地面自动过分相装置继电保护研究

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摘  要：随着我国电气化铁路的快速发展，地面自动过分相装置已获批量应用。为全面保障地面自动过分相装置和牵引供电系统的安全运行，文章对于地面自动过分相装置继电保护方案进行了较为深入的研究。通过功能需求分析，基于单板功能独立和模块化设计理念，设计了全面符合数字化变电站标准、可便捷配置和扩展的地面自动过分相装置继电保护系统硬件架构，同时，根据过分相特殊工况需求并考虑与牵引变电所馈线保护配置的协同，制定了差异化保护策略，能够充分保证地面自动过分相装置的可靠性、可用性和安全性，保障电力机车及牵引供电系统的安全运行。目前，该继保系统已在现场长期应用至今，经受牵引供电系统过流、速断、自动重合闸等各种复杂工况检验，保护功能完善、选择性好、可靠性高。

关键词：自动过分相;继电保护;硬件架构;保护策略

中图分类号：U223.8        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）13-0097-04

Abstract： With the rapid development of China"s electrified railways， the ground automatic neutral-section passing device has been applied in batches. In order to fully guarantee the safe operation of the device and the traction power supply system， this paper has carried out an in-depth study on the relay protection scheme of the ground automatic neutral-section passing device. Through functional requirements analysis， based on the independent function and modular design concept of single board， the hardware architecture of relay protection system of the ground automatic neutral-section passing device that fully complies with the digital substation standard and can be conveniently configured and expanded is designed. At the same time， according to the special working conditions of passing neutral-section and consider the synergy with the line protection configuration of the traction substation， a differentiated protection strategy is proposed， which can fully guarantee the reliability， availability and safety of the ground automatic neutral-section passing device， and also ensure the safe operation of the electric locomotive and the traction power supply system. At present， the relay protection system has been applied in the field for a long time， and its functions have been verified through the complex working conditions such as over-current， quick-break and automatic reclosing of the traction power supply. The protection function is perfect， the selectivity is good， and the reliability is high.

Keywords： automatic neutral-section passing; relay protection; hardware architecture; protection strategy

引言

我國交流电气化铁路牵引供电系统采用27.5kV单相供电方式，牵引变电所将公共电网110kV或220kV等级的三相电源转换成27.5kV的单相交流电供给牵引供电网[1]。为抑制负序，平衡电力系统的A、B、C三相电流，牵引变电所接入电源相序采用轮流转换方式[2]。为防止相间短路，在牵引变电所出口和供电臂末端设置了由锚段式关节构成的电分相区（中性区），两相邻牵引供电臂不直接连通[3]。机车通过分相区时，可选择人工手动过分相、车载自动过分相或地面自动过分相等方式。当机车运行速度低于80km/h时，可采用人工手动断电过分相方式，但司乘人员瞭望和操作频繁，劳动强度大，极易造成带电闯分相引起拉弧，导致接触网损毁事故。因此，我国既有线改造和新建线路均采用车载断电自动过分相或地面转换自动过分相。车载断电自动过分相无需人工干预、投资小、技术成熟，适应于低速、常速、高速列车的要求，应用范围广泛，但存在列车降牵引、速度损失大、存在过电压冲击等缺点[4]，不适应高坡、重载线路。地面转换自动过分相通过给中性段交替供电，机车失电时间短，速度损失小，能够适应复杂编组;同时车上主断路器不动作，减小了开断次数，有效延长机车主断的使用寿命，在神朔线、宝成线、北同蒲等高坡、重载电气化铁路得到了广泛应用，综合运输效益提升明显[5]。但是，对于地面自动过分相装置的继电保护技术，国内外一直未有较为全面、深入研究及成熟、可靠的现场应用。

1 需求分析

1.1 装置构成

图1为我司研制的新型地面自动过分相装置一次系统图，装置采用高压大功率晶闸管阀组替代真空断路器作为核心执行机构，系统响应迅速，导通和关断时刻精确可控，无机械寿命限制，维护简单便捷，本文即以该装置为基础进行继电保护技术系统性研究。地面自动过分相装置通过检测电力机车的运行位置，自动控制晶闸管阀组将中性区与左右两侧供电臂交替导通，保证电力机车带电无感知通过分相区，全程无需司机手动分闸或机车控制分闸。图中J1、J2、J3为位置传感器，布置在轨道两侧;隔离开关QS1～QS3、电流互感器CT1～CT4、电压互感器PT1～PT3、断路器QF1～QF2、晶闸管阀组V1～V2，电阻R，电容C，放电线圈FD等均安装于牵引变电所内。装置一次电源分别经QS1和QS2由牵引供电系统27.5kV侧A臂和B臂馈线引入，并通过QS3引出至接触网中性区给机车供电。

