相互闭锁反向过流继电器在地铁交流供电系统中的应用

摘　要　分析了地铁链接供电的特点。指出了当链接站点过多时,后备过流保护按照阶梯式原则整定的时限存在超出主变电所允许的最大时限的问题;提出了相互闭锁反向过流继电器新原理。应用此继电器,结合常规的光纤纵差和过流保护,从而构成一个完备的保护方案。不仅能链接任意多的站点,而不超出主变电所允许的最大时限,而且能简化系统接线方式,简化系统操作,有利于安全运行,且不增加额外投资。
关键词　地铁,供电系统,继电保护,过流

0 引言
轨道交通交流供电系统通常设置光纤纵差作为主保护,同时按照阶梯式原则设置定时限过流保护作为后备保护,二者结合构成完备的保护。由于给地铁供电的主变电所有最大允许时限的要求,所以按照阶梯式原则设置的定时限过流保护级数不能太多,以保证时限不会超过主变电所的要求。这导致在一个供电分区内链接较多站点的方式无法实现。通常的做法是每个供电分区内的站点数为3~4个(即轨道交通中所谓的小分区方案),以满足主变电所时限的要求。
小分区供电方式中,除了与主变电所直接相邻的分区,其它分区的电缆都要穿过前一分区与主变电所连接,这增加了电缆的成本。如果能够把多回交流电力电缆简化成一至两回电缆,不仅能节省电缆、减少电缆敷设所需要的空间、减少主变电所的出线断路器、节省大量的投资,而且能简化系统接线方式、简化系统操作,有利于安全运行。
如果所有过流保护设置2Δt时限,当某个光纤纵差退出,它所在的过流保护的时限降到1Δt,在通常情况下,就能链接任意多的站点。但它存在如下一些问题:当故障发生在光纤纵差退出的线路时,断路器失灵或者保护退出,则全线经过2Δt跳闸,导致扩大事故;又如某个变电站下面母线的一条馈出线发生故障,其断路器失灵或者保护退出,全线也会经过2Δt跳闸,导致扩大事故。因此,研制具有完备的后备功能的过流保护,是多站点链接方式能够实现的必要条件。

1 相互闭锁反向过流继电器总体框架

针对上述问题,本文提出了相互闭锁反向过流继电器。除了软件上需要增加逻辑以外,还要把背靠背断路器(即同一站、同一回线的进出线的断路器)对应的保护装置中的一个专用继电器的一副常开接点接到对方的开入,相互传递闭锁逻辑。此继电器与常规的光纤纵差保护和过流保护相互配合,从而构成一个完备的保护方案。
这里规定从母线指向线路的方向为正方向。所以,反向过流继电器在保护背后发生故障时它会动作。专用继电器接点闭合时,开入定义为“1”;接点打开时,开入定义为“0”。保护正常运行后,对专用继电器进行励磁,其常开接点闭合,开入长期报“1”,不报警。发生故障后,如果保护元件动作但没有出口,则其专用继电器接点发出第1种脉冲。例如“闭合”与“打开”之比为2∶1的脉冲信号。保护元件动作出口后,其接点打开100 ms后闭合,即开入收到100 ms的“0”。
相互闭锁连线如果断开或者保护退出运行,开入就长期报“0”,装置报警。
每隔1 h,专用继电器发出10 s的第2种脉冲。例如“闭合”与“打开”之比为1∶1的脉冲,用于相互监视背靠背保护是否工作正常。不需要背靠背保护通过232或485等通讯方式交换心跳报文来相互监视,这样可简化设计和现场接线。

2 相互闭锁反向过流继电器及其与它相配合的其它保护的具体方案
以下论述的“时限统一”是指从故障开始时刻开始计时。
1)用于防止背靠背断路器失灵的相互闭锁反向过流保护的时限统一整定为一个小延时,例如20ms。为了简化和区别,此保护简称为“失灵相互闭锁反向过流保护”。它在跳闸前要看收到的背靠背保护的开出出现过3个状态,即“闭合”、“脉冲”和“打开”。其中“脉冲”状态是指前述的在保护元件动作但没有出口,发出第1种脉冲,此状态的“闭合”与“打开”之比为2∶1。之所以设计此“脉冲”状态,是为了防止用于闭锁的连线突然断开或者保护退出等原因使得保护误判断,导致可能的误动。如果保护收到的第三个状态“打开”超过100 ms,就认为背靠背断路器失灵,此保护跳闸,以实现近后备。
此保护时限虽然整定为一个小延时,但由于它在跳闸前要看收到的背靠背保护的开出出现过3个状态,因此如果背靠背保护是光纤纵差跳闸,但断路器失灵,此保护的实际出口动作时间是100 ms左右;如果背靠背保护光纤纵差退出,其正向过流整定时限为2Δt,则此保护的实际出口动作时间是2Δt+100 ms,小于3Δt。
2)用于隔离下面母线故障的相互闭锁的反向过流保护时限统一整定为1Δt。为了简化和区别,此保护简称为“母线相互闭锁反向过流保护”。它在跳闸前要看收到的背靠背保护的开出出现过2个状态,即“闭合”和“脉冲”。此脉冲是第3种脉冲,例如其“脉冲”状态的“闭合”与“打开”之比为1∶2。发出“脉冲”状态的前提是曾经有压有流,然后出现三相变为无压无流或者低压小电流,或者出现有一相或者两相低压小电流。此“脉冲”状态表示背靠背保护检测到其背后发生故障,而本保护反向过流保护动作,二者条件都满足,就表示故障在二者之间,即本所的母线或者母线的馈出线。
3)如果监视到背靠背保护的相互闭锁连线断开或者保护退出运行,则反向过流保护时限为3Δt。为了简化和区别,此保护简称为“断线相互闭锁的反向过流保护”。
4)当光纤纵差退出后,投入正向过流保护,时限统一整定为2Δt。
5)设置无方向的过流保护,时限为4Δt作为总后备,可以与主变电所的时限一样。
6)末端线路仍然设置光纤纵差,末端站设置无限制条件的反向过流保护,其时限为1Δt。
7)光纤保护具有远跳功能。如果有一侧发生保护跳闸,不是手跳,则通过光纤发命令跳对侧。

 
3 各种故障和保护动作行为分析
要考虑在任意处发生短路,再在任意处发生下列各种异常情况:光纤故障、断路器失灵、保护退出、相互闭锁连线断开、母线故障,保护不会越级跳闸等。现以图1举例予以分析。具体分析见表1。其中B处是末端站。

4 结语
相互闭锁反向过流继电器充分利用了每个站中每回线路有背靠背断路器,而且只有一对,又相互靠得很近,能够很方便地相互连接闭锁线,不会增加太大的工作量,也不会降低系统的可靠性,从而使它们二者很方便地相互构成近后备保护以及其它保护。此保护方案在不增加额外投资的前提下,不仅能链接任意多的站点,不会超出主变电所允许的最大时限,而且能简化系统接线方式、简化系统操作、有利于安全运行。目前该方案正在进行产品化设计。

参考文献
【1】朱声石.高压电网继电保护原理与技术【M】.北京:中国电力出版社,2005.
【2】Li Gang,Wang Jun,Jiang Ping,etc. Analyses and Studies on Uni-versal Platform of Relays【G】. IEEE PowerCon, 2006,1-4244-0111-9/06/.

原作者：李　钢　祝炎富　陆亦飞　王　军　江　平