变配电所27.5 kV 缺相保护逻辑功能完善的研究

赵 仁

0 引言

牵引变配电所相当于电气化铁道的心脏，而二次回路及继电保护装置又好比是变配电所的神经系统和忠诚卫士。因此，保护装置的可靠性、准确性、选择性、灵敏性至关重要，其逻辑功能、程序功能的可靠完善是最根本的要求。笔者在运行实践中发现电气化铁道的变配电所27.5 kV 电压互感器（下文简称压互）缺相失压保护装置存在着严重缺陷，常因该保护装置误动中断供电造成事故。本文结合朔黄铁路变配电所27.5 kV 压互缺相保护问题进行分析研究，并提出解决方案。

1 缺相保护装置存在的问题

牵引变配电所27.5 kV 母线侧设有4 组单相压互（每组包括互感器、隔离开关、避雷器等），通常运行编号为5YH、6YH、7YH、8YH，其中2 组压互为运行状态，组成二次YMa、YMb、YMc 三相母线，为所内各种计量仪表及保护装置供电，另2 组压互处于热备用状态。当运行的压互发生故障或检修时，可通过压互二次手动开关转换到另2 组压互上，保证二次母线上经常有电压。压互一次侧设有高压熔断器，二次侧设有低压保险管，用以保护压互。但在运行实践中常常因为高低压保险熔断、松动、接触不良等造成失压使保护装置动作跳闸断电，严重影响正常供电。

近年来愈来愈多的变电所与电力配电所采用合建方式，配电的一路电源通过动力变压器（下文简称动力变）由牵引27.5 kV 侧电压供电，因此该问题影响更大。例如，朔黄铁路电气化采用了牵引变电所与配电所合建方式，配电通过27.5/10 kV 动力变供电，一路主要电源来自牵引供电系统。配电所主要提供行车信号6502、UM71 的自闭电源和后备的贯通电源。尤其是当地方电源故障或大修，动力变带配电全所供电时，缺相保护装置错误动作切断自闭电源中断信号供电，直接影响运输生产，后果非常严重。

其次，牵引变电所为提高功率因数，滤除高次谐波，设有电容补偿装置，一旦失压保护装置错误动作切断补偿装置，就会使接触网末端电压降低，功率因数下降，供电质量变坏，运输成本增大。而末端电压降低，直接影响电力机车正常启动和运行，严重时限制行车对数，制约行车密度，降低运输能力。

另外，馈线阻抗保护装置和主变压器的低压启动过电流保护装置，在27.5 kV 压互二次造成假失压情况下如叠加其他条件都有可能误动，一旦误动将会直接造成接触网失压以致影响行车。朔黄电气化铁道开通运营以来各变配电所多次发生27.5 kV压互二次缺相失压现象，给安全运输和经济运行带来不同程度的影响和威胁。

长期以来该问题并未引起人们的足够重视，一方面过去变电所与配电所未合建，出现缺相失压时，值班员可通过手动转换开关将备用压互投入运行，因此一般对运输的影响不大，仅影响电容补偿；另一方面人们未从经济运行的角度考虑，忽视运输成本。自从国内新建的变电所与配电所均采用合建方式后，该问题愈来愈突出，不但影响经济运行，增加运输成本，而且对正常运输生产，特别是对应用远动技术逐步实现无人值守的变电所造成严重威胁。因此，研究和解决该课题具有普遍的长远意义和重要的现实意义。

2 缺相保护装置误动的原因分析

27.5 kV 压互的高低压熔断器是在过电压、过电流及压互故障发生短路时快速熔断从而保护压互设备，因此正常熔断是必然的。缺相失压保护也是专门为动力变、电容补偿装置设计的一种保护装置。造成因保险熔断的失压跳闸断电，根本原因就是该保护装置缺少选择性，二次接线未构成可靠完善的逻辑电路功能，使之错误动作。而由压互高低压熔断器熔断造成的失压实质上是假失压。缺相保护在假失压情况下动作跳闸断电是明显的错误，完全违背失压保护装置动作的设计初衷。

3 完善缺相保护逻辑关系的改造方案

解决的思路就是防止假失压，选取真失压，即27.5 kV 真正失压时，失压保护装置必须动作，而当27.5 kV 压互及保险造成的缺相失压时，制止其动作。牵引变电所设计安装的4 组压互（2 组运行，2 组备用），电源失压（真失压）时，4 组压互必然同时失压，属于共性问题，而由熔断器及压互自身造成的失压（假失压）只是某个回路失压，属于个性问题。

可以对运行的2 组压互和备用的2 组压互（均为一相）同时采样，构成与门电路，并将前者失压定义为A，后者失压定义为B，逻辑关系为Z=AB，失压保护装置动作（Z）是在电源真正失压后，即A，B 同时存在而给出信号后才动作。否则失压保护装置不动作。实质上把备用压互也作为运用压互参与缺相失压保护，达到相互制约、共同参与，使保护装置的动作正确无误。

