wú)通信模式下，UV模塊的動(dòng)作判據(jù)分別根據(jù)故障區(qū)段電源側(cè)或者負(fù)荷側(cè)的先后動(dòng)作順序設(shè)定為：(1)電源側(cè)先動(dòng)作，UV模塊需等待負(fù)荷側(cè)動(dòng)作后再投入，因此需在到達(dá)延時(shí)時(shí)間t3時(shí)動(dòng)作；(2)負(fù)荷側(cè)先動(dòng)作，則UV模塊只需在檢測(cè)到任一相失壓后，與線路上DUV模塊同時(shí)啟動(dòng)，到達(dá)延時(shí)時(shí)間t2時(shí)動(dòng)作。綜上所述，備自投UV模塊動(dòng)作邏輯圖如圖5所示。

圖5 備自投UV模塊動(dòng)作邏輯圖

3 仿真分析

3.1 模型搭建

根據(jù)實(shí)際參數(shù)搭建全電纜電力貫通線仿真模型，在MATLAB/SIMULINK軟件中仿真驗(yàn)證本方案的正確性和有效性。如圖6所示，對(duì)于配置12個(gè)保護(hù)裝置的電力貫通線，加速區(qū)間編號(hào)為5-8的區(qū)段，在此區(qū)間內(nèi)使用基于單端故障測(cè)距的加速方案隔離故障區(qū)段。設(shè)置故障電阻為10 Ω，采樣頻率為1 kHz，對(duì)各電氣量基波相量的提取采用傅里葉變換[19]。

圖6 加速無(wú)通道故障隔離方案時(shí)限配置

3.2 加速區(qū)段故障分析

如圖6所示，設(shè)置在編號(hào)為8的區(qū)段上距離繼電器R8 0.916 km處于0.135 s發(fā)生B相接地短路故障，繼電器R8檢測(cè)到潮流方向和故障方向都為正向，因此為電源側(cè)繼電器，投入OC(t=0.7 s)和AOC(t為1.5～1.6 s)以及DIS(t=0.2 s)；繼電器R9檢測(cè)到正向潮流方向，但故障方向?yàn)榉?，因此位于?fù)荷側(cè)，投入DUV(t=1.5s)和ADCUV(t為0.2～0.3 s和0.7～0.8 s)。R5-R8繼電器同時(shí)啟動(dòng)DIS模塊進(jìn)行故障測(cè)距，但是R5-R7繼電器檢測(cè)到故障位于保護(hù)范圍之外，而R8的DIS模塊檢測(cè)故障距離為0.912 km，位于保護(hù)范圍的2.86 km之內(nèi)，比較而知，R8的DIS模塊的動(dòng)作時(shí)間最短，因此在0.335 s斷開(kāi)，將編號(hào)為8的區(qū)段之后的區(qū)段隔離。R1至R7檢測(cè)到三相電流恢復(fù)正常，返回不動(dòng)作。繼電器R9的ADCUV模塊在0.335～0.435 s的時(shí)間窗內(nèi)檢測(cè)到三相電壓和電流的有效值均接近于零，判斷出R7已經(jīng)在0.335 s動(dòng)作，因此在0.435 s加速跳開(kāi)，至此故障區(qū)段被完全隔離，本區(qū)段故障切除時(shí)間由0.8 s縮短至0.3 s。DIS模塊和ADCUV模塊的響應(yīng)波形分別如圖7和圖8所示。

圖7 R8的DIS模塊響應(yīng)

圖8 R9的ADCUV模塊響應(yīng)

相同故障條件下改變故障發(fā)生位置，當(dāng)故障發(fā)生在編號(hào)為8的區(qū)段上距離繼電器R8 0.12 km時(shí)，繼電器R7和R8的DIS模塊動(dòng)作判據(jù)如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，R7的保護(hù)范圍為1.726 km，測(cè)距結(jié)果為1.721 km；繼電器R8的保護(hù)范圍為2.86 km，測(cè)距結(jié)果為0.1 km，都在對(duì)應(yīng)的保護(hù)范圍之內(nèi)，而R8的DIS模塊動(dòng)作時(shí)間(t=0.2 s)小于R7的DIS模塊動(dòng)作時(shí)間(t=0.4 s)，因此0.335 s時(shí)斷路器B7動(dòng)作隔離故障區(qū)段，R8則返回不動(dòng)作。

