一种四轨牵引供电系统单极对地故障保护方法与流程

本发明涉及地铁牵引供电系统技术领域，特别是一种四轨牵引供电系统单极对地故障保护方法。

背景技术：

四轨牵引供电系统采用专用回流轨回流，从根源上消除杂散电流，在地铁领域拥有广阔的发展前景。四轨牵引供电系统是一种对称悬浮系统，其单极对地故障(包括正极对地故障或负极对地故障)及其继电保护方法必须加以重视。否则，第一个极对地故障的若不能尽早发现和切除，可能引发更为严重的极对极故障，从而对地铁安全可靠供电不利。

四轨牵引供电系统既有的继电保护技术通过接入单向导通装置实现单极对地故障检测。但是，既有技术存在两个问题：(1)仅能检测正极对地故障；(2)当四轨牵引供电系统包含三个及以上变电所时，流过各所单向导通装置的电流大小接近难以区分，从而造成多个变电所跳闸，保护方法不具有选择性，扩大了停电范围。

技术实现要素：

本发明公开一种四轨牵引供电系统单极对地故障保护方法，该方法能够区分正极对地故障和负极对地故障，实现对单极对地故障的可靠保护，并且能够准确区分故障区段。本发明还公开了电流传感器断线检测方法和电压传感器断线检测方法，从而防止传感器断线导致保护不正确动作。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种四轨牵引供电系统单极对地故障保护方法，包括

步骤一：检测每一个变电所的正极对地电压u+和负极对地电压u-；如果|u+|<uset1且|u+-u-|>uset2则延时整定时间tset1后，闭合负极单向导通装置；如果|u-|<uset1且|u+-u-|>uset2则延时整定时间tset1后，闭合正极单向导通装置；其中，uset1为第一电压整定值，uset2为第二电压整定值；

步骤二：计算每一个区段的差动电流id，

id＝|im+in|；

其中，im为区段左侧的单极对地故障电流，in为区段右侧的单极对地故障电流；

若电流正方向为正极由母线指向线路、负极由线路指向母线，则

im＝im+-im-，

in＝in+-in-；

若电流正方向为正极和负极都由母线指向线路，则

im＝im++im-，

in＝in++in-；

式中，im+为区段左侧的正极线路电流，im-为区段左侧的负极线路电流，in+为区段右侧的正极线路电流，in-为区段右侧的负极线路电流；

步骤三：如果一个区段id＞iset1则延时整定时间tset2后，切除该区段；其中，iset1为第一电流整定值。

进一步地，所述步骤一之前，还包括电流传感器断线判定和闭锁保护的步骤，具体为：

检测每一个变电所的正极对地电压u+和负极对地电压u-，以及该变电所的每个馈电回路的正馈线u的电流iu和负馈线w的电流iw；

如果任一变电所，

|u+|>uset3、|u-|>uset3、|iu|＜|iw|且||iu|-|iw||＞iset2，则延时整定时间tset3后，判定该变电所的正馈线u的电流传感器断线，进行闭锁保护；

或者任一变电所，

|u+|>uset3、|u-|>uset3、|iw|＜|iu|且||iu|-|iw||＞iset2，则延时整定时间tset3后，判定该变电所的负馈线w的电流传感器断线，进行闭锁保护；

