高铁牵引变电所保护双重化设计及应用案例

常 鹏，常占宁



高铁牵引变电所保护双重化设计及应用案例

常 鹏，常占宁

阐述了高铁牵引变电所保护实行双重化配置的原因，介绍了兰新高铁牵引变电所进线保护和牵引变压器保护双重化的现状，并对现场故障案例进行了分析。

高速铁路；牵引变电所；继电保护；双重化

0 引言

自1961年我国第一条普速电气化铁路宝成铁路宝凤段开通，牵引变电所进线电源即采用了 110 kV电压等级接入地方电网的模式，后续建设的电气化铁路均沿用了这一模式。高速铁路因速度高、牵引负荷大、可靠性高等特点，要求牵引变电所外部电源容量足够大，因此，为了提高牵引供电电能质量并减小单相牵引负荷对三相电力系统电能质量的影响，牵引变电所外部电源应尽量选择较高的电压和较大的短路容量。我国高速铁路发展初期选择了220 kV电压等级电源做为牵引变电所的进线电源；在高速铁路设计规范中也做出了明确规定：供电电源应采用220 kV或以上电压等级。

西北电网主干网络电压采用330 kV，因此兰新高铁甘肃省、青海省内牵引变电所外部电源采用了330 kV电压等级供电。该供电方式的优点是系统容量大、电压稳定，有利于减少电源线路的损耗，总体供电质量优于110 kV系统，但也带来了高电压等级对牵引变电所更高的技术要求等问题。

1 高铁牵引变电所保护双重化配置的要求

在系统发生故障时继电保护不能可靠动作，将会直接威胁电网的安全稳定运行，严重时甚至会给电网带来灾难性的打击，装设双套保护是提高重要线路和设备继电保护可靠性的较好办法。

《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB14285-2006）规定330～500 kV线路应按下列原则实现主保护双重化：一是设置两套完整、独立的全线速动主保护；二是两套全线速动保护的交流电流、电压回路和直流电源互相独立；每套线路速动保护应分别动作于断路器的一组跳闸线圈；当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的两组跳闸线圈。高速铁路设计规范11.3.12条要求继电保护的配置应符合下列规定：继电保护设计除铁路特殊要求外，应符合《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285的有关规定。2000年国家电力公司发布了《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，其中20.1.4条规定：为提高继电保护的可靠性，对重要的线路和设备必须坚持设立两套互相独立的主保护原则，并且两套保护为不同原理和不同厂家的产品。《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》（国家电网生[2012]352号）15.2.1.7条规定：330 kV以上电压等级输变电设备的保护应按双重化配置。

《防止电力生产事故的二十五项重点要求》（国能安全[2014]161号）规定双重化配置的继电保护应满足以下要求：两套保护装置中的每套保护均应含有完整的主、后备保护，能反映被保护设备的各种故障及异常状态，并能作用于跳闸或发出信号；采用双重化配置的两套保护装置应安装在各自保护柜内，并应充分考虑运行和检修时的安全性；有关断路器的选型应与保护双重化配置相适应，220 kV及以上断路器必须具备双跳闸线圈机构。两套保护装置的直流电源应取自不同蓄电池组供电的直流母线段。

双套主保护采用相同厂家的同一产品可使备品备件相对简化，但采用不同原理和不同厂家的产品可形成互补，以防止由于保护装置设计考虑不周而造成保护拒动现象。

2 兰新高铁变电所保护双重化设计

兰新高铁牵引变电所继电保护及自动装置设置原则：330 kV电压等级保护除非电量保护外，均按双套保护配置。继电保护基本按照以下要求进行配置：两套保护装置与其他保护、设备配合的回路遵循相互独立的原则，两套保护装置的交流电流分别取自电流互感器互相独立的绕组，交流电压分别取自电压互感器互相独立的绕组，两套保护装置的跳闸回路与断路器的两个跳闸线圈分别一一对应；两套保护之间没有任何电气联系，防止因交叉停用导致保护功能缺失，当一套保护装置退出时不影响另一套保护装置的运行。

