基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法

1.本发明涉及电气化铁路供电技术领域，特别是基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法。


背景技术：

2.我国电气化铁路采用循环换相、分段供电的方式，轮流从三相电网取电向供电臂供电。电分相被设置在相位不同的两供电臂间，将异相电压严格绝缘。当电力机车带电闯电分相等情况发生时，相位不同的两供电臂被连通，发生异相短路故障。当前的牵引网距离保护和电流增量保护均不能为异相短路故障完备保护，保护拒动时有发生，酿成严重后果，对牵引供电系统的安全稳定运行带来巨大隐患。
3.专利cn200810053159《牵引供电系统异相短路的保护方法》和文献《牵引供电新型异相短路保护原理的研究》(电力系统保护与控制，2010年第38卷第22期，63-67页)等提出基于相间电压谐波的异相短路保护方法。该方法针对电弧的电压特性而提出，无法保护非电弧引起的异相短路故障。
4.专利cn201010557242《由外部触点启动的电气化铁路馈线自动选跳方法》提出一种由牵引变压器后备保护装置判断电分相是否发生短路的方法。该方法需要借助牵引变压器保护从外部启动，增加了方法实现的复杂性。
5.专利cn2020109927530《一种基于方向电流元件的牵引网供电臂继电保护方法》、cn2020110049560《一种基于方向增量电流元件的牵引网供电臂继电保护方法》、cn2020110049433《一种基于方向阻抗元件的牵引网供电臂继电保护方法》提出了供电臂保护方法。这些方法针对的是供电臂内的线路对地故障和线间故障，无法可靠保护两供电臂间发生的异相短路故障。
6.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第31卷第6期，82-85页)提出一种利用相关分析法提取故障特征的异相短路保护方法。该方法对电流测量的同步性提出了很高的要求，不利于工程实现。
7.文献《电分相处电弧异相短路故障分析》(大连交通大学学报2010年第31卷第4期，38-40，62页)提出一种基于接触线温度的异相短路保护方法。该方法需等待短路电流热效应的累积，动作时间较长，不利于保护的快速动作。
8.文献《高速铁路牵引变压器后备距离保护》(电力自动化设备，2012年第32卷第6期，27-32页)提出一种在牵引变压器低压侧配置距离保护的异相短路保护方法。该方法的跳闸信号作用于牵引变压器低压侧断路器，可扩大了异相短路后的停电范围，降低了供电的可靠性。


技术实现要素：

9.本发明的目的是提供基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法，能在故障后快速识别并隔离故障，特别是牵引网异相短路故障的识别和保护。
10.实现本发明目的的技术方案如下：
11.基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法，包括：
12.采集第一牵引网线路的电流，计算得到电流有效值，再用当前时刻的电流有效值与一个工频周期以前的电流有效值，作差计算得到第一牵引网线路的电流增量；第二牵引网线路与第一牵引网线路相邻，按照得到第一牵引网线路的电流增量类同的方法，得到第二牵引网线路的电流增量；
13.若第一牵引网线路满足启动条件，则进入延时阶段，并向第二牵引网线路发送电流增量启动信号；若延时阶段中，第一牵引网线路的电流增量大于其电流增量整定值，则当第一牵引网线路收到第二牵引网线路发送的电流增量启动信号，跳开第一牵引网线路的所有线路断路器；
14.若第二牵引网线路满足启动条件，则进入延时阶段，并向第一牵引网线路发送电流增量启动信号；若延时阶段中，第二牵引网线路的电流增量大于其电流增量整定值，则当第二牵引网线路收到第一牵引网线路发送的电流增量启动信号，跳开第二牵引网线路的所有线路断路器；
15.所述启动条件，具体为：牵引网线路的电流增量大于其电流增量整定值；
16.延时阶段中，牵引网线路的电流增量，由牵引网线路当前时刻的电流有效值，与延时阶段起始时刻的一个工频周期以前的电流有效值，作差计算得到。
17.进一步的，所述第二牵引网线路与第一牵引网线路相邻，具体为：第一牵引网线路连接到牵引变电所的α相母线，第二牵引网线路连接到所述牵引变电所的β相母线；或者，第一牵引网线路连接到牵引变电所的β相母线，第二牵引网线路连接到所述牵引变电所的α相母线。
