牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)配置方案

本文格式為Word版，下載可任意編輯——牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)配置方案[摘要]分析了牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)距離保護(hù)、自適應(yīng)電流速斷保護(hù)、自適應(yīng)電流增量保護(hù)和自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)的原理，提出了牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)的配置方案，初步設(shè)計(jì)了牽引網(wǎng)自適應(yīng)饋線保護(hù)裝置。

[關(guān)鍵詞]牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)配置

1引言

牽引負(fù)荷是單相、變化的負(fù)荷，主要與線路狀況、機(jī)車類型、列車重量和運(yùn)行速度有關(guān)；牽引負(fù)荷電流中含有豐富的諧波成分，負(fù)荷的阻抗角大；牽引網(wǎng)供電臂供電距離長(zhǎng)，且牽引網(wǎng)阻抗較大，相應(yīng)的短路電流??；由于牽引負(fù)荷為移動(dòng)負(fù)荷，接觸網(wǎng)故障發(fā)生的幾率較電力系統(tǒng)輸電線路要頻繁得多。由于牽引負(fù)荷的特別性以及牽引網(wǎng)故障頻繁的特點(diǎn)，牽引網(wǎng)饋線保護(hù)在牽引供電系統(tǒng)的保護(hù)中占有重要地位。本文借鑒電力系統(tǒng)中自適應(yīng)保護(hù)的較完善的理論和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，研究根據(jù)牽引負(fù)荷特點(diǎn)構(gòu)成的牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)方案，具有重要的理論和實(shí)際意義。

2牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)的原理

2.1自適應(yīng)距離保護(hù)

在現(xiàn)有的牽引網(wǎng)饋線保護(hù)裝置中，一般采用距離保護(hù)作為主保護(hù)。由于電力機(jī)車經(jīng)常運(yùn)行在起動(dòng)、調(diào)速、再生制動(dòng)等工況下，以及降弓通過(guò)電分相再合閘時(shí)引起勵(lì)磁涌流，因此，當(dāng)線路上既有正常負(fù)荷又有再生負(fù)荷或勵(lì)磁涌流時(shí)，其綜合負(fù)荷就可能落入保護(hù)動(dòng)作區(qū)，造成常規(guī)距離保護(hù)的誤動(dòng)作，如圖1所示。

線路正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于電力機(jī)車為整流負(fù)荷，含有豐富的奇次諧波，其中以三次諧波的成分最高，一般可達(dá)到20%～30%，當(dāng)存在再生負(fù)荷時(shí)，三次諧波的含量可以達(dá)到40%。而機(jī)車通過(guò)電分相或空載投入AT牽引網(wǎng)時(shí)，產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流中含有豐富的二次諧波分量。與之相比，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電力機(jī)車被旁路，短路電流基本為正弦波。因此，可以根據(jù)諧波成分的大小來(lái)區(qū)分負(fù)荷電流和故障電流。

定義綜合諧波含量為：

其中、、、、分別為負(fù)荷電流中的基波、二、三、五、七次諧波。

阻抗繼電器的動(dòng)作方程為：

其中，R、X為阻抗繼電器的測(cè)量電阻和電抗；、分別為阻抗繼電器的電阻和電抗整定值。

牽引供電系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，K>0，從而使和乘以一個(gè)小于1的系數(shù)，相當(dāng)于把多邊形阻抗繼電器的線路邊和負(fù)荷邊收縮了。而機(jī)車運(yùn)行于再生制動(dòng)狀態(tài)、通過(guò)電分相或空載投入AT牽引網(wǎng)時(shí)，電流中的諧波分量會(huì)比正常運(yùn)行時(shí)更大，阻抗繼電器的動(dòng)作邊界也縮小了。例如，當(dāng)K=15%時(shí)，阻抗繼電器的動(dòng)作邊界自動(dòng)縮小13%;當(dāng)K=35%時(shí)，阻抗繼電器的動(dòng)作邊界自動(dòng)縮小26%。而當(dāng)饋線發(fā)生常規(guī)故障時(shí)，，即和乘以1，從而保證阻抗繼電器的動(dòng)作邊界不變。

2.2自適應(yīng)電流速斷保護(hù)