其中，iset2为第二电流整定值，uset3为第三电压整定值。

进一步地，所述步骤一之前，还包括电压传感器断线判定和闭锁投入单向导通装置的步骤，具体为：检测每一个变电所的正极对地电压u+和负极对地电压u-；

如果任一变电所，

|u+|<uset3且uset3＜|u-|<uset4，则延时整定时间tset4后，判定该变电所的正极电压传感器断线，闭锁投入单向导通装置；

或者任一变电所，

|u-|<uset3且uset3＜|u+|<uset4，则延时整定时间tset4后，判定该变电所的负极电压传感器断线，闭锁投入单向导通装置；

其中，uset3为第三电压整定值，uset4为第四电压整定值。

本发明的有益效果在于，

(1)本发明能够可靠判定正极对地故障和负极对地故障，使各变电所投入非故障极单向导通装置构成故障回路；

(2)本发明的保护方法能够使故障区段两侧的断路器可靠动作切除故障，非故障区段可靠不动作；

(3)本发明的电流传感器断线判据能够可靠避免电流传感器断线导致保护误动；

(4)本发明的电压传感器断线判据能够可靠避免电压传感器断线导致单向导通装置误动作。

附图说明

图1正极单向导通装置接入正极母排示意图。

图2负极单向导通装置接入负极母排示意图。

图3正极对地故障判定原理框图。

图4负极对地故障判定原理框图。

图5正极对地故障电流分布示意图。

图6负极对地故障电流分布示意图。

图7单极对地故障电流差动保护原理框图。

图8变电所馈线电流图。

图9馈线u电流传感器断线判定原理框图。

图10馈线w电流传感器断线判定原理框图。

图11馈线s电流传感器断线判定原理框图。

图12馈线v电流传感器断线判定原理框图。

图13正极电压传感器断线判定原理框图。

图14负极电压传感器断线判定原理框图。

图15正极对地故障示意图。

图16负极对地故障示意图。

图17电流传感器ct1断线故障示意图。

图18电流传感器ct2断线故障示意图。

图19电流传感器ct3断线故障示意图。

图20电流传感器ct4断线故障示意图。

图21电压传感器pt1断线故障示意图。

图22电压传感器pt2断线故障示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明的技术方案。

1、单向导通装置接入方案

单向导通装置主要由可调电阻以及二极管两部分组成。正极和负极单向导通装置内置二极管的安装方向相反，为防止变电所正极和负极同时接入单向导通装置造成单向导通装置上始终存在电流，单向导通装置采用如下的接入方案：(1)当牵引供电系统正常运行时，各牵引变电所正极和负极母排的单向导通装置都不接入；(2)当系统发生负极对地故障时，各牵引所保护装置通过故障极判定方法确定负极故障，控制正极单向导通装置接入正极母排，如图1所示；(3)当系统发生正极对地故障时，各牵引所保护装置通过故障极判定方法确定正极故障，控制负极单向导通装置接入负极母排，如图2所示。

2、故障极判定方法

四轨直流供电系统正常运行时，正极和负极与地做到良好绝缘，整个系统是对称悬浮系统，正极对地电压和负极对地电压接近相等。当发生正极对地故障时，各个变电所的正极电压降低明显，负极电压相应地增大，正负极间电压基本不变。因此，提出正极对地故障判定的原理框图分别如图3所示。当发生负极对地故障时，变电所的负极电压降低明显，正极电压相应地增大，正负极间电压基本不变。因此，提出负极对地故障判定的原理框图如图4所示。

图3和图4中，u+、u-分别表示正极对地电压和负极对地电压；uset1、uset2分别表示电压整定值；tset1表示闭合单向导通装置开关的延时整定时间。

uset1和uset2整定计算公式为：

uset1＝krelum.max(1)

uset2＝un.min/krel(2)

式中，krel为可靠系数；um.max为发生单极对地故障时的最大单极对地电压；un.min为牵引供电系统最小运行电压。

3、单极对地故障保护方法

当发生单极对地故障时，通过接入非故障极单向导通装置构成故障回路，进而分析故障电路的电流分布关系，提出单极对地故障保护方法区分故障区段和非故障区段。

(1)正极对地故障的电流分布

由n+1个变电所构成的四轨牵引供电系统，包含n个供电区段。当区段i发生正极对地故障后，各变电所保护装置按照图3判定系统发生正极接地故障，因此将负极单向导通装置接入负极母排形成故障回路，此时供电系统的电流分布图如图5所示。图5中，除了区段(i-1)、区段i、区段(i+1)外的其他区段省略没有画出，imk+、ink+(k＝1...n)表示区段k两侧正极线路电流，imk-、ink-(k＝1...n)表示区段k两侧负极线路电流，if表示故障电流，rk1、rk2、rk3、rk4、rk5(k＝1...n)表示各段阻抗，rck(k＝1...n)表示机车等效阻抗，rf表示故障点的过渡电阻，uk(k＝1...n+1)表示各变电所等效电源。