18.进一步的，所述第二牵引网线路与第一牵引网线路相邻，具体为：第一牵引网线路连接到牵引变电所的母线，第二牵引网线路连接到与所述牵引变电所相邻的牵引变电所的母线。
19.进一步的，所述启动条件，替换为：牵引网线路的电流增量大于其电流增量整定值，且电流二次谐波有效值与电流基波有效值之比小于二次谐波闭锁整定值。
20.进一步的，所述牵引网线路包括t线，所述牵引网线路的电流为t线电流。
21.更进一步的，所述牵引网线路还包括f线，所述牵引网线路的电流由t线电流和f线电流合并。
22.上述技术方案中，所述采集第一牵引网线路的电流为：采集第一牵引网线路的变电所处的馈线电流，或采集第一牵引网线路的at所处的馈线电流，或采集第一牵引网线路的分区所处的馈线电流，或采集第一牵引网线路的开闭所处的馈线电流；所述采集第二牵引网线路的电流为：采集第二牵引网线路的变电所处的馈线电流，或采集第二牵引网线路的at所处的馈线电流，或采集第二牵引网线路的分区所处的馈线电流，或采集第二牵引网线路的开闭所处的馈线电流。
23.本发明的有益效果在于：
24.(1)在牵引网线路配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护，利用牵引网发生异相短路时相邻两条线路的电流突然增加的故障特征，当本线路的电流增量启动且在一定延时内接收到相邻线路的电流增量启动信号，则启动异相短路保护，从而能够
快速准确识别发生异相短路故障的牵引网线路。
25.(2)实现简单，保护装置之间不需要同步，仅切除发生异相短路故障的牵引网线路，其他牵引网以及牵引变压器等不受影响。
26.(3)既能用于经故障电弧引起的异相短路，又能用于经吊弦或异物搭接引起的异相短路；既能保护变电所处的异相短路故障，又能保护分区所处的异相短路故障。
附图说明
27.图1是异相短路故障示意图。
28.图2是保护1动作逻辑图。
29.图3是保护2动作逻辑图。
30.图4是保护3动作逻辑图。
31.图5是保护4动作逻辑图。
32.图6是双断路器模式全并联at供电系统变电所处异相短路保护示意图。
33.图7是单断路器模式全并联at供电系统变电所处异相短路保护示意图。
34.图8是复线直供系统变电所处异相短路保护示意图。
35.图9是单线直供系统变电所处异相短路保护示意图。
36.图10是分区所处异相短路保护示意图。
37.图11是增加二次谐波闭锁判据的逻辑图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明进一步说明。
39.牵引变电所从三相电网取电，向不同相的两条母线馈电，称为α相母线和β相母线。牵引网馈线分别连接到母线，并分为上行线路和下行线路等，如图1所示(上行线路、下行线路的牵引网馈线都可以是一条或多条，图中以一条馈线为例)。图中1qf～12qf分别为安装在牵引变电所、at所1、at所2、分区所1、分区所2的馈线断路器，它们由对应的保护1～12控制。
40.基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法如下：
41.在α相上行线路、下行线路以及β相上行线路、下行线路设置电流增量判据。当牵引网发生异相短路故障时，以α相上行线路与β相上行线路之间发生异相短路故障为例，此时α相和β相因异相短路而突然连通，故障电流主要经1qf-故障点-3qf回路流通，1qf和3qf处的测量电流和的有效值i1和i3同时显著增大，保护1的电流增量判据因δi1大于整定值δi
set1
而启动，且保护3处的电流增量判据因δi3大于整定值δi
set3
而启动。因此，在一定时间内，保护1处的电流增量判据启动且会收到保护3处的电流增量判据启动信号，从而可以准确识别1qf发生了异相短路故障；同理，保护3处的电流增量判据启动且会收到保护1处的电流增量判据启动信号，从而可以准确识别3qf发生了异相短路故障。
42.由于牵引网的特殊并联结构，当发生如图1所示的上行异相短路故障时，仅跳开1qf和3qf无法切除故障，因为经2qf-6qf-5qf-9qf-10qf-4qf仍能够形成故障回路。因此，在某个保护检测到异相短路故障时，应跳开被保护线路的所有断路器。即，保护1检测到异相短路故障应跳开该线路上的1qf、5qf和7qf等所有断路器；同理，保护3检测到异相短路故障
应跳开该线路上的3qf、9qf和11qf等所有断路器。
43.基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路继电保护方法中，电流增量为：
