一种电缆故障保护装置及其保护方法与流程

本发明属于电缆线路故障保护技术领域。

背景技术：

目前高速铁路贯通线全线铺设电缆线路，10kv贯通线为铁路车站、沿线通信信号以及其他非牵引电气设备供电，其具有线路较长、负荷点分散、易发生故障等特点，绝大多数故障为局部放电引起的单相接地短路。

目前高速铁路配电系统采用小电阻接地的方式，且不允许自动重合闸，原因如下：(1)对于永久性故障，断路器重合闸不但是多余的，而且加大了断路器操作机构的磨损，增加了维护成本；(2)对于瞬时性故障，考虑到可能开始时故障点未被击穿，若配电所中断路器重合闸后还可能造成故障的扩大。

这样，当高速铁路贯通线路发生故障时，首先由配电所中断路器跳闸切除两配电所间整条贯通线路，再由调度端通过“二分法”给分支箱分段送电判断故障处于哪两个分支箱间，最后在此区段人为查找。由于不使用自动重合闸，这种电缆故障处理方式使电缆线路供电可靠性降低，且存在两个问题：一是故障定位速度慢，停电时间长；二是电缆线出现故障后需要切下相邻配电所间整条线路，停电范围大。这两个问题造成很大的经济损失。因此高速铁路贯通线路迫切需要一个快速可靠的故障保护方法，使其能够快速识别与切除故障区段，在不需要配电所自动重合闸的条件下避免非故障区段失电，提高贯通线故障查找和恢复供电的效率，保证电力贯通线的供电可靠性。

本发明提出一种电缆故障保护装置及保护方法，可解决或改进上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种电缆故障保护装置，它能有效地解决非故障区段失电的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种电缆故障保护装置，包括高速铁路10kv贯通线沿线各电缆分支箱以及沿线配电所内的主站计算机，10kv贯通线的电缆分支箱内前端串接保护装置，该保护装置设有断路器，10kv贯通线输入箱内与断路器的输入连接，断路器的输出连接电气信息测量模块，包括与电气信息测量模块串接的零序电压互感器和零序电流互感器，其信号线分别经各自的传感器与远程通信与控制装置连接，远程通信与控制装置包括ep4ce10高性能fpga控制与运算器；其中，fpga输入接口连接电流传感器与电压传感器采集电气信息测量模块检测到的数据；fpga输出接口与断路器模块执行机构相连；fpga通过rs232串口与gsm无线通信模块相连，实现与配电所主站计算机信息双向传输。

本发明的另一个目的是提供一种电缆故障保护方法，它能有效地解决非故障区段失电的技术问题。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种电缆故障保护方法，其步骤是：

通过串接在电气信息测量模块中的零序电压互感器、零序电流互感器实时检测高速铁路10kv电缆线路电缆分支箱处的零序电压、零序电流信息，并经电压传感器、电流传感器输入ep4ce10高性能fpga控制与运算单元进行数字化处理；fpga控制与运算器通过rs232串口连接gsm模块，并通过gsm模块发送检测数据至配电所中的主站计算机，主站计算机接收到信息后，采用单相接地故障零序电压保护计算方法判断该段电缆线路是否发生单相接地短路故障，并通过gsm返回指令至fpga控制与运算器，若主站计算机判定该段电缆线路发生单相接地短路故障，则fpga给出开关信号控制断路器跳闸，否则断路器保持休眠状态，不动作。

主站计算机判定方法：

主站计算机分别计算出电缆线路分支箱保护装置处的零序电压整定值和电缆线路分支箱保护装置处的等效零序电压整定值并比较二者幅值大小。若则判定该段电缆线路发生单相接地短路故障，主站发出信号跳开两侧断路器，否则断路器不动作。

零序电压整定值与等效零序电压整定值计算公式为：

其中，为保护装置处故障相负序电压，为保护装置处故障相负序电流，φ表示a、b、c三相。γ1为输电线路正序传播常数，γ0为输电线路零序传播常数，zc1为输电线路正序波阻抗，zc0为输电线路零序波阻抗,lset为输电线路保护整定范围。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一、高速铁路10kv贯通线发生单相接地短路故障后，引起故障电缆线路相邻两配电所内断路器跳闸，相邻配电所间整条电缆线路被切除，停电范围大。本发明通过在电缆沿线分支箱设置断路器，通过远程判断与控制实现电缆线路在相邻分支箱间切除，在不需要配电所自动重合闸的条件下避免非故障区段失电，缩小了停电范围。

