电气化铁路电力贯通线无通道保护方案

林晓鸿，林 圣，温曼越，孙建明

1. 西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

0 引言

我国政府主导的“一带一路”战略致力于亚欧非大陆及附近海洋的互联互通，实现安全高效的陆海空通道网络，推进沿线国家发展战略相互对接[1]。铁路运输作为交通基础设施，可为沿线国家经济贸易提供安全便利的国际运输通道，因此，铁路“走出去”成为“一带一路”战略的重要推动力[2]。在此背景下，电气化铁路的安全可靠运行愈发受到关注，铁路电力贯通线作为铁路供电系统的重要组成部分，肩负着向沿线铁路信号、通信及沿线非牵引综合用电等负荷供电的重任，是列车安全准时运行的重要保障，因此，为保证铁路电力贯通线安全可靠供电，铁路电力贯通线保护作用日益凸显。

铁路电力贯通线一般采用线路首端电流保护实现贯通线路故障切除，造成故障切除后全线停电。为了缩短切除区间，提高铁路电力贯通线供电可靠性，可采用电力远动系统通过“四遥”技术确定并隔离故障区间。然而，在诸如非洲落后国家等通信技术欠发达的国家或地区，由于技术约束及外界因素干扰，并不具备采用通信技术实现铁路电力贯通线有选择性的故障区间隔离的技术条件与环境。为了克服这一难题，有必要提出不依赖通信的铁路电力贯通线故障区段自动隔离方案，作为铁路电力贯通线保护方案的一种补充方式，解决通信技术欠发达地区铁路电力贯通线路故障切除与隔离问题。

在电力配电线路中，国内外学者提出了采用无通道保护实现不依赖于通信的输配电线路故障有选择性隔离[3-5]。文献[6]采用IEC60870-5-103协议，研制了一种新型的铁路自闭(贯通)线路微机保护装置;文献[7]基于故障电流正序分量与参考相量的相位差判断故障方向，确定故障区段定位，实现保护有选择性配合工作;文献[8]提出了利用故障区间保护动作时限短的一端开关动作后，线路健全相产生的电气量突变信号加速对端开关动作，从而实现不对称故障隔离的无通道保护模式;文献[9-10]研究了对称故障下的无通道保护故障隔离方案，完善了无通道保护的适用范围，并解决了现场应用中与上级变电所保护配合的保护配置方法。因此，借鉴电力配电线路故障隔离方案，可利用无通道保护解决通信技术欠发达地区铁路电力贯通线路故障隔离问题，然而，由于“双电源结构单端供电运行”的铁路电力贯通长线路供电区间较多，直接采用传统的双电源配电线路无通道保护存在线路中段供电区间故障隔离时间过长的问题。

因此，本文在现有配电网络无通道保护研究的基础上，考虑铁路电力贯通长线路“双电源结构单端供电运行”特点，建立铁路电力贯通线仿真模型，分析无通道保护方案对铁路电力贯通线的适应性，基于单端故障测距方法加速贯通线路中段保护动作，改进传统无通道保护方案，以解决铁路电力贯通长线路供电区间较多导致的线路中段供电区间传统无通道保护故障隔离时间过长的问题，最后通过仿真验证进行适应性分析。

1 铁路电力贯通线无通道保护适应性分析

1.1 无通道保护基本原理

无通道保护基于传统定时限保护，综合利用故障信号及断路器跳闸后造成的线路健全相电压电流二次扰动信号，在故障发生区间的一端断路器跳闸后加速另一端断路器跳闸，实现更快速、有选择性的故障隔离[4]。在单电源辐射状线路中，为了实现故障发生后能够从两端完全切除故障，单断路器保护装置均需要根据故障方向判断故障发生位置投入对应保护模块，保护相对于故障点位于电源侧时，投入过电流OC(Over Current)保护和加速过电流AOC(Accelerated Over Current)保护，保护相对于故障位于负荷侧时，投入带方向的低电压DUV(Directional Under Voltage)保护和加速低压低流ADUCV(Acce-lerated Directional Under Current under Voltage)保护[8]。

OC保护模块和AOC保护模块采用序电流比值Ri判断不对称故障[11]，OC及AOC保护的启动判据为：

(1)

Iset=(KrelKss/Kre)IL，max

Ri=(I0+I2)/I1

其中，If为故障相电流；Krel为可靠系数，可取为1.25；Kss为自启动系数，可取为1；Kre为返回系数，可取为 0.85[12]；IL，max为保护节点最大负荷电流；I0、I1、I2分别为线路零序、正序、负序电流分量；Ri,set为整定值，可取为0.2～0.4[8]。

(2)

其中，m为保护编号。

AOC保护模块在加速动作时间窗内检测健全相是否产生电流二次扰动信号以加速保护动作[8]。利用小波变换在故障检测中的优势[13]，选用db4小波[14]对健全相电流信号进行离散小波变化，计算每层模极大值，实现健全相电流二次扰动信号的检测，设置AOC加速判据作为健全相电流二次扰动判据[15]：