根据基尔霍夫电流定律，可以分别计算各区段的电流关系。

故障区段i的电流关系为：

imi++ini+＝imi-+ini-+if(3)

整理可得：

(imi+-imi-)+(ini+-ini-)＝if(4)

对于非故障区段k(k＝1...,i-1,i+1,...n)，其电流关系为：

imk++ink+＝imk-+ink-(5)

整理可得：

(imk+-imk-)+(ink+-ink-)＝0(6)

(2)负极对地故障的电流分布

当区段i发生负极对地故障后，各变电所保护装置按照图4判定系统发生负极接地故障，因此将正极单向导通装置接入正极母排形成故障回路，此时供电系统的电流分布图如图6所示。根据基尔霍夫电流定律，分别计算各区段的电流关系。对于故障区段i，其电流关系与式(4)一致。对于非故障区段k(k＝1...,i-1,i+1,...n)，其电流关系与式(6)一致。

综上所述，无论发生正极对地故障还是负极对地故障，用式(4)和(6)可以区分故障区段和非故障区段。因此，用m和n表示任一区段两侧，则两侧的单极对地故障电流可以用下式表示：

(1)若电流正方向为正极由母线指向线路、负极由线路指向母线，则两侧单极对地故障电流为

im＝im+-im-(7)

in＝in+-in-(8)

(2)若电流正方向为正极和负极都由母线指向线路，则两侧单极对地故障电流为

im＝im++im-(9)

in＝in++in-(10)

区段的差动电流id可以表示为：

id＝|im+in|(11)

考虑到因电流传感器测量误差引起的不平衡电流的影响，单极对地故障电流差动保护的原理框图如图7所示。图中，iset1为动作电流整定值，按照躲过各种情况下最大不平衡电流进行整定；tset2表示保护延时整定时间。

4、电流传感器断线判据

当系统正常运行发生电流传感器存在断线时，也会存在正负馈线电流大小不相等的问题。为避免电流传感器断线导致电流差动保护误动，需要提出电流传感器断线判据闭锁保护。

单个变电所的馈线电流图如图8所示。将变电所的四条馈线分别命名为馈线s、馈线u、馈线v和馈线w。馈线u和馈线w为同一个回路的正负馈线，馈线s和馈线v同理。

当发生电流传感器断线时，正负馈线电流大小不相等，但正负极对地电压对称。因此，提出电流传感器断线判定原理如图9-图12所示。

图中，iu、iw、is、iv分别表示馈线u、w、s、v的测量电流；iset2表示电流整定值，按不大于iset1整定；uset3表示电压整定值，可取uset2的一半；tset3表示电流传感器断线告警延时。

5、电压传感器断线自检方法

当系统正常运行发生电压传感器发生断线故障时，断线极的电压也会下降。为避免误闭合另一极的单向导通装置，需要提出电压传感器断线判据闭锁投入单向导通装置。

当系统发生单极对地故障，故障极电压下降的同时，非故障极电压增大，正负极间电压保持稳定。而当某一级的电压传感器发生断线故障时，另一极电压保持稳定。因此，提出正极电压传感器断线和负极电压传感器断线判定原理图如图13和图14所示。

图中，uset4表示电压整定值。

uset4的整定计算公式为：

uset4＝krelun.max/2(12)

式中，krel为可靠系数；un.max为牵引供电系统最大运行电压。

电压整定值uset1、uset2、uset3、uset4和电流整定值iset1、iset2也可以根据四轨牵引供电系统的具体情况来确定。

具体实施例：以dc1500v地铁四轨牵引供电系统为例，结合示意图对正极对地故障，负极对地故障，电流传感器断线，电压传感器断线四类案例分别进行说明。

1、正极对地故障

以五个变电所为例，变电所a到变电所e将供电区段从左到右依次分为区段一到区段四。某时刻区段二内某一点发生正极对地故障。根据本发明提出的故障极判定方法，正极对地故障判据为|u+|＜uset1，|u+-u-|＞uset2，满足延时tset1后，保护系统判定该故障类型为正极对地故障，各牵引所控制负极单向导通装置接入负极母排，如图15所示。

