专利名称：由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳方法
技术领域：
本发明属于牵引供电继电保护领域，更准确地说本发明涉及一种当牵引供电系统 发生异相短路或牵引变压器后备保护将要越级跳间时，变压器后备保护装置闭合相应的继 电器常开触点来启动馈线保护装置自动选跳的方法。
背景技术：
电气化铁路因节能环保、动力性能强，成为我国重点发展的绿色交通方式，目前的 高速铁路、重载铁路全部电气化，按照铁路建设规划和当前的建设进度，未来几年，我国的 电气化铁路总里程将超过5万公里，承担着绝大部分的客货运量，所以牵引供电对可靠性 的要求越来越高。通过广大牵引供电继电保护工作者的努力，该领域的继电保护原理已趋 于完善，但还是有些原理性的问题等待更好的解决办法，举两例如下(附图1是示意图)
例一，电力机车在穿越牵引变电所出口处的电分相时(无电区)，由于司机没有按照规 程操作或机车自动过分相失灵，可能引发沿绝缘子表面放电而发生异相短路，其故障特征 值通常超越了馈线保护装置配置的阻抗、过电流等保护的识别范围，馈线保护装置拒动将 可能造成分相绝缘器、绝缘子烧毁，还可能使牵引变压器后备保护越级跳间，导致母线所连 接的所有馈电线路失电，扩大了事故范围，由于后备保护跳闸后不允许重合，所以供电恢复 时间延长。针对该型的故障，广大继电保护工作者提出了几种解决办法。文献《牵引变电所 异相短路故障及常规馈线保护动作行为分析》(铁道学报2000年8月第22卷第4期第24 页)对异相短路时馈线保护动作行为进行了分析，最后提出了电流速断保护和特殊阻抗保 护相配合的方案，但由于在馈线保护装置中引入自由相电压，需要额外增加电压互感器，即 增大了投资又给检修带来了不便，同时还存在难以整定的问题；文献《牵引供电系统异相 短路保护原理的研究》(西南交通大学2004硕士毕业论文)对异相短路进行了理论分析并 结合大电流电弧模型、机车负荷模型进行仿真研究，提出了基于两供电臂相间电压幅值变 化及其综合谐波含量比较高(3次谐波为主)这一特点的保护方案，该方案也需要增加电压 互感器，此外，电力机车运行工况的复杂多变及功率补偿装置的投切都将使其可靠性降低； 文献《基于故障分量相关分析的供电牵引网异相短路保护》(电力系统自动化2007年3月 25日第31卷第6期第82页)根据两相电流故障分量波形呈现反向对称性，提出利用相 关分析法快速提取此特征并使馈线装置跳间，此方案由于相关分析算法增加了较多的计算 量，受波形畸变的影响较大，对于复线铁路，该方案可能会造成两供电臂的馈线断路器多次 跳合间，对供电设备造成较大冲击，保护的选择性得不到保证。总的说来，异相短路故障的 保护原理还需要完善。例二，馈线发生常规故障，但由于馈线保护装置定值整定不合适导致装置拒跳，从 而可能引起牵引变压器后备保护越级跳间，扩大了停电范围，此种案例在电气化铁道并不 少见，但目前业界没有给出可行的补救措施。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是牵引供电系统发生异相短路或牵引变压器后备保 护将要越级跳闸时，如何切除故障或不致越级跳闸发生。为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的 为便于描述，本说明书定义术语如下
电压超前相与电压滞后相定义牵引变电所左右方向各一个供电臂，每个供电臂都有 各自的牵引供电母线，母线对地的电压为各自的相电压，正常负荷时，在矢量平面图中固定 其中一个相电压矢量不动，另一相电压矢量按照逆时针方向旋转直至与固定的矢量重合， 如旋转夹角小于180度则固定的相电压矢量简称为电压超前相，旋转矢量为电压滞后相， 如旋转夹角大于于180度则固定的相电压矢量简称为电压滞后相，旋转矢量为电压超前 相。由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳保护，其特征在于，包括下列步骤
1)首先由牵引变压器后备保护装置来判断电分相是否发生短路，依据是如异相短路 保护投入，则看电压超前相的稳态功角是否在第四象限且电压滞后相的稳态功角是否在第 二象限，在持续延时内二者都满足则判两相电流增量是否同步增大，以上条件均满足则闭 合异相短路告警开出触点，脉冲宽度Tl可调节；
2)上下行牵引供电馈线保护装置实时检测异相短路告警开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断测量阻抗是否在第四象限内，如在则自动选跳保护启动，否 则判断异相短路告警开入在变位以后接触网电流增量是否大于100A，持续判断时间最多 200ms，超时则退出逻辑，如满足则自动选跳启动，自动选跳启动后，在整定时间内如选跳 的条件都成立则出口跳闸并启动一次重合闸；