2.1 进线保护

110 kV及以下的高压线路保护绝大部分采用电流保护或距离保护，保护仅反应线路一侧的电气量，不能区分本线末端和对侧母线（或相邻线始端）故障，只有反应线路两侧的电气量才能区分上述2点故障。为了达到有选择性地快速切除全线故障的目的，需要将线路一侧电气量的信息传输到另一侧，也就是在线路两侧之间发生纵向联系，该保护称为输电线的纵联保护，可以速动保护全长线路。按照保护动作原理，纵联保护可分为2类：方向比较式纵联保护和纵联电流差动保护，方向比较式纵联保护以线路两侧方向元件的动作行为作为动作判据，纵联电流差动保护是以线路两侧电流间的相量（相位和幅值）关系作为动作判断依据。

光纤电流差动保护原理：随着光纤通信技术的发展，数字信号的传输速率已达到可以快速准确的传送三相电流的采样值，相当于将线路两侧的电流互感器二次侧连接起来。光纤分相电流差动保护借助线路光纤通道，实时地向对侧传递采样数据，如图1所示，线路两侧采样数据借助于高压线路光纤通道实时进行数据交换，各侧保护利用本地和对侧电流数据按相进行差动电流计算，比较被保护线路两侧各相的电流大小与相位，对正常运行、区内故障、区外故障作出判别。

图1 光纤差动保护原理图

兰新高铁甘肃及青海省境内牵引变电所采用330 kV进线，双回路电源引入。牵引变电所的 330 kV电源进线设失压保护，电源母线间不设母联隔离开关，330 kV牵引变电所线路均根据电力部门要求配置了2套光纤电流差动保护作为线路的主保护，并配置信息采集装置上传地方电调。为了实现“由不同的保护动作原理、不同厂家的硬件结构构成”的双重化保护配置，其中一套牵引变电所进线保护装置采用了许继电气有限公司的GXH803A-201G光差保护柜（WGQ-871微机故障启动装置、WXH-803/A数字式电流差动保护装置），包含以光纤电流差动为主体的全线速动主保护，由三段式相间和接地距离保护等构成的后备保护；另一套采用的是北京四方继保自动化股份有限公司的CSC-103A（B）线路保护装置，其主保护为纵联电流差动保护，后备保护为三段式距离保护、四段式零序电流保护等，个别所采用了南京南瑞继保电气有限公司的PRC31BM-54型光纤分相电流差动保护柜（RCS-931数字式线路保护装置、RCS-925远跳过电压保护装置）与北京四方保护装置的组合。

高压线路保护采用双重化配置的目的是防止保护装置由于元器件的损坏而造成保护拒动，如果2套装置由于原理不完善造成保护拒动，将不能达到双重化配置的目的。2套装置在动作特性上均采用了比率制动原理，目前差动保护不同原理主要体现在制动特性不同，有二段式也有三段式，各厂家内部算法也各不相同，但实质上2套装置就保护原理来说是相同的，其动作逻辑也是一样的，只是在动作范围内的灵敏度上有所区别。

2.2 牵引变压器保护

牵引变压器综合自动化功能配置的基本要求：牵引变电所综合自动化系统采用分层分布式结构，集中组盘安装方式。系统由站级管理层、通信层、间隔层3部分设备组成。间隔层设备包括双套主变压器保护装置和双套主变压器后备保护装置。

兰新高铁采用的是2台单相变压器组成VV接线的线路变压器组形式。330 kV牵引变压器设置的差动保护、高低压侧低电压启动过电流保护、过负荷保护均按双套配置。本体设置的轻重瓦斯、油温一段二段、压力释放等保护除外，其中过负荷、轻瓦斯、油温一段作用于发出信号，其余作用于跳闸。牵引变电所330 kV进线侧电流互感器采用8个二次线圈，1个用于计量，1个用于测量，6个用于保护。330 kV断路器设有2套相同而又各自独立的分闸装置，每1套分闸装置动作时或2套装置同时动作时均应保证设备的机械特性。

兰新高铁牵引变电所牵引变压器采用了天津凯发电气股份有限公司（下文简称天津凯发）的DK3530A保护装置和南京自动化股份有限公司（下文简称南自公司）的WBZ-65A保护装置，实现了主变保护双重化配置。差动保护由比率差动保护和差动速断保护2个元件组成，均采用了三折线比率制动原理。其特性曲线如图2。

图2 比率差动保护特性曲线图

2.2.1 比率差动保护

比率制动特性用以避开电流互感器产生的误差，防止励磁涌流可能导致的差动保护误动。天津凯发保护装置的比率差动闭锁判据有差动电流二次、三次、五次谐波闭锁、低压侧相电流二次谐波闭锁，二次电流的方向设定为流出方向为正方向。南自公司保护装置差动判断依据是高低压侧对应的两相电流的矢量差，因此，要求高低压侧电流互感器极性应保持同名端输入。

