CN101282037A - 牵引供电***异相短路的保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及继电保护技术领域，特别涉及一种牵引供电***异相短路的保护方法，包括下列步骤：对继电保护装置实时采集到的两供电臂间的相间电压进行计算，求出该电压的基波有效值；将相间电压的基波有效值与整定电压值进行比较，若小于或等于整定电压值，则根据两供电臂间的相间电压的采样值计算出该电压的三次谐波有效值；计算三次谐波有效值与基波有效值之间的比值，并将该比值与整定系数进行比较，若大于或等于整定系数，则检查保护装置有无PT断线标志，若无该标志，则说明牵引供电***发生了异相短路，保护装置发出跳闸信号。本发明能正确识别出正常运行或常规接地短路故障同异相短路故障之间的差别，具有性能完善，易于实现的优点。

Description

牵引供电***异相短路的保护方法

技术领域

本发明涉及牵引供电***的继电保护领域，特别涉及一种利用检测故障相间电压大小和三次谐波含量的异相短路保护方法。

背景技术

距离保护通过测量短路点至保护安装处的距离长度来区分区内外故障，是电力***输电网络中应用最为广泛的保护原理。电气化铁路牵引供电***是电力***的一个特殊用户，距离保护、电流保护等常规保护原理目前仍然是牵引供电***馈线保护采用的主要形式。在一般情况下，这些保护能够有效地动作于常规短路故障，从而起到馈线保护的作用。然而，当***发生异相短路故障时，常规保护将出现拒动的情况。

牵引供电***异相短路故障是指电力机车不降弓通过牵引变电所的电分相时，受电弓产生飞弧，最终使得分相区的绝缘器件被击穿，使得两供电臂短接的严重故障。电弧是一种强功率的自持放电现象，较低的电压就能维持相当长电弧的稳定燃烧，而在其作用下任何固体、液体或气体都会产生很强烈的物理及化学变化。由于电弧电阻具有非线性、时变性和高阻性的特点，使得常规馈线保护中的距离保护往往不能正确的动作。又由于电弧故障属于高阻故障，其检测具有一定的难度，所以这种变电所出口处的近区异相故障的危害是非常大的，近几年来，因为牵引供电***异相短路故障造成的常规馈线保护拒动现象，已经给铁路运输***带来不可估量的损失。国内目前已有文献提出过一些异相短路的保护方法，例如文献[1]提出了基于牵引变电所异相短路的自适应保护原理，文献[2]提出利用电流速断和阻抗保护进行配合等方案。但这两种方法都存在着灵敏度低、难于整定等缺陷。

因此，有必要针对电气化区段所采用的主变压器接线形式和供电方式，在变电所出口处设置专门的异相短路保护装置。

参考文献：

[1]陈维荣.钱清泉.王蔚然.牵引供电***电弧故障的自适应继电保护[J].电子科技大学学报，1999，22(4)：392-396.

[2]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)：4-27.

发明内容

本发明针对牵引供电***发生异相短路故障时，常规保护不能动作的情况，提出了一种异相短路保护方法。

本发明采用如下的技术方案：

一种牵引供电***异相短路的保护方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)对继电保护装置实时采集到的两供电臂间的相间电压进行计算，求出该电压的基波有效值；

(2)将相间电压的基波有效值与整定电压值进行比较，若小于或等于整定电压值，则进入下一步的判断；

(3)根据两供电臂间的相间电压的采样值计算出该电压的三次谐波有效值；

(4)计算三次谐波有效值与基波有效值之间的比值，并将该比值与整定系数进行比较，若大于或等于整定系数，则进入下一步的判断；

(5)检查保护装置有无PT断线标志，若无该标志，则说明牵引供电***发生了异相短路，保护装置发出跳闸信号。

上述的牵引供电***异相短路的保护方法，步骤(1)和步骤(3)中可以利用傅里叶算法计算基波有效值和三次谐波有效值，整定系数最好为0.3；整定电压最好为供电臂线电压的0.8倍。

本发明充分利用了异相经过电弧发生短路时，会使得相间电压大幅度下降并且产生大量三次谐波的特点，提出了一种基于检测故障相间电压的大小和三次谐波的含量的保护方法，能正确识别出正常运行或常规接地短路故障同异相短路故障之间的差别；且具有性能完善，易于实现的优点，可作为牵引网异相短路的主保护，并与牵引网馈线成套保护结合，组成牵引网完整的保护。具体而言，具有如下突出的技术效果：

1.理论上讲，由于牵引供电***的电压等级不很高(27.5kV)，而异相短路又是通过3到4块玻璃钢形成电弧通道的，弧长就显得相对很大。因此，电弧的非线性特性体现比在高压电力***中更明显，从而使得故障相电压中含有很高的谐波分量。正是因为这个原因，本发明的保护方法对异相短路才更为有效。

2.实际的牵引供电***中，电力机车的整流电路会产生谐波。但由于采用的多是三相或六相整流，其主谐波频率为300Hz或600Hz，不会对本发明判据造成影响。

3.在变压器空投和受电弓接入瞬间的暂态电压中也会包含三次谐波。对前者可利用变压器差动保护三次谐波的制动输出将其闭锁以防误动作；对后者一般情况下三次谐波的含量不会超过30％，对本发明判据不会造成影响。