1.2 关联关系

由于地面自动过分相装置涉及牵引供电、接触网、信号等各个专业，属于多学科交叉系统性工程，因此必须构建全面、完善、可靠的继电保护方案，确保装置本身及牵引供电系统的安全运行。同时，由于装置自身构成复杂，需将装置内部各子部件按照功能进行分组归类，划分为位置检测单元、控制单元、执行控制单元及继保单元等多个专业单元，以简化继保单元的接口设计，各单元之间关联关系见图2。

（1）位置检测单元

J1、J2、J3检测电力机车的位置并将信号传输至控制单元，同时将自身工作状态传输至继保单元。

（2）控制单元

控制单元依据位置检测单元（J1、J2、J3）、电压互感器（PT1、PT2）提供的信号，进行逻辑运算之后将控制命令传输至执行单元。控制单元将自身的工作状态传输至继保单元，同时可以接收继保单元的动作预告信号，封锁控制信号，实现辅助保护。

（3）继保单元

检测断路器（QF1～QF2）、隔离开关（QS1～QS3）、电压互感器（PT1～PT3）、电流互感器（CT1～CT4）、放电线圈（FD）、位置检测单元、控制单元、执行单元的信号，根据预设的保护逻辑和定值进行全面保护。

（4）执行单元

执行单元主要包括V1和V2两个晶闸管阀，单个阀均由反并联晶闸管元件顺序单向組串而成。

1.3 主要功能

经需求分析，地面自动过分相装置继电保护设计既可以参考电气化铁路传统馈线保护的部分项点[6]，又需要根据过分相特殊工况需求，并考虑与牵引变电所线路保护配置的协同，形成差异化保护方案，以充分保证整套装置的可靠性、可用性和安全性。继保单元的主要功能应当包括：

（1）保护功能

包括过压保护（A相过电压、B相过电压、N相过电压、AB相过电压），线路重合闸保护（A相重合闸、B相重合闸），电流速断保护（A相电流速断、B相电流速断、RC支路电流速断），过流保护（A相过电流、B相过电流、RC支路过电流、相间过电流），差压保护（放电线圈差电压），数字量输入保护（执行单元故障信号、控制单元故障信号、位置检测单元故障信号等），并支持与变电所联跳和广域供电臂保护。

（2）记录功能

主要指事件与故障记录功能，保护装置运行状态通过面板指示灯反映，同时以事件或自检报告的方式记录下来。操作人员对装置的操作，如修改整定值、通过装置控制断路器或隔离开关动作等，将以事件报告的方式记录下来。

（3）通信和对时功能

继电继保单元能够通过以太网等接口与调试软件通信，操作人员可以通过调试软件界面查看装置以及外部设备的运行状态，查看、修改装置的设置参数。同时，继保单元通过以太网等接口与远程监控系统进行信息交换和GPS对时。

2 硬件架构

由系统一次图及功能单元关联关系图可知，地面自动过分相装置继电保护单元输入主要包含模拟量和数字量等，输出主要为数字量。基于单板功能独立和模块化设计理念，分别设计了电源插件、主控插件、通信插件、模拟量输入插件、数字量输入插件、数字量输出插件等不同类型的插件，全面符合数字化变电站的标准，可根据项目应用需求，进行差异化配置和扩展。

2.1 电源插件

电源插件将牵引变电所的220V或110V的直流电源转换为2组稳压电源输出：一组5V电源、一组24V电源。5V电源给主控插件、通讯插件、模拟量输入插件和装置面板等供电;24V电源主要为数字量输入插件、数字量输出插件供电。

2.2 主控插件

主控插件采用双CPLD+DSP+FPGA配置方案，依据模拟量输入插件传送的电压和电流值，以及数字量输入插件传送的开关量，经过保护算法和逻辑判断，完成保护和控制功能。通过10M/100M自适应双以太网接口，可满足星型、环形等网络拓扑结构设置。

2.3 通讯插件

通讯插件包含多路电接口和光纤接口，可采用IEC60870-5-103、IEC61850等通信规约，支持采用光纤冗余自愈双环网结构，可以满足不同类型的变电站对通信网络的需求。

2.4 GPS对时插件

GPS对时插件校时可采用SNTP协议、IEC61588、IRIG-B码、秒脉冲等方式校正装置的时钟。

2.5 模拟量输入插件

插件能够接入6路电压和6路电流，可以完成12路模拟量的A/D转换，支持电子式互感器和电磁式互感器，与主控插件的FPGA之间采用CAN总线进行数据交换。

2.6 数字量输入插件

装置能检测40路外部开入量，其中30路可自定义，满足各类项目扩展需求。开入量以电接口方式输入插件，再通过光耦进行光电隔离，确保电气隔离，保证继保单元的安全;与主控插件的CPLD1之间采用CAN总线进行数据交换。