Wmax>Wset

(3)

其中，Wmax为健全相电流最大小波变换模极大值；Wset为设置阈值，一般可取为3。

DUV保护模块及ADUCV保护模块采用序电压比值Ru判断不对称故障，DUV及ADUCV保护的启动判据为[8]：

(4)

Ru=(U0+U2)/U1

其中，Uf为故障相电压；Uset为整定值，可取为额定电压的30%;U0、U1、U2分别为线路零序、正序、负序电压分量；Ru,set为整定值，可取为0.2～0.4[8]。

DUV保护模块的动作时限t超过整定动作时限时保护动作，即式(5)成立时保护动作。

(5)

ADUCV保护模块在加速动作时间窗内检测健全相无电压无电流信号加速保护动作，ADUCV保护加速判据[11]为：

(6)

其中，Us为健全相电压有效值；Is为健全相电流有效值；ε为近似0的正值。

为了保证保护选择性，上一级保护动作时限应比下一级保护动作时限大一个时限阶段Δt，根据采用的断路器型式，时限阶段Δt在0.35～0.65 s范围内[16]，本文取为0.35 s。OC保护模块按从负荷到电源的方向由小到大配置，DUV保护模块则相反[8]，即OC、DUV保护模块的动作时限可分别整定为：

(7)

(8)

其中，M为线路总保护个数；m由潮流实际流向的电源侧向负荷侧增大。

AOC保护模块加速动作时间窗以潮流下游相邻断路器的DUV保护模块整定时间为基准设置在0.10 s内，ADUCV保护模块的加速动作时间窗以潮流上游相邻断路器的OC模块整定时间为基准设置在0.10 s内[8]。因此，AOC及ADUCV保护模块的加速动作时间窗分别为：

(9)

(10)

保护模块通过动作时限及动作逻辑的相互配合实现电力贯通全线保护。各保护模块在动作时限或加速动作时间窗内检测线路状态，如果符合保护判据则保护动作。如果OC保护模块在达到整定动作时限前检测到故障相电流恢复正常则保护返回，DUV保护模块在达到整定动作时限前检测到健全相无流则保护返回，AOC及ADUCV保护模块加速动作时间窗内加速判据不满足则保护返回。

1.2 铁路电力贯通线无通道保护方案

考虑铁路电力贯通线“双电源结构单端供电运行”特点，需要根据潮流实际流向，配置2套独立的无通道保护，并分别按照实际供电电源端依照单电源辐射状线路无通道保护进行配置。因此需定义潮流正向及故障正向，并增加潮流方向元件及故障方向元件判别线路运行工况，据此选择对应保护出口。保护出口选择逻辑如图1所示[8]。

图1 铁路电力贯通线无通道保护出口选择逻辑Fig.1 Logic of non-communication protection exit selection for railway power transmission line

根据铁路电力贯通线采用不同侧电源进行单端供电的运行工况，对于含有12个保护节点的铁路电力贯通长线路，考虑供电对称性，下文仅分析由电源PB1供电运行工况，其对应OC1、DUV1、AOC1及ADUCV1保护配置及其整定动作时限，如图2所示，图中，P为保护装置，B为断路器。

图2 铁路电力贯通线无通道保护配置Fig.2 Non-communication protection configuration for railway power transmission line

1.3 铁路电力贯通线无通道保护适应性

在图2所示的铁路电力贯通线中，假设0.11 s时区间2发生A相接地故障。P1、P2判别潮流正向且故障正向，选择保护OC1及AOC1出口；P3—P12判别潮流正向而故障反向，选择保护DUV1及ADUCV1出口。

根据保护动作判据及时限，P3的保护DUV1在故障0.55 s延时后(即0.66 s)动作，B3跳开，如图3所示；P2的保护AOC1在动作时间窗(0.66～0.76 s)内检测到健全相电流二次扰动信号，满足加速判据，保护动作，则B2在0.76 s跳开，如图4所示。然后，故障区间被隔离，故障信号消失，其他保护返回。

同理，对于线路其他供电区间故障，各保护模块基于保护逻辑及动作时限相互配合，利用故障信号实现有选择性故障隔离。对于配置12个保护节点的铁路电力贯通长线路，采用无通道保护装置时，各供电区间故障隔离时间如图5所示。可见，采用传统无通道保护能够快速隔离铁路电力贯通长线路两端的供电分区故障，但是，对于线路中部的供电分区，存在故障隔离时间过长的问题，而对于需要设置更多保护节点的铁路电力贯通线路，基于保护模块采用时限阶段整定动作时限的原理，线路中部供电分区的故障隔离时间过长的问题会更加严重，降低了传统无通道保护的速动性。