2.2.2 差动速断保护

弓网拉弧或机车投断负载及变压器内部故障，使差动电流中含有较大的二次分量，易导致保护延时甚至拒动，为此增设了差动速断保护装置。天津凯发的保护装置在检测到某一相差动电流大于本相的差动电流速断定值时，瞬时动作出口，快速切除变压器区内发生的严重故障。

牵引变压器主保护采用不同励磁涌流鉴别原理的比率差动保护和故障分量差动保护、差动速断保护和重瓦斯保护。配置2套相同的低压启动过流保护为后备保护。轻瓦斯、油位、温度等非电量保护未实行双重化配置。

由于同一厂家同一批次产品在原理设计、器件选型、加工工艺等过程中可能存在一定的不合理性，在某些情况下可能2套装置同时失效，使系统失去保护。鉴于此实际情况，在目前尚未具备更为理想和完善的保护装置的情况下，采用不同保护原理和不同生产厂家的2套保护作为双重化配置有利于性能互补，提高保护的可靠性。

3 牵引变电所保护双重化动作案例

2015年5月5日11时11分25秒105毫秒，丹霞牵引变电所主变压器压力释放动作，102、203、204断路器跳闸，当时运行方式为2号进线3#、4#主变运行，1号进线1#、2#主变热备。由于主变二次侧F相电流互感器绝缘击穿炸裂，导致运行系统27.5 kV侧F1母线近端金属性短路接地，处于热备状态的1#系统牵引变压器的330 kV侧电流互感器中无电流通过，2×27.5 kV侧电流互感器经母线带电，造成1#主变差动保护出口动作。故障报告显示2015-05-05 11:11:25.105丹霞牵引变电所南自1#变压器保护装置差动出口动作。

对该变压器2套保护装置分别进行动作可靠性试验，经验证2套保护装置均能可靠动作，变压器差动保护动作试验报告见表1。表1中设备名称显示为“1号变压器保护装置”的是国电南京自动化股份有限公司的变压器保护试验情况，设备名称为“1与2号变差动保护装置”的是天津凯发电气股份有限公司的变压器保护试验情况。

表1 变压器差动保护动作试验报告表

2015年11月20日16时14分53秒582毫秒，青沙湾牵引变电所2号主变低压侧202断路器跳闸,低压侧过流出口，综自后台发出的报文见表2和表3。

表2 青沙湾牵引变电所事故记录表

表3 青沙湾牵引变电所故障报告表

2016年9月22日JMC变电所合102断路器时合闸失败，发出“3号变测控保护装置差动保护”、“4号变测控保护装置差动保护”事故报警，对3、4号主变的南自及凯发差动保护装置进行测量及保护回路校验，测量显示及保护出口均正常，后台机只有南自装置给出的报告而无凯发装置发出的报告，在装置上进行查找发现凯发装置保护启动但未出口跳闸。

4 结语

高铁牵引变电所采用的是双电源、双回路受电，牵引变压器采用固定备用方式并具备自动投切功能，无论是进线还是变压器发生故障，都能够通过切换投入到备用系统运行，牵引变压器是否按双重化原则配置存在争议。随着高铁供电技术的发展，在尽量遵循电力系统保护设置原则的基础上，优化牵引变电所保护配置方案，使之得到进一步的改善。

[1] GB14285-2006 继电保护及安全自动装置技术规程[S].

[2] 陆琛杰. 高压线路光纤电流差动保护双重化配置的探讨[J]. 宁波化工，2008，（1）：24-27.

[3] 国能安全[2014]161号防止电力生产事故的二十五项重点要求[S].

[4]国家电网生[2012]352号国家电网公司十八项电网重大反事故措施[S].

[5] 魏建忠. 高速铁路牵引变压器保护双重化配置方案[J].科技创新与应用，2015，（8）：110-110.

[6] TB10621-2014 高速铁路设计规范[S].

The paper illustrates reasons for dual configuration for protection of traction substation of high speed railway, introduces present situations of incoming line protection and dual configuration for protection of traction transformers, and analyzes cases of site failures.

High speed railway; traction substation; relay protection; dual configuration

U224.4

B

1007-936X(2017)02-0005-04

常 鹏.国网宁夏电力公司检修公司，工程师，电话：13669389463；常占宁.兰州铁路局供电处，高级工程师。

2016-05-19