牵引变电所继电保护现状与应用研究

牵引变电所继电保护现状 与应用研究

曾思奎 王小兵

国网泸州供电公司 四川泸州 646000

摘要：在牵引变电站日常工作中，继电保护是其中的一个重要环节，它能够对各种故障和异常状态进行快速响应，从而最大限度地减小事故影响范围。然而，一旦继电保护中继电器出现故障，将直接影响到牵引电力系统的稳定运行。

关键词：牵引变电所；继电保护；故障分析；应对策略

牵引变电所是电气化铁路重要的组成部分，而牵引变电所继电保护则对牵引电力系统的安全可靠性有非常重要的影响，因此研究牵引变电所继电保护现状与应用对于保障电气化铁路运输的稳定运行有着重要的现实意义。

1牵引变电所继电保护现状

电力牵引供电系统日益复杂，其牵引供电系统受到自身结构的制约，很多重要的电源都没有备用保护，其中一个部件或设备发生故障，供电系统就会受到严重影响，甚至会对整个系统造成严重损害。同时，牵引设备的工作状况也非常恶劣，如牵引负荷迅速变化等。使用时，电机接收器会与导轨摩擦，容易产生脱开等现象。运行结果表明，牵引电源的故障频率远比电电力系统的故障频率要高。电气化铁道迫切需要更为精确、性能更好的继电器。

2继电保护的基础知识

2.1继电保护的含义

如图2.1所示，这是电气化轨道供电系统部分方案，虚线部分代表变电所。电源 I、II通过一系列变换将110kV三相高压电源转换成27.5kV单相电源，用于牵引供电。T₁和T₂为驱动变压器，实现27.5kV单相电压变换。T₃是一种电力变压器，主要负责将27.5kV三相电压降至6~10kV三相电压，为周边电力设备输送电能。QF₁~QF₁₂作为断路器，用来对电路进行分离和连接。

图2.1 电气化铁道供电系统部分示意图

2.2继电保护的基本要求

在继电保护工作中，通常对继电器有四个基本的技术要求：选择性、速度、灵敏度和可靠性。

2.2.1选择性

当电网某一特定部件发生短路故障时，继电保护装置应切断与短路故障连接的部分开关，以尽量减少故障范围，在切断后其他部分能正常可靠地工作。这个继电保护的特性叫做选择性。比如，在图2.1中，若 K₂点发生短路，只需要QF₃、 QF₅和 QF₇断开，隔离出短路故障部分后，其它非故障部分可以继续供电。为保证继电保护系统的选择性，必须正确、合理地选用继电保护方式和正确的整定计算，以使保护系统尽可能准确切除故障区域部分。

2.2.2 灵敏性

继电保护灵敏度是指在短路或异常情况下，保护装置在其保护范围内做出反应和灵敏动作的能力。灵敏度通常由灵敏度系数来衡量。

短路发生时保护装置参量增大，其灵敏度系数为：

例如，过电流保护装置的灵敏系数为：

其中，I_K.min为保护区末端金属性短路发生时的最小短路电流；I_ACT为过电流保护装置的动作电流。

2.2.3 可靠性

可靠性是指保护系统应该动作时必须可靠动作，在不应该动作时必须可靠不动作。为提高继电保护的可靠性，需要考虑以下几点：

(1）设计中选用的保护设备，应尽量减少继电器及接触器的数量，选用的继电器及其部件质量可靠；

(2）安装和建造的工艺质量要有保障；

(3）优化安装调试，强化运行与管理维护。

3牵引变电所电容保护

3.1电容保护的基本要求

牵引变电所电容保护主要包括电流保护和电压保护。

(1）电容保护中对电流保护的基本要求

过流保护的工作电流 I_AC应能避开变压器在正常工作状态下的最大负载电流 I_Lmax，而对过流保护的敏感系数 K_sen，用保护区终端最小二相短路电流进行检验，不能低于1.25；过流保护的时限特性必须按照阶梯式的原则进行调整。

(2）电容保护中对电压保护的基本要求

电压保护器是一种相间短路保护设备，它能响应母线的突然下降，并具有完全的电压。该系统由瞬时和定时两部分组成，构成三级保护梯形特征。保护装置 I段要求无时间限制，且保护装置的总长度不能少于总线的20%；Ⅱ段的灵敏度满足最小短路保护灵敏度；Ⅲ段应被用作邻近组件的远端备用。

3.2电容保护的原理

(1）电容保护中电流保护的原理

过流保护器不仅对发生在线路中的故障有充分的敏感，而且对相邻线具有一定的远地备用灵敏度，它的运行电压要高于线路最大额定负荷，并且在电流整定值和工作时间限制方面，必须与相邻线的备用部分相协调，这是一项非常重要的安全措施。

(2）电容保护中电压保护的原理

用于电压保护的主要元件是电压继电器。导线短路时，母线电压会下降。低电压继电器在母线电压低于低电压保护器动作电压时动作，且常闭触点闭合。

4牵引变电所继电保护设计实现

4.1测试系统主要功能

根据牵引变电所继电保护特性，设计测试系统方案，该测试系统主要实现以下功能：单体继电器测试、综合联动测试、电流/电压测量及系统自检等功能。

4.1.1继电器单体测试

针对各种类型的继电器，按测试需要，实现了各种保护功能的自动测试。本系统为变电站、开闭所、分区亭等设备的继电器检测提供了一种自动化的检测模块。检测人员仅需将检测车辆上的仪器与配电板通过专用接口相连，选定被测继电器的型号，即可进行各种性能的检测，并能自动存储检测结果，供操作者查询、打印。

4.1.2配电盘综合联动测试

检测车与分配器之间的特殊接口使得各分站台的二次电路板可以完全连接测试。若二次电路和相关继电器正常，则可持续、完整地测试，直至检查完毕；如果二次开关继电器不能正常工作，测试系统应提供错误信息，指出错误位置和继电器名称，以便检测员能准确地发现错误。

4.2继电保护测试软件设计

4.2.1测试系统信息模型

该测试系统要实现变电所、开闭所和分区亭所有继电器的单体、连动试验。由于PLC在数据处理能力和存储容量上的限制，本系统通过工业控制计算机来完成测试数据处理及大部分逻辑控制等工作，而 PLC主要完成逻辑转换单元的控制、安全保护等功能。

4.2.2继电保护测试软件总体结构

本系统采用了系统设置、单个测试、粘贴子程序、查询数据查询子程序、系统诊断子程序、电量虚拟测试子程序、系统维护子程序。系统设定要测试的网站。设置好后，系统将会自动识别目前的驱动程序编号及当前的检测状况。一套测试子程序模块，用于对保护面板和控制面板中的继电器进行单组或整组试验，并根据关键字如继码、盘号、站名等查找历史试验数据，完成数据分析；在输入了正确的使用者名称及口令后，可以将资料加入，修改或删除资料库。

5结论

本文从继电保护基本原理出发，对牵引变电所进行继电保护测试系统设计。实践表明，该测试系统能够很好地完成单个继电器测试和继电器综合连接测试功能，具有数据处理实验分析能力，提高了运行效率，对保证牵引系统运行可靠性具有重要意义。

参考文献：

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[2]周亚荣.牵引供电系统故障仿真模型及保护仿真的研究[D].北京交通大学, 2015.

[3]刘兴学.高速铁路牵引变电所继电保护方案探讨[J].铁道工程学报,2013,30(01):88-91.