李明璟，林國(guó)松，甘勇生

（1.廣西沿海鐵路股份有限公司 欽州供電段，高級(jí)工程師，廣西 欽州 535000；2.西南交通大學(xué)，副教授，四川 成都 610031）

我國(guó)普速電氣化鐵路一般采用直接供電方式，分單線(xiàn)和復(fù)線(xiàn)兩種運(yùn)行方式，當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置應(yīng)能正確跳閘切除故障，并提供準(zhǔn)確故障點(diǎn)信息。在黎塘-欽州線(xiàn)采用在供電臂末端分區(qū)所將上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)的復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式，經(jīng)過(guò)兩年多的運(yùn)行，牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置基于電抗法原理的接觸網(wǎng)故障測(cè)距出現(xiàn)了誤差大的問(wèn)題。對(duì)此進(jìn)行研究，在硬件和軟件上改進(jìn)了饋線(xiàn)保護(hù)裝置，在黎欽線(xiàn)某變電所安裝運(yùn)行并進(jìn)行短路試驗(yàn)，驗(yàn)證了饋線(xiàn)保護(hù)裝置的故障測(cè)距改進(jìn)應(yīng)用方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 接觸網(wǎng)故障測(cè)距現(xiàn)狀

在直接供電方式下，常用的故障測(cè)距原理為單線(xiàn)電氣化鐵路采用電抗距離關(guān)系表法，復(fù)線(xiàn)電氣化鐵路采用上下行電流比法。黎欽線(xiàn)采用復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式，牽引變電所不配置專(zhuān)用的故障測(cè)距裝置，采用基于單線(xiàn)運(yùn)行方式下的電抗距離關(guān)系法的饋線(xiàn)保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距功能。據(jù)統(tǒng)計(jì)，黎欽線(xiàn)某變電所在2018年至2020年總共發(fā)生短路故障16次，歷次跳閘后的故障報(bào)告得到的測(cè)距誤差與實(shí)際故障距離的統(tǒng)計(jì)如圖1所示?？梢钥吹剑诰€(xiàn)路的前中段，測(cè)距具有較好的精度，誤差范圍一般滿(mǎn)足在500米內(nèi)，而在線(xiàn)路的末端發(fā)生短路故障時(shí)，復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式下的測(cè)量電抗采用單線(xiàn)模式下整定的電抗距離關(guān)系表，導(dǎo)致在線(xiàn)路中末端產(chǎn)生較大的誤差不能滿(mǎn)足測(cè)距精度的要求。

圖1 牽引變電所故障測(cè)距誤差示意圖

在單線(xiàn)運(yùn)行方式下接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，牽引變電所饋線(xiàn)測(cè)量電抗隨著故障距離呈現(xiàn)單調(diào)增長(zhǎng)的線(xiàn)性關(guān)系，如式（1）所示：

其中，為牽引變電所饋線(xiàn)測(cè)量電抗（Ω），為接觸網(wǎng)單位電抗（Ω/km），為牽引變電所到故障點(diǎn)的距離（km）。

在復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式下接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，在線(xiàn)路條件理想（上行、下行線(xiàn)路物理參數(shù)完全對(duì)稱(chēng)且線(xiàn)路參數(shù)均勻）情況下，可以采用如式（2）所示的上下行電流比故障測(cè)距原理［1］。

根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表明，線(xiàn)路的短路故障中，約90%以上為瞬時(shí)性故障，上述黎欽線(xiàn)的16次故障全部為瞬時(shí)性故障。在發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，牽引網(wǎng)處于復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式，此時(shí)牽引變電所饋線(xiàn)的測(cè)量電抗會(huì)受到對(duì)側(cè)互感的影響，電抗與距離的關(guān)系呈現(xiàn)非線(xiàn)性［1］，導(dǎo)致黎欽線(xiàn)牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置的故障測(cè)距產(chǎn)生較大的誤差。

2 饋線(xiàn)保護(hù)裝置的改進(jìn)

2.1 饋線(xiàn)保護(hù)裝置的硬件改進(jìn)