表1 失压保护装置动作的与门逻辑真值表

按上述思路改进后，人们会关心是否会对其它从压互上取用电压的保护装置及表计有影响，压互保险真正熔断能否及时发现，会不会隐蔽故障。可以分析，虽然改进后增加了YMa1、YMb1、YMc1，但仅为缺相失压保护装置所用，其他取用电压的保护装置及表计仍在原母线YMa、YMb、YMc 上接入，与原运行方式一样，改造对其毫无影响。至于运行的压互保险熔断，会在所带的表计上显示“失压”，中央信号装置给出信号显示，提示值班（或调度）人员及时发现处理。备用的压互保险熔断，同样可以在加入的电压继电器辅助接点上构成或门电路，Z=A+B，即，失压保护装置动作的条件是A 或B 存在，当条件具备时就会接入中央信号给出报警。达到运行压互和备用压互高低压保险熔断均能给出预告信号。

根据上述逻辑关系，将原压互二次手动转换开关LW21-16（12 个接点）更换为LW21-16（16 个接点），按转换开关性能接线，构成YMa1、YMb1、YMc1，详见技术改造原理图1。可有3 种改造方案：

（1）第1 方案是将微机保护缺相失压保护功能甩掉或退出，接入4 个（原有2 个）电压继电器。改进部分为新增2 个DY-38 型电压继电器，与原有的2 个DY-38 型电压继电器构成保护二次回路，接线增加与逻辑关系，详见技术改造原理图。例如A相真正失压，4YJ常闭接点闭合6YJ常闭接点闭合，启动保护回路，使失压保护装置动作DL 跳闸；如7YH 保险熔断，4YJ 失压常闭接点闭合，但5YH有压，6YJ 不失压，串接的6YJ 常闭接点不闭合，保护回路不启动。同理如5YH 保险熔断，6YJ 失压常闭接点闭合，但7YH 有压，4YJ 不失压，串接的4YJ 常闭接点不闭合，保护回路不启动。从而实现真失压启动保护动作，假失压拒绝启动保护。在实际接线时为防止断路器跳闸线圈常受电，可串入HWJ 常开接点或DL 辅助接点。压，使串联的启动回路不能接通，保护装置不动作，实现了有选择的启动失压保护功能。

图1 变配电所缺相保护逻辑关系完善改造原理图

（3）第3 方案。与南京自动化设备总厂协作，在微机保护装置中增加一个失压保护无件，与原元件串接构成与门出口电路。4 组压互构成的2 组三相二次电压，YMa、YMb、YMc 及YMa1、YMb1、YMc1 分别引入微机保护装置内，不外加电压继电器（见技术改造原理图示）。笔者曾经与南京自动化总厂联系交流，厂家认为完全可行，只是在原微机保护装置中增加一个缺相失压保护启动元件，2个元件构成与逻辑关系，使微机保护装置价格及体积略有增大。但完善微机保护装置功能，进行集成化是解决压互保险熔断缺相跳闸断电最根本的办法。

上述3 种方案，前2 种方案在既有变配电所采用为宜，现场核实安装及接线较为方便，在南京自动化设备总厂生产的动力变和补偿电容保护屏上即有继电器安装位置，整个改造费用很少。第3 种方案在新建变配电所采用较为合理。

4 结束语

二次保护回路必须具有完善的逻辑功能和齐全合理的程序功能，否则必然给电气设备正常运行及操作带来不便和隐患。因此，设计部门必须深入现场回访运行情况，不断优化改进，使定型设计方案和产品功能更加齐全完善。运营部门要根据运行实践和既有设施实际状况研究改造，因地制宜补充修正其不足。

上述改造方案1，在某电气化区段某牵引变配电所实施，经过近一年时间运行试验，27.5 kV 压互缺相失压保护装置工作正常，再未发生熔断器熔断后的断电故障，满足了缺相失压保护的需要。

（2）第2 方案。目前新建变电所均采用南京自动化设备总厂生产的微机保护装置，动力变为WDB-61 型，电容补偿装置为WRZ-61A 型。投运前均接入27.5 kV 压互二次电压，可在失压保护出口处串接备用压互二次电压继电器辅助接点，形成与门电路增加与逻辑关系，即在变电所失压保护技术改造原理图示中去掉4YJ、5YJ，保留6YJ、7YJ。达到真正失压，即每相2 组压互同时反映失压符合与门逻辑关系，失压保护装置出口才启动，而单一压互失压不启动。实质是原微机保护装置为一个集成电压继电器，外接一个电磁电压继电器，将外接继电器的辅助常闭接点串联在微机保护缺相失压启动回路里。如5YH、6YH 为运行状态，7YH、8YH 为备用状态，真正失压时接入微机保护装置的YMa，YMb 失压，并接的7YH、8YH 也使YMa1，YMb1 失压，使6YJ、7YJ 断电，串联启动回路接通失压保护装置动作。反之因压互本身造成的失

[1] WDB-61 微机动力变保护装置技术说明书，南京电力自动化设备总厂，2001.

[2] WRZ-61A 微机电容器保护装置说明书，国电南京自动化股份有限公司，2001.

[3] LW21-16、DY-38 产品说明书.

[4] 唐治德.数字电子技术基础[M].北京：科学出版社，2010.