牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置的设计

李彦吉，王航臣

（1 北京铁路局 石家庄供电段，河北石家庄050000；2 长沙理工大学，湖南长沙410114）

牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置的设计

李彦吉1，王航臣2

（1 北京铁路局 石家庄供电段，河北石家庄050000；2 长沙理工大学，湖南长沙410114）

牵引变电所母线电压互感器监控缺失是现有综合自动化设计中缺少的重要一环。从现场应用的角度出发提出了母线电压互感器在线监测自动装置的实现方案，阐述了其原理结构、现场使用情况和应注意的问题。

牵引变电所；母线；PT；智能切换；监控

27.5 k V（55 k V）母线电压互感器（下称YH）电压模拟量是实现牵引变电所测控不可缺少的重要数据，一旦间断消失或者异常降低，将引起牵引变电所馈线系统阻抗保护、主变压器系统高压侧、低压侧低电压启动过电流保护、电容器失压保护等的误动作，中断接触网、设备的供电，并导致计量、测量数据出现严重的偏差［1］。

1 运行中存在的问题

2015年新开通的邯长线（邯郸—长治）电气化铁路牵引变电所母线电压互感器设置示意图（未涉及到的进线、馈线部分未画出），如图1。

图1 邯长线27.5 k V母线一次接线图

在a相母线上分别设置了5YH、7YH，其二次电压经1YZK转换开关选择后送至YMa、YMc小母线；在b相母线上分别设置了6YH、8YH，其二次电压经2YZK转换开关选择后送至YMb、YMc小母线。

YMa、YMb、YMc分别供给计量、测量装置、馈线阻抗保护、电容过（失）压保护、主变压器低电压启动过电流保护、进线失压保护等需要电压模拟量的二次装置使用。

1.1 运行电压互感器故障后不能即时切换为备用电压互感器，引起主变压器低电压启动过电流保护误动作

2013年12月30日11：48石德线辛集变电所由于高压室内5YH高压保险内部虚接、主变压器低电压启动过电流保护动作，导致晋州至前磨头间上下行接触网停电，11：58恢复，影响客车5列、货车2列。2011年8月16日石太线岩会变电所因3YH断线，引起主变压器低电压启动过电流保护动作、中断供电21 min；2001年12月20日京广线元氏变电所由于YH高压保险熔断造成203断路器低电压启动过电流保护跳闸，致使接触网停电15 min。

主变压器低电压启动过电流保护动作后，将造成运营正线上下行接触网同时停电，影响范围大、恢复时间长。

在值班员确认发现运行YH故障后、在测控屏上手动将YH转换开关打至备用YH运行，而后才能进行接触网的送电、处理时间在10～25 min；上述停电故障均发生在有人值班的变电所，如出现在实现了远程控制、无人值班模式的牵引变电所，在YH保险熔断或YH本体故障时，将引起保护误动作，中断接触网供电，供电调度只能采取安排邻近的网电运行工区到牵引变电所手动将YH转换开关打至另外一组YH运行的处理方式，此时间最少在40 min以上。

1.2 无备用YH二次电压监测装置，遇有备用YH故障时、在进行YH切换后，引起馈线阻抗保护误动作跳闸

现在的设计中，未考虑到备用YH的监察，没有提醒的预警装置、无法实时监视备用YH的运行状态。在运行YH故障（保险熔断）后或者运行YH需要检修时，需要将YZK打至备用位运行，在遇有备用YH电压异常时，引起阻抗、失压保护误动作。

2010年3月23日石德线龙华变电所就因运行YH故障倒换至已经处于故障状态的备用YH后，造成211、212、213、214四条馈线断路器连续多次跳闸，影响列车运行48 min。