牽引網(wǎng)饋線采用電流速斷保護(hù)主要是為了保證饋線在發(fā)生近端故障時(shí)，保護(hù)裝置能夠快速動(dòng)作，同時(shí)可以輔助判斷牽引網(wǎng)異相短路故障?？紤]到牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)距離保護(hù)利用綜合諧波含量自適應(yīng)調(diào)理動(dòng)作邊界的方法，其本身就是基于故障電流的，因此可以直接用于實(shí)現(xiàn)電流速斷保護(hù)的自適應(yīng)。具體的動(dòng)作特性為：，式中，為電流基波測(cè)量值，K為綜合諧波含量，為諧波抑制的加權(quán)系數(shù)，為電流整定值。

2.3自適應(yīng)電流增量保護(hù)

牽引網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，其測(cè)量阻抗比常規(guī)故障時(shí)的測(cè)量阻抗要高幾倍至幾十倍，距離保護(hù)將不能正確動(dòng)作。當(dāng)機(jī)車啟動(dòng)或者運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)車內(nèi)大電感的作用，短時(shí)間內(nèi)電流增量不會(huì)很大，而發(fā)生短路時(shí)，電流瞬間增大到短路電流，和機(jī)車啟動(dòng)或者運(yùn)行時(shí)的電流增量相差十分大。電流增量保護(hù)的原理就是利用了短路時(shí)電流瞬間增大的特性，通過(guò)比較正常狀態(tài)時(shí)的負(fù)荷電流和高阻故障時(shí)電流隨時(shí)間變化的分量不同來(lái)檢出故障，交流型繼電器特性如圖2所示。

圖2電流增量保護(hù)特性

其中電流增量，、分別為故障前后的電流值。的整定值為該區(qū)間實(shí)際走行一列列車的最大電流值。一般狀況下，一個(gè)供電區(qū)間的最大負(fù)荷電流約能達(dá)到列車最大電流的兩倍左右，所以與普通的過(guò)電流繼電器相比，型保護(hù)繼電器的選擇能力為它的兩倍。但當(dāng)電力機(jī)車過(guò)分相或電分段時(shí)就無(wú)法避開(kāi)負(fù)荷電流變化的分量；此外，由于電力機(jī)車起動(dòng)的勵(lì)磁涌流都可能使型保護(hù)誤動(dòng)作，所以必需改善其性能。

可利用負(fù)荷電流中的三次諧波含量和二次諧波閉鎖功能抑制繼電器的動(dòng)作。其動(dòng)作方程為:

若整定較低時(shí)，躲過(guò)渡電阻能力強(qiáng)，但在重負(fù)荷下型繼電器可能發(fā)生誤動(dòng)作，為此引入諧波含量系數(shù)對(duì)型繼電器進(jìn)行改造，在重負(fù)荷條件下，負(fù)荷電流中含有較大的諧波分量，改造后的型繼電器會(huì)隨著負(fù)荷大小自動(dòng)改變動(dòng)作邊界以避免在線路重負(fù)荷運(yùn)行條件下發(fā)生誤動(dòng)作。動(dòng)作方程為：

式中：為綜合諧波含量；

為自適應(yīng)抑制系數(shù)。

2.4自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)

機(jī)車在線路上運(yùn)行的時(shí)候，負(fù)荷電流經(jīng)常變化，即在任一電流值下運(yùn)行的時(shí)間都很短。而故障電流一經(jīng)產(chǎn)生，就一直持續(xù)到故障切除以后才完結(jié)。因此根據(jù)電流持續(xù)時(shí)間的不同可以鑒別故障。根據(jù)這一原理構(gòu)成具有階梯特性的三段過(guò)電流保護(hù)。這是動(dòng)作時(shí)間與被保護(hù)線路中電流的大小有關(guān)的一種保護(hù)，當(dāng)電流大時(shí)，保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限短，而當(dāng)電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)限長(zhǎng)，保護(hù)根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷電流時(shí)間曲線進(jìn)行整定。三段過(guò)電流保護(hù)均可以根據(jù)實(shí)際狀況投退。三段過(guò)電流保護(hù)一般保護(hù)線路全長(zhǎng)，但由于牽引負(fù)荷電流的最大值同線路末端的最小短路電流相近，甚至小于最小短路電流，因此，三段過(guò)電流保護(hù)一般作為牽引饋線保護(hù)的后備保護(hù)，整定時(shí)要求躲過(guò)線路的最大負(fù)荷。保護(hù)特性如圖3所示:

圖3三段過(guò)電流保護(hù)特性

自適應(yīng)過(guò)電流保護(hù)也是通過(guò)引入電流的綜合諧波分量，實(shí)現(xiàn)保護(hù)的自適應(yīng)。對(duì)于重負(fù)荷線路，過(guò)電流保護(hù)還可以選擇低電壓閉鎖和二次諧波閉鎖功能。動(dòng)作方程為:

（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段）

式中:為綜合諧波抑制系數(shù)，為二次諧波閉鎖值，為基波電壓，為低電壓?jiǎn)?dòng)值。為過(guò)流保護(hù)的定值，按接觸網(wǎng)承受過(guò)負(fù)荷的能力整定。

現(xiàn)有的牽引網(wǎng)饋線保護(hù)中，反時(shí)限過(guò)流保護(hù)應(yīng)用比較多。其主要特征是動(dòng)作時(shí)限與被保護(hù)線路中的電流大小相關(guān)，當(dāng)電流大時(shí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限短，而電流小時(shí)動(dòng)作時(shí)限長(zhǎng)。實(shí)際運(yùn)行中，有三種不同的反時(shí)限特性：一般反時(shí)限，十分反時(shí)限，極度反時(shí)限，可通過(guò)控制字選擇投入。

3牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)的配置

以自適應(yīng)距離保護(hù)為主保護(hù)，用以保護(hù)饋線的各種接地故障；以自適應(yīng)電壓增量保護(hù)、自適應(yīng)電流增量保護(hù)、自適應(yīng)過(guò)流保護(hù)和自適應(yīng)電流速斷保護(hù)作為后備保護(hù)，分別用于保護(hù)牽引網(wǎng)饋線異相短路故障、高阻接地故障、接觸網(wǎng)過(guò)熱及短路故障、近端短路故障。同時(shí)，根據(jù)饋線具體狀況可協(xié)同二次諧波閉鎖、低電壓閉鎖、PT斷線閉鎖等功能。保護(hù)的規(guī)律框圖如4所示。

圖4牽引網(wǎng)饋線自適應(yīng)保護(hù)配置的規(guī)律框圖

4饋線保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的保護(hù)裝置除了要實(shí)現(xiàn)饋線具體保護(hù)功能外，還要實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)采集和處理、定值和程序存儲(chǔ)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出以及通信等功能，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，故障時(shí)作出動(dòng)作判斷?？紤]到保護(hù)的配置狀況且要求保護(hù)完全不受通信的影響，所以采用“DSP+ARM〞的雙CPU架構(gòu)。利用DSP處理器運(yùn)算速度快、擅長(zhǎng)數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、規(guī)律判斷，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能；由ARM處理器完成與站級(jí)的通信功能。本裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括：保護(hù)DSP模塊、通信管理ARM主板模塊、電源模塊、液晶觸摸顯示模塊、各輸入輸出模塊等，如圖5所示。

圖5硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖中，電源模塊負(fù)責(zé)給各板提供適合的電源，根據(jù)各板上器件所需電源狀況，將輸入的交流220V轉(zhuǎn)換成直流±5V、±12V、24V等，作為主板工作電源、輸入輸出驅(qū)動(dòng)電源、液晶觸摸屏電源及信號(hào)顯示電源等等。

裝置要求能夠當(dāng)?shù)仫@示、維護(hù)即人機(jī)交互，設(shè)計(jì)了液晶觸摸顯示模塊，用于顯示裝置工作狀態(tài)、采集到的各種信息及操作記錄等，還具有參數(shù)輸入功能，可以修改裝置的整定值等參數(shù)，便利當(dāng)?shù)夭僮?、調(diào)試和維護(hù)。

通信管理ARM主板模塊是本裝置的核心部分，負(fù)責(zé)與DSP保護(hù)主板的信息交換、與液晶顯示模塊通信、與上層的CAN通信等，還帶有調(diào)試用的串口及網(wǎng)口。DSP板采集的數(shù)據(jù)傳給ARM主板，再由它統(tǒng)一上傳和顯示；從上層或觸摸屏輸入的整定值都由ARM主板輸給DSP板，進(jìn)行修改維護(hù)。

保護(hù)功能由保護(hù)DSP模塊獨(dú)立完成，保護(hù)功能完全獨(dú)立，不依靠于ARM板，保護(hù)動(dòng)作信息實(shí)時(shí)傳給ARM板，整定值的修改通過(guò)接收ARM板傳輸?shù)男畔?lái)實(shí)現(xiàn)。

模擬量、信號(hào)量的采集和輸出控制由輸入輸出模塊完成，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以供給DSP板采集；接收DSP板控制信號(hào)進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)，通過(guò)繼電器控制各斷路器、隔離開(kāi)關(guān)，達(dá)到保護(hù)