2.7 数字量输出插件

装置能控制40路对外开出量，其中30路可自定义，满足各类项目扩展需求。开出量以继电器干接点形式输出，采用ARM微处理器进行控制，与主控插件的CPLD2之间采用CAN总线进行数据交换。

3 保护配置

以下对于地面自动过分相装置继电保护的主要项点配置进行原理性分析说明，各项保护定值需要根据不同项目应用现场的具体情况进行参数计算和校验整定。

3.1 过压保护

A相、B相、中性区均配置过压保护，通过比较PT1～PT3的电压采集值与设定值，并经过一定延时，控制保护动作输出。A相保护原理框图如图4所示，B相和中性区、以及AB相间过压保护与之类似。

3.2 线路重合闸保护

A相、B相均配置线路重合闸保护，通过比较PT1和PT2的电压采集值与设定值，以及确认QF1和QF2的合闸位置信号，并经过一定延时，控制保护动作输出。需要说明的是，过分相装置不设置欠压保护，且与常规欠压保护不同，过分相继保单元的线路重合闸保护延时设置较长，以实现与变电所馈线重合闸的协同配合，避免因非设备自身原因导致的频发跳闸保护。A相保护原理框图如图5所示，B相与之类似。

3.3 电流速断保护

A相、B相、中性区和RC支路均配置电流速断保护，通过比较CT1～CT4的电流采集值与设定值，并经过短时延时，控制保护动作输出。A相保护原理框图如图6所示，B相、中性区和RC支路与之类似。速断保护的保护定值大于过流保护定值，且延时较短。

3.4 过流保护

A相、B相、中性区和RC支路均配置过流保护，通过比较CT1～CT4的电流采集值与设定值，并经过一定延时，控制保护动作输出。A相保护原理框图如图7所示，B相、中性区和RC支路与之类似。过流保护的保护定值小于速断保护定值，且延时较长。

3.5 差壓保护

RC支路配置差压保护，通过比较放电线圈的电压采集值与设定值，并经过一定延时，控制保护动作输出。RC差压保护原理框图如图8所示。

3.6 故障输入保护

故障输入保护采集控制单元、执行单元、位置检测单元的故障状态信号（In）进行逻辑判断，当任何一个单元出现重故障，继保单元将收到故障信号输入，立即执行保护动作。

3.7 变电所联跳保护

本项保护选配，可通过软压板投退。当发生3.1-3.6故障时，在跳QF1和QF2的同时，可以开出多个自定义干接点信号，用于跳开牵引变电所各条馈线断路器。如图10所示，当过分相装置故障时，可以输出跳闸节点，选跳变电所牵引馈线断路器QF11～QF14。

3.8 广域远跳保护

本项保护选配，可通过软压板投退。当发生3.1-3.6故障时，在跳QF1和QF2的同时，可以发出GOOSE跳闸信号。对于复线末段并联方式，用于跳开变电所两个馈线断路器和两个分区所的断路器;对于全并联AT供电方式，用于跳开两侧变电所、AT所、分区所的同相供电臂馈线断路器。以图11所示的直接供电系统为例，上行过分相装置保护可以选跳QF11、QF13、QF15和QF16;下行过分相装置可以选跳QF12、QF14、QF15和QF16，以限制故障影响范围。

4 结束语

基于高性能牵引供电技术工程化项目，本文对地面自动过分相装置的继电保护需求进行了较为详细的分析，依据单板功能独立和模块化设计理念，设计了全面符合数字化变电站标准、可便捷配置和扩展的地面自动过分相装置继电保护系统硬件架构，同时，根据过分相特殊工况需求并考虑与牵引变电所线路保护配置的协同，制定了差异化保护策略，充分保证地面自动过分相装置的可靠性、可用性和安全性，保障电力机车及牵引供电系统的安全运行。目前，该继保系统已在现场长期运行至今，经受牵引供电系统过流、速断、自动重合闸等各种复杂工况检验，实现了与27.5kV馈线保护系统的完美配合，功能完善、选择性好、可靠性高。

参考文献：

[1]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[2]赵强，张润宝，薛玉霞，等.牵引变电所换相连接方式研究[J].电气化铁道，2010（2）：28-31.

[3]柴少强.接触网电分相分析[J].科技创新与应用，2015（15）：59-60.

[4]敖晓峰，刘仕兵.车载断电自动过分相装置[J].电气化铁道，2006（2）：5-10.

[5]罗文骥，谢冰.电气化铁道地面带电自动过分相系统技术的研究与应用[J].铁道机车车辆，2008，28（增刊）：27-33.

[6]刘淑萍.高速铁路牵引供电系统继电保护研究[D].成都：西南交通大学，2015.

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