牵引网馈线自适应保护配置方案

[摘要] 分析了牵引网馈线自适应距离保护、自适应电流速断保护、自适应电流增量保护和自适应过电流保护的原理，提出了牵引网馈线自适应保护的配置方案，初步设计了牵引网自适应馈线保护装置。

[关键词] 牵引网 馈线 自适应保护 配置

1 引言

牵引负荷是单相、变化的负荷，主要与线路情况、机车类型、列车重量和运行速度有关；牵引负荷电流中含有丰富的谐波成分，负荷的阻抗角大；牵引网供电臂供电距离长，且牵引网阻抗较大，相应的短路电流小；由于牵引负荷为移动负荷，接触网故障发生的几率较电力系统输电线路要频繁得多。由于牵引负荷的特殊性以及牵引网故障频繁的特点，牵引网馈线保护在牵引供电系统的保护中占有重要地位。本文借鉴电力系统中自适应保护的较完善的理论和运行经验，研究根据牵引负荷特点构成的牵引网馈线自适应保护方案，具有重要的理论和实际意义。

2 牵引网馈线自适应保护的原理

2.1 自适应距离保护

在现有的牵引网馈线保护装置中，一般采用距离保护作为主保护。由于电力机车经常运行在起动、调速、再生制动等工况下，以及降弓通过电分相再合闸时引起励磁涌流，因此，当线路上既有正常负荷又有再生负荷或励磁涌流时，其综合负荷就可能落入保护动作区，造成常规距离保护的误动作，如图1所示。

线路正常负荷运行时，由于电力机车为整流负荷，含有丰富的奇次谐波，其中以三次谐波的成分最高，一般可达到20%～30%，当存在再生负荷时，三次谐波的含量可以达到40%。而机车通过电分相或空载投入AT 牵引网时，产生的励磁涌流中含有丰富的二次谐波分量。与之相比，当接触网发生短路故障时，由于电力机车被旁路，短路电流基本为正弦波。因此，可以根据谐波成分的大小来区分负荷电流和故障电流。

定义综合谐波含量为：

其中 、 、 、 、 分别为负荷电流中的基波、二、三、五、七 次谐波。

阻抗继电器的动作方程为：

其中，R、X 为阻抗继电器的测量电阻和电抗； 、分别为阻抗继电器的电阻和电抗整定值。

牵引供电系统正常运行时，K>0，从而使 和 乘以一个小于1的系数，相当于把多边形阻抗继电器的线路边和负荷边收缩了。而机车运行于再生制动状态、通过电分相或空载投入AT牵引网时，电流中的谐波分量会比正常运行时更大，阻抗继电器的动作边界也缩小了。例如，当K=15%时，阻抗继电器的动作边界自动缩小13%;当K=35%时，阻抗继电器的动作边界自动缩小26%。而当馈线发生常规故障时， ，即 和 乘以1，从而保证阻抗继电器的动作边界不变。

2.2 自适应电流速断保护

牵引网馈线采用电流速断保护主要是为了保证馈线在发生近端故障时，保护装置能够快速动作，同时可以辅助判断牵引网异相短路故障。考虑到牵引网馈线自适应距离保护利用综合谐波含量自适应调节动作边界的方法，其本身就是基于故障电流的，因此可以直接用于实现电流速断保护的自适应。具体的动作特性为： ，式中， 为电流基波测量值，K为综合谐波含量， 为谐波抑制的加权系数， 为电流整定值。

2.3 自适应电流增量保护

牵引网发生高阻接地故障时，其测量阻抗比常规故障时的测量阻抗要高几倍至几十倍，距离保护将不能正确动作。当机车启动或者运行时，由于机车内大电感的作用，短时间内电流增量不会很大，而发生短路时，电流瞬间增大到短路电流，和机车启动或者运行时的电流增量相差非常大。电流增量保护的原理就是利用了短路时电流瞬间增大的特性，通过比较正常状态时的负荷电流和高阻故障时电流随时间变化的分量 不同来检出故障，交流 型继电器特性如图2所示。

图2 电流增量保护特性

其中电流增量 ， 、 分别为故障前后的电流值。 的整定值为该区间实际走行一列列车的最大电流值。一般情况下，一个供电区间的最大负荷电流约能达到列车最大电流的两倍左右，所以与普通的过电流继电器相比， 型保护继电器的选择能力为它的两倍。但当电力机车过分相或电分段时就无法避开负荷电流变化的分量；此外，由于电力机车起动的励磁涌流都可能使 型保护误动作，所以必须改善其性能。

可利用负荷电流中的三次谐波含量和二次谐波闭锁功能抑制继电器的动作。其动作方程为:

若 整定较低时，躲过渡电阻能力强，但在重负荷下 型继电器可能发生误动作，为此引入谐波含量系数对型继电器进行改造，在重负荷条件下，负荷电流中含有较大的谐波分量，改造后的 型继电器会随着负荷大小自动改变动作边界以避免在线路重负荷运行条件下发生误动作。动作方程为：