二、故障段相邻配电所中断路器其跳闸后，传统区间定位方法是通过给各分支箱分段送电，使用“二分法”判断分支箱间电缆线路是否有问题，速度较慢，不利于故障区段的快速查找。本发明利用电缆分支箱设置的保护装置，上传电缆线路处电压、电流信息至主站，使用零序电压保护计算方法可快速判断出故障区段位置。

附图说明

图1为本发明地埋式电缆分支箱中装设保护装置示意图。

图2为本发明保护装置原理框图。

图3为本发明工作流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

本发明应在高速铁路10kv贯通线1电缆分支箱中增设保护装置。对于路基立式电缆分支箱，若箱内装设有负荷开关，则应将负荷开关替换为保护装置；若箱内无负荷开关，或为地埋式电缆分支箱，则应直接在箱体内装设保护装置，如图1所示为地埋式电缆分支箱中装设保护装置示意图。在原地埋式电缆分支箱的基础上增设保护装置2，包括断路器模块3、电气信息测量模块4、远程通信与控制模块。

本发明的一种具体实施方式是，一种电缆故障保护装置，其组成是：

如图2所示，在高速铁路10kv贯通线1沿线各电缆分支箱中装设保护装置2，包含断路器模块3、电气信息测量模块4、远程通信与控制模块。10kv贯通线1上分别设置有断路器模块3与电气信息测量模块4，传感器、ep4ce10高性能fpga及gsm无线通信模块构成远程通信与控制模块。其中，ep4ce10高性能fpga与断路器模块3执行机构相连，可给出信号控制其开合；电气信息测量模块与传感器相连，并经传感器将测得电气信息传至fpga；fpga与gsm无线通信模块通过rs232串口相连，实现与配电所主站信息的双向传输。在配电所设置带有通信模块的主站计算机5。

使用上述装置的一种电缆故障保护方法，其工作流程如图3所示：

1.电气信息测量模块中零序电压互感器、零序电流互感器可以实时检测高速铁路10kv电缆线路处零序电压、零序电流等信息；

2.电压传感器和电流传感器组成传感器单元，将测得电压、电流数据传入ep4ce10高性能fpga控制与运算单元进行数字化处理；

3.ep4ce10高性能fpga控制与运算单元是远程通信与控制模块的核心，与gsm无线通信模块用rs232串口连接，传送处理后的数据至主站计算机；

4.主站计算机接收到数据后启动单相接地零序电压保护判断程序，判定该段电缆线路是否发生单相接地短路故障，并将判定结果通过gsm模块返回给ep4ce10高性能fpga；

5.若主站计算机判定该段电缆线路发生单相接地短路故障，则fpga给出开关信号控制断路器跳闸，否则fpga给出开关信号控制断路器保持闭合状态。

下面介绍配电所主站计算机的单相接地零序电压保护方法判定步骤：

首先从保护装置得到零序电压零序电流

a.计算出电缆线路分支箱保护装置处的零序电压整定值

计算公式：

其中，γ1为输电线路正序传播常数，γ0为输电线路零序传播常数，zc1为输电线路正序波阻抗，zc0为输电线路零序波阻抗,lset为输电线路保护整定范围。

b.计算出电缆线路分支箱保护装置处的等效零序电压整定值

计算公式：

其中，为保护装置处故障相负序电压，为保护装置处故障相负序电流，φ表示a、b、c三相。γ1为输电线路正序传播常数，γ0为输电线路零序传播常数，zc1为输电线路正序波阻抗，zc0为输电线路零序波阻抗,lset为输电线路保护整定范围。

c.通过计算所得比较二者幅值大小。若则判定该段电缆线路发生单相接地短路故障，主站计算机发出信号跳开两侧断路器，否则断路器休眠，即不动作。