当各变电所负极单向导通装置接入负极母排后，根据本发明提出的电流差动保护方法，保护系统计算各区段的差动电流id，将各区段的差动电流id与保护启动电流iset1进行比较，区段二满足正极对地故障判据id＞iset1，满足延时tset2后，保护判定区段二发生了正极对地故障，保护将该区段切除。

2、负极对地故障

某时刻区段三内某一点发生负极对地故障。根据本发明提出的故障极判定方法，负极对地故障判据为|u-|＜uset1，|u+-u-|＞uset2，满足延时tset1后，保护系统判定该故障类型为负极对地故障，各牵引所控制正极单向导通装置接入正极母排，如图16所示。

当各变电所正极单向导通装置接入正极母排后，根据本发明提出的电流差动保护方法，保护系统计算各区段的差动电流id，将各区段的差动电流id与保护启动电流iset1进行比较，区段三满足负极对地故障判据id＞iset1，满足延时tset2后，保护判定区段三发生了负极对地故障，保护将该区段切除。

3、电流传感器断线

将变电所c的四根馈线的电流传感器分别命名为ct1、ct2、ct3和ct4。ct1和ct3测量同一个回路的正负馈线电流，ct2和ct4同理。

(1)电流传感器ct1断线

电流传感器ct1断线故障示意图如图17所示。某时刻电流传感器ct1发生了断线故障。根据本发明提出的电流传感器断线自检方法，ct1断线判据为|u+|＞uset3，|u-|＞uset3，|i31|＜|i33|以及|i31-i33|＞iset2，满足延时tset3后，保护判定ct1发生断线故障，系统闭锁保护并发出告警信号。

(2)电流传感器ct2断线

电流传感器ct2断线故障示意图如图18所示。某时刻电流传感器ct2发生了断线故障。根据本发明提出的电流传感器断线自检方法，ct2断线判据为|u+|＞uset3，|u-|＞uset3，|i32|＜|i34|以及|i32-i34|＞iset2，满足延时tset3后，保护判定ct2发生断线故障，系统闭锁保护并发出告警信号。

(3)电流传感器ct3断线

电流传感器ct3断线故障示意图如图19所示。某时刻电流传感器ct3发生了断线故障。根据本发明提出的电流传感器断线自检方法，ct3断线判据为|u+|＞uset3，|u-|＞uset3，|i33|＜|i31|以及|i31-i33|＞iset2，满足延时tset3后，保护判定ct3发生断线故障，系统闭锁保护并发出告警信号。

(4)电流传感器ct4断线

电流传感器ct4断线故障示意图如图20所示。某时刻电流传感器ct4发生了断线故障。根据本发明提出的电流传感器断线自检方法，ct4断线判据为|u+|＞uset3，|u-|＞uset3，|i34|＜|i32|以及|i32-i34|＞iset2，满足延时tset3后，保护判定ct4发生断线故障，系统闭锁保护并发出告警信号。

4、电压传感器断线

将变电所c正极和负极的电压传感器分别命名为pt1和pt2。正常情况下，牵引变电所的正极电压和负极电压大小相等，当某一级的电压传感器发生断线故障时，另一极电压保持稳定。

(1)电压传感器pt1断线

电压传感器pt1断线故障示意图如图21所示。某时刻电压传感器pt1发生了断线故障。根据本发明提出的电压传感器断线自检方法，pt1断线判据为|u+|＜uset3，uset3＜|u-|＜uset4，满足延时tset4后，保护判定pt1发生断线故障，系统闭锁投入单向导通装置并发出告警信号。

(2)电压传感器pt2断线

电压传感器pt2断线故障示意图如图22所示。某时刻电压传感器pt2发生了断线故障。根据本发明提出的电压传感器断线自检方法，pt2断线判据为|u-|＜uset3，uset3＜|u+|＜uset4，满足延时tset4后，保护判定pt2发生断线故障，系统闭锁投入单向导通装置并发出告警信号。