44.δi＝i
h-iq45.式中，ih为当前时刻的电流有效值，iq为一个工频周期以前的电流有效值
46.保护i(i＝1,2,3或4)的启动条件为：
47.δii＞i
seti
48.式中，i
seti
为保护i的电流整定值，按照躲过被保护线路在正常运行时的最大电流增量整定。
49.保护启动后，将启动时的iq记为(即启动时刻一个工频周期以前的电流有效值)存储在保护装置中，进入延时阶段，延时阶段中的电流增量为：
[0050][0051]
在延时t内，若本线路的电流增量判据启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开本线路的所有馈线断路器并发出信号。保护1～4的动作逻辑如图2～5所示。
[0052]
具体实施例如下：
[0053]
1、双断路器模式全并联at供电系统变电所处异相短路保护实施例
[0054]
对于如图6所示的双断路器模式全并联at供电系统，变电所处异相短路的保护实施方案如下：
[0055]
在断路器1qf～4qf对应的保护1～4配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集各自线路的t线电流。当电流增量大于整定值时电流增量判据启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1的电流增量判据启动且在延时内收到保护3的电流增量判据启动信号，则跳开1qf、5qf和7qf；保护2的电流增量判据启动且在延时内收到保护4的电流增量判据启动信号，则跳开2qf、6qf和8qf；保护3的电流增量判据启动且在延时内收到保护1的电流增量判据启动信号，则跳开3qf、9qf和11qf；保护4的电流增量判据启动且在延时内收到保护2的电流增量判据启动信号，则跳开4qf、10qf和12qf。
[0056]
上述方案中，也可以采集t线电流和f线电流，将t线电流和f线电流合并后作为馈线电流。t线电流和f线电流合并而成的馈线电流为其有效值
[0057]
2、单断路器模式全并联at供电系统变电所处异相短路保护实施例
[0058]
对于如图7所示的单断路器模式全并联at供电系统，变电所处异相短路的保护实施方案如下：
[0059]
在断路器1qf～4qf对应的保护1～4配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集各自线路的t线电流。当电流增量大于整定值时电流增量判据启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1的电流增量判据启动且在延时内收到保护3的电流增量判据启动信号，则跳开1qf、5qf和6qf；保护2的电流增量判据启动且在延时内收到保护4的电流增量判据启动信号，则跳开2qf、5qf和6qf；保护3的电流增量判据启动且在延时内收到保护1的电流增量判据启动信号，则跳开3qf、7qf和8qf；保护4的电流增量判据启动且在延时内收到保护2的
电流增量判据启动信号，则跳开4qf、7qf和8qf。
[0060]
同理，也可以采集t线电流和f线电流，将t线电流和f线电流合并后作为馈线电流。
[0061]
3、复线直供系统变电所处异相短路保护实施例
[0062]
对于如图8所示的复线直供系统，变电所处异相短路的保护实施方案如下：
[0063]
在断路器1qf～4qf对应的保护1～4配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集馈线电流(t线电流)。当电流增量大于整定值时电流增量判据启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1的电流增量判据启动且在延时内收到保护3的电流增量判据启动信号，则跳开1qf、5qf；保护2的电流增量判据启动且在延时内收到保护4的电流增量判据启动信号，则跳开2qf、5qf；保护3的电流增量判据启动且在延时内收到保护1的电流增量判据启动信号，则跳开3qf、6qf；保护4的电流增量判据启动且在延时内收到保护2的电流增量判据启动信号，则跳开4qf、6qf。
[0064]
4、单线直供系统变电所处异相短路保护实施例
[0065]
对于如图9所示的单线直供系统，变电所处异相短路的保护实施方案如下：
[0066]