1.3 熔断器直阻变大后，母线电压异常，不能及时发现并报警

现在普遍采用的为RN2－0.5高压熔断器作为YH的过载和短路保护，该熔断器的熔件是由3种不同截面的一根康铜丝绕在瓷芯上组成，交接处焊有小锡球，随着运行时间的增长、在微弱电流的作用下，电气化铁路运行环境使在投入1～3年后的小锡球慢慢熔化变小直至断开，此时母线电压并不会降低为0，而是由正常的100 V降低为80～90 V左右。该现象的存在，使YH断线的预告与闭锁保护功能失效（该功能整定值为65 V左右）、同时造成系统正常负荷时频繁跳闸。

2008年3月14日京广线邢台变电所就因此问题造成电容器、馈线系统跳闸故障。

2016年2月26日邯长线新固镇变电所从0：37～9：00调度端频繁给出Ua越下限、并且瞬间恢复，现场检查测试，发现在没有负荷时、变电所出线端电压24 k V左右，一旦有机车取流时、便给出下限报警信号。测试运行YH二次侧电压90 V左右、高压熔断器直流电阻增大为2 kΩ。现场更换YH高压保险后电压显示27.5 k V（二次值100 V）。

1.4 YH切换过程中，引起失压类保护误动作

在例行检修中，需要停运某一台YH，进行预防性试验，这时就需要用图1中的YZK切换YH运行。在运行、备用YH间切换存在短暂的瞬间＂失电＂过程，可能导致变压器低压侧低电压启动过电流保护、电容器失压保护等的误动。

因此要求切换转换开关必须准确、迅速，但这往往与操作人群有着极大的关系。

2 解决方案

现阶段，针对运行YH故障后及时倒换为备用YH的问题，只能靠提高值班员的业务素质、在故障时准确分析、到位操作，才可能避免跳闸、影响接触网停电问题的发生；针对备用YH的电压质量、没有预警系统的问题，只能要求值班员经常性地手动测试备用YH的电压来防止。

应该说，牵引变电所没有母线YH预警测控装置是设计中缺少的重要一环。针对设备的现场实际，研究设计了“牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置”。主要功能是实现YH的自动、智能切换和监控，在运行YH故障的情况下智能倒入另外1台YH运行、对备用YH的电压实施监视预告，手动无断电间隔切换YH。

其设计主要原理是：

（a）实时检测备用YH二次电压并与运行YH比较，差值超过整定值（如5%），预告运行或者备用YH电压故障。

在出现1.3问题时，不管是运行位YH还是备用位YH，通过测量同一相上2台YH差值的方式，即时发现故障的YH，防止设备带病运行酿成更为严重的设备故障。

（b）在运行YH电压低于母线最低工作电压Umin时，与备用位YH进行比较、差值达到整定值，检测备用YH电压正常后，在有关保护误动允许延时内（躲过馈线阻抗保护、主变压器低电压启动过电流保护延时），自动投入备用YH并预告运行位YH故障。

遇有1.1问题时，立即切换为处于良好状态的备用YH运行、同时预告运行位YH故障，一则可以防止保护误动跳闸问题，二则即时预警、抓紧修复故障设备。

（c）在一组YH退出、检修的方式下，若运行YH电压低于母线最低工作电压Umin，且I＜Ifmax（最大负荷电流）时，预告运行YH故障，并以通信方式送至后台机和供电调度端，抓紧退出可能发生误动的保护或切换定值区、并及时恢复检修的YH。

现在许多综合自动化厂家均设置了定值区的自动或手动切换功能，在备用位YH检修、运行位YH故障时，可即时投入整定值较大的应急定值区，确保接触网的不间断供电。

（d）正常状态下，可任意选择一组YH运行；在切换的目标YH故障时，启动闭锁功能、防止误切换至故障YH的可能。

3 装置结构

按照上述思路、拟定牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置总体框架如图2。

3.1 硬件组成

（1）MCU系统

以16位高性能单片机dspic30f6012a为核心构成，内置的12位AD转换器完全满足本装置的数据采样要求，大大提高了装置的集成度，从而提高了装置的可靠性，MCU系统主要负责数据的计算、控制显示。