為了改變目前饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障測(cè)距誤差大的問(wèn)題，首先改進(jìn)了傳統(tǒng)裝置的硬件結(jié)構(gòu)。饋線(xiàn)保護(hù)裝置由機(jī)箱、跳閘插件、交流插件、CPU插件、開(kāi)入插件、開(kāi)出插件和電源插件構(gòu)成，各插件排列示意如圖2所示。在饋線(xiàn)保護(hù)中，電源插件接入直流供電電源，為各插件提供各等級(jí)的直流電源；跳閘插件實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器跳閘輸出控制；交流插件將電壓互感器輸出的饋線(xiàn)二次電壓和電流互感器輸出的饋線(xiàn)二次電流轉(zhuǎn)換為CPU插件能夠識(shí)別的模擬量；CPU插件將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，接收開(kāi)入插件的數(shù)字量，進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷運(yùn)算，當(dāng)判斷發(fā)生故障時(shí)，輸出跳閘信號(hào)，CPU模塊也可以接收遠(yuǎn)動(dòng)控制命令，輸出控制信號(hào)給開(kāi)出插件；開(kāi)出插件接收CPU控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制和信號(hào)輸出。

圖2 饋線(xiàn)保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

原有交流插件包含1個(gè)電壓變換器和1個(gè)電流變換器，可以采集饋線(xiàn)電壓和本側(cè)饋線(xiàn)電流。在饋線(xiàn)保護(hù)裝置的硬件改進(jìn)中，增加了1個(gè)電流變換器，實(shí)現(xiàn)同步采集“對(duì)側(cè)”饋線(xiàn)保護(hù)電流的目的。

2.2 饋線(xiàn)保護(hù)裝置的軟件改進(jìn)

在軟件算法實(shí)現(xiàn)中，保留原有的電抗距離關(guān)系表法測(cè)距原理，將上下行電流比與距離的線(xiàn)性關(guān)系用電流比-距離表整定在整定值表中，可以通過(guò)靈活整定的方式減小因線(xiàn)路的上下行不對(duì)稱(chēng)、線(xiàn)路參數(shù)不均勻情況，根據(jù)式（2）計(jì)算的測(cè)距結(jié)果而產(chǎn)生誤差。

由于牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置可以采集“對(duì)側(cè)饋線(xiàn)保護(hù)電流”，從而可以計(jì)算故障時(shí)的上下行電流比，安裝在牽引變電所的饋線(xiàn)保護(hù)裝置同時(shí)投入上下行電流比距離表法和電抗距離表法測(cè)距功能。當(dāng)本側(cè)饋線(xiàn)故障時(shí)，如果對(duì)側(cè)饋線(xiàn)電流大于噪聲電流整定值（根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取50A），判定“對(duì)側(cè)有電流”，從而判別牽引網(wǎng)處于復(fù)線(xiàn)運(yùn)行方式，采用上下行電流比法測(cè)距，反之采用電抗距離關(guān)系表法測(cè)距。傳統(tǒng)的分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)裝置不具備故障測(cè)距功能，在本項(xiàng)目實(shí)施中，安裝在分區(qū)所的饋線(xiàn)保護(hù)裝置投入電抗距離表法測(cè)距功能。饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障測(cè)距改進(jìn)應(yīng)用方法流程如圖3所示。

圖3 饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障測(cè)距改進(jìn)方法流程圖

3 現(xiàn)場(chǎng)短路試驗(yàn)

3.1 改進(jìn)的饋線(xiàn)保護(hù)裝置現(xiàn)場(chǎng)安裝與短路試驗(yàn)