式中： 为综合谐波含量；

为自适应抑制系数。

2.4 自适应过电流保护

机车在线路上运行的时候，负荷电流经常变化，即在任一电流值下运行的时间都很短。而故障电流一经产生，就一直持续到故障切除以后才完结。因此根据电流持续时间的不同可以鉴别故障。根据这一原理构成具有阶梯特性的三段过电流保护。这是动作时间与被保护线路中电流的大小有关的一种保护，当电流大时，保护的动作时限短，而当电流小时动作时限长，保护根据实际的负荷电流时间曲线进行整定。三段过电流保护均可以根据实际情况投退。三段过电流保护一般保护线路全长，但由于牵引负荷电流的最大值同线路末端的最小短路电流相近，甚至小于最小短路电流，因此，三段过电流保护一般作为牵引馈线保护的后备保护，整定时要求躲过线路的最大负荷。保护特性如图3所示:

图3 三段过电流保护特性

自适应过电流保护也是通过引入电流的综合谐波分量，实现保护的自适应。对于重负荷线路，过电流保护还可以选择低电压闭锁和二次谐波闭锁功能。动作方程为:

（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 段）

式中:为综合谐波抑制系数， 为二次谐波闭锁值， 为基波电压， 为低电压启动值。 为过流保护的定值，按接触网承受过负荷的能力整定。

现有的牵引网馈线保护中，反时限过流保护应用比较多。其主要特征是动作时限与被保护线路中的电流大小相关，当电流大时保护的动作时限短，而电流小时动作时限长。实际运行中，有三种不同的反时限特性：一般反时限，非常反时限，极度反时限，可通过控制字选择投入。

3 牵引网馈线自适应保护的配置

以自适应距离保护为主保护，用以保护馈线的各种接地故障；以自适应电压增量保护、自适应电流增量保护、自适应过流保护和自适应电流速断保护作为后备保护，分别用于保护牵引网馈线异相短路故障、高阻接地故障、接触网过热及短路故障、近端短路故障。同时，根据馈线具体情况可配合二次谐波闭锁、低电压闭锁、PT 断线闭锁等功能。保护的逻辑框图如4所示。

图4 牵引网馈线自适应保护配置的逻辑框图

4 馈线保护装置的硬件设计

本文设计的保护装置除了要实现馈线具体保护功能外，还要实现模拟量数据采集和处理、定值和程序存储、开关量输入输出以及通信等功能，系统正常运行时进行检测，故障时作出动作判断。考虑到保护的配置情况且要求保护完全不受通信的影响，所以采用“DSP+ARM”的双CPU架构。利用DSP处理器运算速度快、擅长数字信号处理的优点，进行数据采集、计算、逻辑判断，实现保护功能；由ARM处理器完成与站级的通信功能。本装置的硬件系统结构采用模块化设计，主要包括：保护DSP模块、通信管理ARM主板模块、电源模块、液晶触摸显示模块、各输入输出模块等，如图5所示。

图5 硬件结构框图

图中，电源模块负责给各板提供合适的电源，根据各板上器件所需电源情况，将输入的交流220V转换成直流±5V、±12V、24V等，作为主板工作电源、输入输出驱动电源、液晶触摸屏电源及信号显示电源等等。

装置要求能够当地显示、维护即人机交互，设计了液晶触摸显示模块，用于显示装置工作状态、采集到的各种信息及操作记录等，还具有参数输入功能，可以修改装置的整定值等参数，方便当地操作、调试和维护。

通信管理ARM主板模块是本装置的核心部分，负责与DSP保护主板的信息交换、与液晶显示模块通信、与上层的CAN通信等，还带有调试用的串口及网口。DSP板采集的数据传给ARM主板，再由它统一上传和显示；从上层或触摸屏输入的整定值都由ARM主板输给DSP板，进行修改维护。

保护功能由保护DSP模块独立完成，保护功能完全独立，不依赖于ARM板，保护动作信息实时传给ARM板，整定值的修改通过接收ARM板传输的信息来实现。

模拟量、信号量的采集和输出控制由输入输出模块完成，对输入信号进行调理以供给DSP板采集；接收DSP板控制信号进行放大驱动，通过继电器控制各断路器、隔离开关，达到保护跳闸或遥控的目的。

5 小结

根据牵引负荷电流含有丰富的谐波成分的特点可构成自适应保护。利用实时检测到的综合谐波含量可对保护定值进行实时在线调整，即实时修改保护定值，可实现距离保护、电流增量保护、过流保护和电流速断保护的自适应。

本文的保护方案可用于保护牵引网馈线的各种故障，是一种较为完善的保护方案，对自适应继电保护的理论研究和工程实际具有借鉴意义。

参考文献：

[1] 王耀棠，肖霞，郭勤俭. 新型的牵引网馈线成套保护[J]. 继电器，2000，28(4): 50-52.

[2] 林湘宁, 刘沛, 井嵘. 基于DSP 实现多边形阻抗特性最佳判据的选择[J]. 电力系统自动化, 2003, 27(14):62-64.

[3] 高仕斌, 王毅非, 张劲. 牵引变电所异相短路故障及常规馈线保护动作行为分析[J]. 铁道学报, 2000, 22(4):24-27.

[4] 刘家军. 牵引变电所自动化馈线测控保护装置的研制[D]. 西安: 西安交通大学出版社, 2002.

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