图3 P3的DUV保护模块的响应波形Fig.3 Response waveforms of DUV protection module of P3

图4 P2的AOC模块的响应波形Fig.4 Response waveforms of AOC protection module of P2

图5 配备12个保护节点的无通道保护故障隔离时间Fig.5 Isolation time of non-communication protection fault with twelve protection nodes

2 铁路电力贯通线改进无通道保护

2.1 无通道保护改进方法

为缩短铁路电力贯通长线路故障时的停电范围，在采用无通道保护时，需要配置较多保护节点。按照故障隔离时长，可将线路大致均分为首段、中段及末段。线路首段DUV保护动作时限较短，故障通过DUV保护及AOC保护实现快速隔离；线路末段OC保护动作时限较短，故障通过OC保护及ADUCV保护实现快速隔离；但对于线路中段，由于DUV保护和OC保护的动作时限均较长，导致其故障隔离时间过长。

当前，故障测距法在输电线路保护中的应用已有研究[17]，而对于铁路贯通长线路，在线路首段及末段可按照传统无通道保护配置实际动作的保护模式，对于线路中段，则可在各供电区间潮流上游侧配置带故障测距保护FLP(Fault Location Protection)模块加速保护动作，改进无通道保护。即线路中段发生故障时，位于潮流上游侧的FLP模块启动故障测距判断故障发生位置，从而判定是否加速保护动作，达到缩短线路中段故障隔离时长的目的。

2.1.1 基于故障测距的FLP判据

FLP模块启动判据与OC保护模块相同，通过故障测距结果判断故障是否发生在FLP的保护范围内，若是则按照FLP的动作整定时限加速保护动作。具体动作判据为：

(11)

Lset=Kdisxdis

Ri=(I0+I2)/I1

其中，Kdis为FLP可靠性系数；xdis为保护区间长度；Ldis为测距结果；Lset为FLP的整定值。

对于单端供电运行系统，各保护通过监测电压电流波形判断系统故障类型。

a. 单相接地故障。

设单相接地故障过渡电阻为纯电阻，线路单位长度的正序阻抗、零序阻抗分别为Z1、Z0，且正负序阻抗相同，则故障阻抗为[18]：

(12)

其中，Uc为故障相电压；Ic为故障相故障电流；K=(Z0-Z1)/(3Z1)，为零序补偿系数；Zr为线路单位阻抗；x为继电器与故障点的距离。

对x进行迭代搜索，Im[Zf]最小值对应的x值即为故障距离Ldis。

b. 两相短路及两相短路接地故障。

两相短路故障的测距计算公式为[18]：

(13)

其中，Umd、Imd分别为两故障相电压、电流之差。

两相短路接地故障的测距计算公式为[19]：

(14)

2.1.2 FLP选择性分析

考虑故障测距误差，FLP可靠性系数Kdis可取为1.2，为保证保护选择性，FLP动作时限按从潮流下游至上游由小到大配置。对于FLP相邻潮流下游的ADUCV保护，在配合OC保护整定的动作时间窗τ的基础上，以FLP整定时间为基准的0.10 s内再配置动作时间窗τ′。另外，应保证FLP与OC保护对应ADUCV保护加速动作时间窗τ与τ′互斥，避免ADUCV误动，FLP保护模块动作时限可整定为：

(15)

其中，Q为配置的FLP保护总数；q为配置FLP保护编号，由潮流实际流向的潮流上游向下游增大。

特别地，对于编号最大的FLP模块，即按照潮流实际流向排序的最后一个保护节点，为了避免因下一区间首端故障造成FLP误动，需要缩短该FLP模块的保护范围。因此，针对该FLP模块，可靠性系数Kdis取为0.8，相应供电区间末端故障则由OC保护按原整定时间动作实现故障隔离。

类似于其他保护模块投入整定原理，按照潮流实际流向，FLP模块也需按照实际配置2套独立模块。

2.2 铁路电力贯通线改进无通道保护方案

在传统无通道保护的基础上，铁路电力贯通线无通道保护在线路中段保护配置了FLP模块，加速保护动作；另外，针对对称故障，在铁路电力贯通线首末两端的首个保护节点配置过电流速断IOC(Ins-tantaneous Over Current)保护，IOC模块根据潮流方向投入，实现从线路首端快速动作切除对称故障，设定IOC模块的动作时限为0.06 s[15]，IOC保护的启动判据为：

(16)

Iset=(KrelKss/Kre)IL，max

Ri=(I0+I2)/I1

其中，IA，B，C为三相电流。

考虑铁路电力贯通长线路“双电源结构单端供电运行”特点，保护根据铁路电力贯通线潮流方向及故障方向自动选择保护出口。故障发生后，各保护按照改进无通道保护判据及动作时限，根据潮流方向及故障方向的判别结果选择保护出口，各保护出口选择逻辑如图6所示。