2020年12月，分別在大崇變電所和沙江分區(qū)所各安裝了一套改進(jìn)的饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置。黎欽線(xiàn)大崇變電所-沙江分區(qū)所供電臂與饋線(xiàn)保護(hù)接線(xiàn)如圖4所示，變電所往黎塘方向的213、214分別為下行饋線(xiàn)、上行饋線(xiàn)，分區(qū)所272為上下行聯(lián)絡(luò)斷路器；其中，6YH、3YH分別為牽引變電所、分區(qū)所27.5kV母線(xiàn)電壓互感器，18LH、20LH分別為牽引變電所上行、下行饋線(xiàn)的電流互感器，2LH為分區(qū)所的上下行聯(lián)絡(luò)饋線(xiàn)電流互感器。牽引變電所下行214饋線(xiàn)的饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置接入27.5kV母線(xiàn)電壓、本側(cè)饋線(xiàn)電流和對(duì)側(cè)上行213的饋線(xiàn)電流。分區(qū)所272饋線(xiàn)安裝饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置接入下行側(cè)27.5kV母線(xiàn)電壓和272饋線(xiàn)電流，規(guī)定分區(qū)所下行線(xiàn)路指向上行線(xiàn)路為正方向。根據(jù)歷史故障報(bào)告和線(xiàn)路參數(shù)，確定了兩套饋線(xiàn)保護(hù)裝置涉及的故障測(cè)距的整定參數(shù)。

圖4 牽引變電所至分區(qū)所供電臂與饋線(xiàn)保護(hù)接線(xiàn)示意圖

2021年4月底，在沙江站（不含）至橫州站（不含）間下行區(qū)間167#接觸網(wǎng)支柱處（K4+225）（如圖4所示）進(jìn)行了兩次短路試驗(yàn)，所得兩次故障報(bào)告電量參數(shù)與故障波形基本相同。

3.2 牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障報(bào)告分析

牽引變電所饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置記錄的第2次短路試驗(yàn)的故障波形如圖5所示。從錄波數(shù)據(jù)可以得到本側(cè)（214）、對(duì)側(cè)（213）饋線(xiàn)電流有效值分別為1611A、1157A，從而根據(jù)式（2）可得短路試驗(yàn)的上下行電流比為1157/（1157+1611）=0.418。實(shí)際上，兩次短路得到的波形，均計(jì)算得到了該電流比值。在第1次短路試驗(yàn)后，將0.418整定到上下行電流比距離關(guān)系整定值表，在第2次短路試驗(yàn)中，故障測(cè)距誤差基本為0m，完全滿(mǎn)足饋線(xiàn)保護(hù)裝置對(duì)故障測(cè)距精度在500m內(nèi)的要求［2］。

圖5 第2次短路試驗(yàn)的變電所故障波形

3.3 分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障報(bào)告分析

分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)測(cè)控裝置兩次故障報(bào)告中的故障測(cè)量電抗值均為1.73Ω。根據(jù)第1次短路試驗(yàn)所得的測(cè)量電抗值修正了分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)裝置的電抗距離關(guān)系表。分區(qū)所第2次短路試驗(yàn)的故障報(bào)告如圖6所示，其中，“-1.73Ω”表示分區(qū)所饋線(xiàn)電流由上行流向下行，“KM=K4+96”代表的故障點(diǎn)公里標(biāo)為“K4+096”，“L=2.626km”代表的故障點(diǎn)距離分區(qū)所距離“2.626km”，故障報(bào)告表明改進(jìn)測(cè)距誤差后的值為129m，實(shí)際上，如果將短路點(diǎn)的電抗距離值也整定進(jìn)電抗距離關(guān)系表，第2次短路試驗(yàn)的誤差將為0m。分區(qū)所測(cè)距結(jié)果證明了基于分區(qū)所電抗距離表法的測(cè)距原理的準(zhǔn)確性。

圖6 分區(qū)所饋線(xiàn)保護(hù)裝置故障報(bào)告

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)黎欽線(xiàn)某變電所故障測(cè)距報(bào)告進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，改進(jìn)了饋線(xiàn)保護(hù)裝置的交流插件和軟件中的故障測(cè)距應(yīng)用方法。在黎欽線(xiàn)大崇變電所-沙江分區(qū)所供電臂進(jìn)行的短路實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改進(jìn)后的故障測(cè)距誤差大大優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了故障測(cè)距改進(jìn)應(yīng)用方法的可行性和準(zhǔn)確性。