圖9 R7和R8的DIS模塊動(dòng)作判據(jù)

以下分析故障點(diǎn)k2被隔離之后，備自投UV模塊的響應(yīng)。B相接地故障在0.135 s時(shí)發(fā)生，R8的DIS模塊在0.335s時(shí)動(dòng)作，R9的ADCUV模塊在0.535 s時(shí)動(dòng)作，隔離故障區(qū)段。t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s，從R8動(dòng)作的0.335 s時(shí)檢測(cè)到滿足動(dòng)作判據(jù)，因此UV模塊啟動(dòng)計(jì)時(shí)，應(yīng)在0.635 s時(shí)動(dòng)作；t2=Tmax2+Δt=(0.7+0.2) s=0.9 s，在故障發(fā)生的0.135 s時(shí)檢測(cè)到滿足動(dòng)作判據(jù)開(kāi)始計(jì)時(shí)，應(yīng)在1.035 s時(shí)動(dòng)作。比較而知t2動(dòng)作時(shí)間較短，如圖10所示，備自投UV模塊在0.635 s時(shí)動(dòng)作，恢復(fù)R9之后的非故障區(qū)段的供電。UV模塊投入后，R9之后的非故障區(qū)段的潮流方向?qū)⒎聪颍虼烁髂K的整定值和時(shí)限也應(yīng)當(dāng)重新配置，如圖11所示。

若k2點(diǎn)處的故障為三相短路故障，則如圖12所示，在0.135 s發(fā)生故障后，首端繼電器R1的OC模塊檢測(cè)到三相故障發(fā)生，瞬時(shí)無(wú)選擇性動(dòng)作切除故障?？紤]到合閘初期變壓器勵(lì)磁涌流的影響，設(shè)定動(dòng)作延時(shí)為60 ms。因此OC模塊在0.195 s時(shí)動(dòng)作切除故障時(shí)，備自投UV模塊雖然滿足兩個(gè)啟動(dòng)判據(jù)，但發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)不存在負(fù)序電流，不滿足不對(duì)稱故障判據(jù)，因此經(jīng)過(guò)t=Tmax+Δt=(0.1+0.2) s=0.3 s后，在0.495 s時(shí)不會(huì)投入動(dòng)作，以免造成三相短路故障的再次發(fā)生。

3.3 改進(jìn)方案加速效果分析

經(jīng)過(guò)大量仿真分析，改進(jìn)方案與原故障隔離方案的故障隔離時(shí)間如圖13所示。可見(jiàn)在配置12個(gè)保護(hù)裝置的線路中，最長(zhǎng)故障區(qū)段切除時(shí)間由1.1 s縮短至0.7 s，其中區(qū)段8的切除時(shí)間由0.8 s縮減至0.3 s(圖13中加速效果2)。因此，在基本無(wú)通道保護(hù)方案使得故障區(qū)段的最大故障隔離時(shí)間縮短一半的前提下，基于單端測(cè)距的故障隔離加速方案進(jìn)一步縮短了中間區(qū)段故障的隔離時(shí)間。對(duì)于配置更多保護(hù)裝置的線路，則故障隔離時(shí)間的加速效果會(huì)更加明顯。

圖10 不對(duì)稱故障時(shí)備自投UV模塊響應(yīng)

圖11 備自投投入后各模塊時(shí)限配置方案

圖12 對(duì)稱故障時(shí)備自投UV模塊響應(yīng)

圖13 兩種方案故障隔離時(shí)間對(duì)比

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了基于無(wú)通道保護(hù)原理的電力貫通線故障區(qū)段隔離方案，通過(guò)單端故障測(cè)距對(duì)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限進(jìn)行加速，解決了原無(wú)通道保護(hù)方案對(duì)貫通線路中間段故障隔離時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。針對(duì)提出的無(wú)通信條件下故障區(qū)段的隔離方案，研究了相應(yīng)的備用電源自動(dòng)投入方案，實(shí)現(xiàn)了故障區(qū)段被隔離后非故障區(qū)段供電的快速恢復(fù)，保證了電力貫通線運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

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