3)由牵引变压器后备保护装置来判断是否将有越级跳闸发生，如越级选跳保护投入且 低电压启动的过电流保护启动，在离过电流保护出口跳闸还有时间T2时则闭合越级选跳 开出触点，脉冲宽度T3可调；
4)与牵引母线相连的所有馈线保护装置实时检测越级选跳开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断越级选跳开入变位前IOOms内接触网电流增量是否曾经大于 100A，如是，再判馈线稳态功角是否在[50°，80°]区间，如满足则越级自动选跳条件成立，在 其后的整定时间内如越级自动选跳的条件一直成立则出口跳闸，不启动重合闸。首先介绍本发明中异相短路时馈线自动选跳的基本原理
电气化铁路采用了多种特殊接线的变压器，它们与普通三相电力变压器在电气性 能的分析方法和数学建模上多数有所区别。对于Y/Δ-11接线、星形延边三角形平衡 接线、Scott接线、单相接线(含单相三绕组接线、V/ V接线和V / X接线)、十字交叉 接线、变形Woodbridge接线等不同接线的牵引变压器的低压侧发生异相短路故障，其 原始电路经过多次等价变化后，基本上最终都可以转换为附图2所示的等值电路，对于 某些种类的牵引变压器，图中的Ztj等于0。以星形延边三角形接线平衡变压器为例，设
Ect、Εβ分别为两供电臂等效电势，Z、Ztj为电力系统及变压器阻抗在等值电路中的折算
值，R为异相短路电弧电阻k为短路电流，Ua、 #分别为两供电臂母线电压，Za、2身 分别为两供电臂测量阻抗，据附图2所示电路求得异相短路电流、测量阻抗如下对于星形延边三角形接线平衡变压器有Ea ,所以
由此可以得到电压超前相(α相)和电压滞后相(β相)的测量轨迹见附图3。由附图 3的测量阻抗分布规律可知，电压超前相稳态功角总是分布在第四象限；电压滞后相稳态 功角从理论上看随R的增大从二象限延伸至第一象限，而实际上R较小，实测中均分布在 第二象限。可以看出，常规阻抗保护可能难以动作，由于短路阻抗(特别是电阻分量)较常 规故障明显增大，过流、速断及电流增量保护也可能不会动作。图3中θ的大小与牵引变 压器的类型有关，平衡变压器为45°，Y/ Δ -11变压器为60°，其它不一一列举。本发明根据异相短路时两相稳态功角的分布范围及电流变化等规律，发明了异相 短路馈线自动选跳方法。下面介绍本发明中牵引变压器后备保护将要越级跳闸时馈线保护装置自动选跳 的原理
牵引变压器后备保护既是牵引变压器故障的后备保护，同时又是馈线故障的远后备保 护，完成远后备功能的通常是低电压启动的过流保护元件。当馈线发生故障时，牵引变压器 后备保护的低电压启动的过流保护元件通常也会启动，但由于其跳闸延时比馈线主要保护 元件的要大，所以一般都是馈线先跳闸，故障切除后牵引变压器后备保护立即返回，继电保 护的选择性得到了保证，但当馈线保护拒动时，后备保护过流保护元件跳闸而导致牵引变 压器低压侧的一相或两相牵引供电母线失电，与之相连的所有馈电线路全部掉电，扩大了 事故范围，延长了恢复供电时间。馈线短路故障时，其功角范围一般在[50°，80°]区间，电 流增量几乎都大于100Α( —次值)，在IOOms时间段内，如牵引变压器后备保护装置的选跳 开出触点闭合，则馈线保护加速跳闸。本发明按上述原理构成了牵引变压器后备保护将要 越级跳闸时馈线保护装置自动选跳的方法。
本发明所达到的有益效果
本发明由牵引变压器后备保护装置根据两相稳态功角的分布范围及电流变化等规律 来识别牵引供电异相短路故障并闭合异相短路告警继电器触点，在后备保护装置低电压过 电流保护启动并即将跳闸时闭合越级选跳继电器触点，馈线保护装置在检测到以上触点开 入后将根据自身的稳态功角和电流增量等对应条件来实现馈线断路器的自动选跳。本发 明无需额外的一次设备，投资很小；没有难以整定的定值，实施过程简单方便；保护计算量 小，可靠性高，同时兼顾了选择性。
图1为现有的一种牵引供电系统结构及其故障示意图。图2为牵引供电系统异相短路故障的等值电路图。图3为异相短路故障时电压超前相(α相)和电压滞后相(β相)的阻抗测量轨迹 示意图。图4为本发明的由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳的保护逻辑图。
具体实施例方式本发明的实施步骤如下
根据前述关于电压超前相、滞后相的定义，牵引变压器后备保护装置正常运行时对其 进行区分并记录，具体包括下列步骤
1)首先由牵引变压器后备保护装置来判断电分相是否发生短路，依据是如异相短路 保护投入，则看电压超前相的稳态功角是否在第四象限且电压滞后相的稳态功角是否在第 二象限，在持续延时内二者都满足则判两相电流增量是否同步增大，以上条件均满足则闭 合异相短路告警开出触点，脉冲宽度Tl可调节，其推荐值为IOOms ；