（2）AD转换回路

电压通道4路，电流通道2路，采用磁隔离方式。

图2 装置总体框架图

（3）控制出口回路

采用小型单常开接点的磁保持继电器。

（4）人机界面

装置使用160×160图形点阵液晶作为显示器，配合LED指示灯向用户提供丰富、清晰的系统信息。设有5键式多功能厚膜键盘。

3.2 现场安装

现有设计中，牵引变电所母线上的4台YH二次线一般先引至并联电容补偿系统的测控屏，经YH转换开关选择后送到盘顶小母线上。从现场应用的角度出发，可将牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置安装在并补屏上，经其自动或人工手动选择后送往盘顶小母线。

分别从电压公共端子排UD引入母线YH二次电压，经过3A自动开关后送入装置，再经装置引至综合小母线；其控制电源经6A自动开关供电；通讯线经485口送至通讯管理机、利用既有综自网络完成后台机显示、调度端通讯。

可选择在后台机增加母线YH二次电压的显示，以使值班人员方便地读取各YH的实时电压值并构成电压监测曲线。

2015年6月19日将牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置安装在邯长线武安牵引变电所。在5、6YH工作，7、8YH备用时，分别模拟了5、6YH故障，后台机显示告警、并自动投入状态正常的备用YH。模拟7、8YH故障，现场告警正常、此时自动切换、手动切换均不动作。

2016年1月23日7：30牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置频繁给出8YH差压故障信号，值班员立即检查测量、确认高压室8YH高压保险熔断，更换后故障信号消失，有效防止了一起由于牵引变电设备异常诱发接触网停电问题的发生。

4 结束语

2016年3月牵引变电所母线电压互感器在线监测自动装置通过了专家组的现场验收试验。该装置弥补了既有设计缺陷，可以对牵引变电所母线YH实行自动化管理，剔除了人为因素造成设备隐患诱发的供电跳闸事故，并极大地方便了现场、确保了设备的运行安全，进一步完善了牵引供电系统的综合自动化功能。

从牵引变电所安全运行的角度出发，建议牵引供电设计部门、综合自动化生产厂家考虑将此文叙述功能，纳入今后继电保护设计或即有测控装置。

图3 母线电压互感器在线监测自动装置

使用中，应注意：

（1）装置工作电源尽量采用可靠供电的直流电源或者兼有逆变、市电互投输入的电源，优先选用测控屏直流电压小母线直引电源、以减少管理环节，防止因工作电源的问题影响自投或者信号发出。

（2）母线YH采用同一厂家、同一型号的产品时，差压整定值可设定在5 V（二次值）以下，以确保YH异常状态的及时发现；在互投的2台YH采用不同厂家的设备时，要注意角差和特性方面有差异，拟定整定值时、要考虑到YH特性差异，差压值较大时、可按正常值的1.5～2倍增大差压整定值。

（3）接线时，一定不要将接入装置的YH极性端A（B）611与接地端N611接反，防止互投后、阻抗保护误动或者出现计量偏差的问题。

［1］ 刘学军.继电保护原理［M］.北京：中国电力出版社，2004.

Design of Automatic Device for On-line Detect Bus-bar PT in Traction Substation

LI Yanji1，WANG Hangchen2
（1 Shijiazhuang Power Supply Section，Beijing Railway Bureau，Shijiazhuang 050000 Hebei，China；2 Changsha University of Science and Technology，Changsha 410114 Hunan，China）

Lack of monitoring for traction substation bus-bar PT is one of the most important parts in integral automation design.From the perspective of field application，this paper puts forward the scheme of automatic device for on-line detect bus-bar PT，and expounds the structure principles，the use situation and the problems that should be paid attention to.

traction substation；bus-bar；PT；intelligent switch；monitoring

U224.2

A

10.3969／j.issn.1008－7842.2016.06.15

1008－7842（2016）06－0057－04

4—）男，高级工程师（

2016－06－04）