在断路器1qf～2qf对应的保护1～2配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集馈线电流(t线电流)。当电流增量大于整定值时电流增量判据启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1的电流增量判据启动且在延时内收到保护2的电流增量判据启动信号，则跳开1qf；保护2的电流增量判据启动且在延时内收到保护1的电流增量判据启动信号，则跳开2qf。
[0067]
5、分区所异相短路保护实施例
[0068]
本发明公开的基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护方法，可以基于变电所处两相邻线路的电流增量特征，实现针对变电所处异相短路故障的保护，还可以基于两变电所之间相邻线路的电流增量特征，实现针对分区所处异相短路故障的保护。以如图10为例，双断路器模式全并联at供电系统分区所异相短路的保护实施方案如下，其他类型供电系统分区所处异相短路的保护实施方案与之类似：
[0069]
在断路器1qf～4qf对应的保护1～4配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集的t线电流。当电流增量大于整定值时保护启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1的电流增量判据启动且在延时内收到保护3的电流增量判据启动信号，则跳开1qf、5qf和7qf；保护2的电流增量判据启动且在延时内收到保护4的电流增量判据启动信号，则跳开2qf、6qf和8qf；保护3的电流增量判据启动且在延时内收到保护1的电流增量判据启动信号，则跳开3qf、9qf和11qf；保护4的电流增量判据启动且在延时内收到保护2的电流增量判据启动信号，则跳开4qf、10qf和12qf。
[0070]
6、电流增量判据增加二次谐波闭锁判据的实施例
[0071]
为防止相邻线路同时有列车过电分相产生的励磁涌流导致异相短路保护误动，可在每一个电流增量判据处增加二次谐波闭锁判据。当电流增量δi＞i
set
，且当前时刻的电流二次谐波有效值i
h2
与当前时刻的电流基波有效值i
h1
之比小于整定值k
set
，电流增量判据启动，增加二次谐波闭锁判据的电流增量判据如图11所示。
[0072]
电流增量判据增加二次谐波闭锁判据后，相邻线路电流增量判据之间的动作逻辑不变，异相短路保护方法仍然是：在延时t内，若本线路的电流增量判据启动条件满足且收到相邻线路的电流增量判据启动信号，则跳开本线路的所有馈线断路器并发出信号。
[0073]
电流增量判据增加二次谐波闭锁判据后，本发明公开的异相短路保护方法适用范围不变，既能用于各种供电系统变电所处的异相短路保护，又能用于分区所处的异相短路保护。
[0074]
7、变电所断路器分开时的实施例
[0075]
由于变电所馈线断路器检修或供电系统处于迂回供电等特殊运行方式下，变电所馈线断路器会断开。针对变电所断路器分开时的异相短路故障，可在牵引网线路所有馈线上配置电流增量判据，通过判别本线路任一馈线电流增量判据启动且相邻线路任一馈线电流增量判据启动来识别异相短路故障，即：在延时t内，若本线路任一馈线的电流增量判据启动条件满足且收到相邻线路任一馈线的电流增量判据启动信号，则跳开本线路的所有馈线断路器并发出信号。以如图6所示的双断路器模式全并联at供电系统变电所异相短路为例，保护实施方案如下，其他类型供电系统变电所处和分区所处异相短路的保护实施方案与之类似：
[0076]
在断路器1qf～12qf对应的保护1～12配置基于相邻线路电流增量的牵引网异相短路保护，并分别采集各自线路的t线电流。当任一保护的电流增量大于整定值时该保护的电流增量判据启动，在延时内若启动条件满足且收到相邻线路任一馈线的电流增量判据启动信号，则跳开对应线路的所有断路器，即：保护1或保护5或保护7的电流增量判据启动且在延时内收到保护3或保护9或保护11的电流增量判据启动信号，则跳开1qf、5qf和7qf；保护2或保护6或保护8的电流增量判据启动且在延时内收到保护4或保护10或保护12的电流增量判据启动信号，则跳开2qf、6qf和8qf；保护3或保护9或保护11的电流增量判据启动且在延时内收到保护1或保护5或保护7的电流增量判据启动信号，则跳开3qf、9qf和11qf；保护4或保护10或保护12的电流增量判据启动且在延时内收到保护2或保护6或保护8的电流增量判据启动信号，则跳开4qf、10qf和12qf。
[0077]
同理，也可以采集t线电流和f线电流，将t线电流和f线电流合并后作为馈线电流。