2)上下行牵引供电馈线保护装置实时检测异相短路告警开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断测量阻抗是否在第四象限内，如在则自动选跳保护启动，否 则判断异相短路告警开入在变位以后接触网电流增量是否大于100Α，持续判断时间最多 200ms，超时则退出逻辑，如满足则自动选跳启动，自动选跳启动后，在整定时间内如选跳 的条件都成立则出口跳闸并启动一次重合闸；
3)由牵引变压器后备保护装置来判断是否将有越级跳闸发生，如越级选跳保护投入且 低电压启动的过电流保护启动，在离过电流保护出口跳闸还有时间T2时则闭合越级选跳 开出触点，脉冲宽度T3可调，T2的推荐值为200ms，T3的推荐值为60 ms ；
4)与牵引母线相连的所有馈线保护装置实时检测越级选跳开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断越级选跳开入变位前IOOms内接触网电流增量是否曾经大于 100A，如是，再判馈线稳态功角是否在[50°，80°]区间，如满足则越级自动选跳条件成立，在 其后的整定时间内如越级自动选跳的条件一直成立则出口跳闸，不启动重合闸。之后按照附图4的保护逻辑予以实施，实际使用时，该逻辑图中的相关延时为推 荐值，通常无需改动，所以本发明基本上没有需要仔细斟酌而难以整定的定值，实施过程也 简单可靠。本发明按照实施实例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本 发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之 内。
权利要求
1.一种由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳方法，其特征在于，包括下列步骤1)首先由牵引变压器后备保护装置来判断电分相是否发生短路，依据是如异相短路 保护投入，则看电压超前相的稳态功角是否在第四象限且电压滞后相的稳态功角是否在第 二象限，在持续延时内二者都满足则判两相电流增量是否同步增大，以上条件均满足则闭 合异相短路告警开出触点，脉冲宽度Tl可调节；2)上下行牵引供电馈线保护装置实时检测异相短路告警开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断测量阻抗是否在第四象限内，如在则自动选跳保护启动，否 则判断异相短路告警开入在变位以后接触网电流增量是否大于100A，持续判断时间最多 200ms，超时则退出逻辑，如满足则自动选跳启动，自动选跳启动后，在整定时间内如选跳 的条件都成立则出口跳闸并启动一次重合闸；3)由牵引变压器后备保护装置来判断是否将有越级跳闸发生，如越级选跳保护投入且 低电压启动的过电流保护启动，在离过电流保护出口跳闸还有时间T2时则闭合越级选跳 开出触点，脉冲宽度T3可调；4)与牵引母线相连的所有馈线保护装置实时检测越级选跳开入，如有开入且馈线自动 选跳保护投入，则下一步判断越级选跳开入变位前IOOms内接触网电流增量是否曾经大于 100A，如是，再判馈线稳态功角是否在[50°，80°]区间，如满足则越级自动选跳条件成立，在 其后的整定时间内如越级自动选跳的条件一直成立则出口跳闸，不启动重合闸。
2.根据权利要求1所述的由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳方法，其特征在 于在所述步骤1)中，脉冲宽度Tl为100ms。
3.根据权利要求1所述的由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳方法，其特征在 于在所述步骤3)中，T2为200ms，T3为60 ms。
全文摘要
本发明公开了一种当牵引供电系统发生异相短路或牵引变压器后备保护将要越级跳闸时，变压器后备保护装置闭合相应的继电器常开触点来启动馈线保护装置自动选跳的方法，属于牵引供电继电保护领域。本发明由牵引变压器后备保护装置根据两相稳态功角的分布范围及电流变化等规律来识别牵引供电异相短路故障并闭合异相短路告警继电器触点，在后备保护装置低电压过电流保护启动并即将跳闸时闭合越级选跳继电器触点，馈线保护装置在检测到以上触点开入后将根据自身的稳态功角和电流增量等对应条件来实现馈线断路器的自动选跳。本发明无需额外的一次设备，投资很小；没有难以整定的定值，实施过程简单方便；保护计算量小，可靠性高，同时兼顾了选择性。
文档编号H02H7/22GK102005737SQ20101055724
公开日2011年4月6日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者安林, 张慎明, 李承运, 李辉, 李钢, 杨海英, 濮卫兴, 王军, 邱永生 申请人:国电南瑞科技股份有限公司