4.本发明原理简单，物理意义清晰，在保护装置中易于实现。

附图说明

图1为本发明的牵引供电***异相短路保护方法的方框图。

具体实施方式

下面结合本发明的实现原理和实施例对本发明做进一步详述。

电气化铁道采用单相供电方式。为了使电气化铁道从电力***三相电网取流基本对称，电气化铁道采用了分相分段取流的方法，即每隔20~25km设置一个分相段，相邻分相段由不相同的两相供电，相邻分相区有30m左右的供电死区，该死区主要由分相绝缘器构成。分相绝缘器的作用是将牵引网上不同相位的电能隔离开，以免发生相间短路，并起机械连接作用，使牵引网成为一个整体。分相绝缘装置包括分相绝缘器和有关分相绝缘器的线路标志。分相绝缘器一般由三块或四块相同的玻璃钢绝缘件组成。每块玻璃钢绝缘件长1.8m、宽25mm、高60mm，其底面制成斜槽，以增加表面距离。玻璃绝缘件之间的接触线无电，称为中性区，中性区的长度按照规定不小于18m。。

电力机车通过分相区需要一道严格的程序，目前我国绝大部分线路采用的是车上人工转换法，即机车行至分相区时，司机先要退级、关辅助机组、断主断路器，惰行通过分相区后，再逐项恢复。这种人工转换法不仅司机劳动强度大，而且通过无电区时间长，机车速度下降多。司机稍不留神，忘记降弓或者受电弓与接触线的间隔太小，很可能会带电通过分相区。例如：当电力机车不降弓由c相通过电分相向b相运行时，牵引网电压在c相——受电弓滑过绝缘体形成的间隙——受电弓——电力机车——钢轨形成回路，从而形成沿面放电。当受电弓继续在绝缘体上滑行时，先前放电的部分靠电弧形成通路，逐步闪络直至沿整个绝缘体完全闪络，就形成了b、c两相的相间短路，也就是牵引供电***的异相短路。

仿真和实验研究结果表明：牵引供电***发生异相电弧短路时，故障相电压U_bc有较大的降低；两供电臂的电压也发生改变，超前相电压U_ba升高，滞后相电压U_ca降低；变电所出口处三相电压都有一定的畸变，其中故障相电压U_bc畸变最为严重，电压波形近似方波，这说明故障相电压中含有大量的3，5，7次谐波，尤其以三次谐波的含量最大。但是，因为各个电流电压的基波幅值不一样，所以不能简单以谐波的幅值来衡量谐波的含量。常规距离保护采用的测量量I_g、U_ca和U_ab中，三次谐波含量均未超过15％，只有故障相间电压U_bc中三次谐波与基波的有效值比值在30％以上。由此可见，三次谐波在发生异相短路的故障相间电压中含量很高，可以考虑将三次谐波引入故障判据。

本发明采用故障相间电压作为测量量，利用异相短路时故障相间电压中含有很高的三次谐波的特点，构成如公式(1)中动作判据的异相短路保护，一旦发生短路故障，两供电臂将同时跳开以切除故障。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{bc}1}\≤U_{\mathrm{zd}}\\ k=\frac{U_{\mathrm{bc}3}}{U_{\mathrm{bc}1}}\≥k_{\mathrm{zd}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

U_bc1——异相短路时的故障相电压的基波有效值

U_zd——整定电压值，根据经验值，整定电压值取U_zd＝0.8U_n＝22kV，U_n为供电臂线电压

U_bc3——故障相间电压中的三次谐波有效值

k_zd——整定系数取0.3

具体实施步骤如下：

(1)首先利用傅里叶算法对继电保护装置实时采集到的电压u_bc进行计算，求出电压的基波有效值U_bc1；

(2)将U_bc1与整定电压值U_zd进行比较。若小于整定值，则进入下一步的判断；

(3)利用傅里叶算法对继电保护装置实时采集到的电压u_bc进行计算，求出电压的三次谐波有效值U_bc3；

(4)计算得到U_bc3/U_bc1的数值，将该数值与整定系数k_zd进行比较。若大于整定系数，则进入下一步的判断；

(5)检查保护装置有无PT断线标志。若无该标志，则说明牵引供电***发生了异相短路，保护装置发出跳闸信号。

上述实施方法表明，本发明基于检测故障相间电压的大小和三次谐波的含量的保护方法物理意义清晰，通过两个简单、易于实现的判据能够正确识别异相短路故障和常规短路故障，具有应用价值。

Claims (4)

1.一种牵引供电***异相短路的保护方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)对继电保护装置实时采集到的两供电臂间的相间电压进行计算，求出该电压的基波有效值；

(2)将相间电压的基波有效值与整定电压值进行比较，若小于或等于整定电压值，则进入下一步的判断；

(3)根据两供电臂间的相间电压的采样值计算出该电压的三次谐波有效值；

(4)计算三次谐波有效值与基波有效值之间的比值，并将该比值与整定系数进行比较，若大于或等于整定系数，则进入下一步的判断；

(5)检查保护装置有无PT断线标志，若无该标志，则说明牵引供电***发生了异相短路，保护装置发出跳闸信号。

2.根据权利要求1所述的牵引供电***异相短路的保护方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中利用傅里叶算法计算基波有效值和三次谐波有效值。

3.根据权利要求1所述的牵引供电***异相短路的保护方法，其特征在于，整定系数为2.5。

4.根据权利要求1所述的牵引供电***异相短路的保护方法，其特征在于，整定电压为供电臂线电压的0.8倍。