图6 铁路电力贯通线改进无通道保护出口选择逻辑Fig.6 Logic of improved non-communication protection exit selection for railway power transmission line

图7 铁路电力贯通线无通道保护动作逻辑Fig.7 Action logic of non-communication protection for railway power transmission line

铁路电力贯通线发生故障时，各保护模块动作逻辑如图7所示。故障发生后，IOC保护、FLP、OC保护和DUV保护模块监测故障信号是否满足保护判据，若满足，则保护启动，在达到动作时限后，保护动作、断路器跳开；对于ADUCV和AOC保护模块，保护模块在检测到启动判据满足后，在相应加速动作时间窗内检测线路健全相是否出现电流二次扰动信号或者无压无流信号，从而判别加速判据是否满足，若加速判据满足，则加速所在节点保护动作、断路器断开，实现故障完全隔离；故障被隔离后，未动作保护根据线路状态判别其他保护已经动作，则保护返回。

3 仿真分析

3.1 铁路电力贯通线改进无通道保护整定方案

根据铁路电力贯通线改进无通道保护方案，对如图2所示的铁路电力贯通线进行无通道保护整定，基于无通道保护，在线路中段供电区间5—7配置FLP模块如图8所示，图中仅给出配置FLP的供电区间的保护配置情况。

图8 铁路电力贯通线中段无通道保护配置Fig.8 Non-communication protection configuration in middle section of railway power transmission line

3.2 中间加速区段故障分析

设供电区间6、7的长度分别为0.81 km及2.86 km。若在0.18 s时在区间7发生B相接地故障且与P7的距离为0.86 km。P1—P7判别潮流正向且故障正向，选择保护OC1及AOC1出口，其中，P5—P7同时选择保护FLP1出口；P8—P12判别潮流正向而故障反向，选择保护DUV1及ADUCV1出口。根据保护动作判据及时限，P7的FLP1在故障发生后经过0.30 s的延时(即0.48 s时)动作，断路器B7跳开，见图9；P8的ADUCV1在动作时间窗内(0.48～0.58s)检测到健全相电压电流降低，满足加速判据，保护动作，因此B8在0.58 s时跳闸，见图10。然后，故障区间被隔离，故障信号消失，其他保护返回。

图9 P7的FLP模块响应波形Fig.9 Response waveforms of FLP protection module of P7

若B相接地故障发生于区间7且与P7相距仅0.02 km，P6及P7的FLP1的动作判据均满足，由于P7的FLP1的动作时限短于P7，因此P7将先于P6动作，从而避免保护误动，如图11所示。

3.3 对称故障下的保护响应分析

设在0.20 s时线路发生三相对称故障，P1判别为三相对称故障且潮流正向，选择保护IOC1出口，在0.06 s延时后(即0.26 s时)保护动作，切除对称故障，响应波形如图12所示。

图11 P6和P7的FLP模块响应波形Fig.11 Response waveforms of FLP protection module of P6 and P7

图12 P1的IOC保护模块在对称故障下的响应波形Fig.12 Response waveforms of P1 of IOC protection module under symmetrical fault

3.4 改进方案加速效果分析

对比采用改进无通道保护方案与传统无通道保护方案的配置12个保护节点的铁路电力贯通长线路各供电区间的故障隔离时间，如图13所示。由图13可见，采用改进无通道保护方案时全线最长的故障隔离时间较采用传统无通道保护方案时缩减了0.60 s， 区段6 —7的故障隔离时间缩减更加显著，均缩减了1.20 s。

图13 采用传统和改进无通道保护的配置12个保护节点的铁路电力贯通长线路的故障隔离时间Fig.13 Fault isolation time of railway power transmission line with 12 protection nodes adopting improved and traditional non-communication protections

相比于传统无通道保护方案，改进无通道保护方案能够有效地缩短铁路电力贯通长线路故障隔离时间，在线路允许保护最迟动作时限的约束下，有利于铁路电力贯通长线路设置更多的保护节点，以缩短线路故障时需要切除的供电范围，从而解决了传统无通道保护方案为保证快速切除线路故障需要减少保护节点而造成故障切除后停电区域过大的问题，提高了无通道保护的可靠性，为通信条件不发达国家和地区的电气化铁路电力贯通线路的故障隔离提供保障。

4 结论

本文通过分析传统无通道保护在铁路电力贯通线的适应性，考虑铁路电力贯通线“双电源结构单端供电运行”特点，提出了利用单端故障测距技术加速保护动作的方法，改进了传统无通道保护，给出了适用于铁路电力贯通线的无通道保护自动投入方案，解决了传统无通道保护方案下铁路电力贯通长线路中段供电区间故障隔离时间过长的问题，实现不依赖于通信信道进行铁路电力贯通线故障区段的快速、准确隔离。文中提出的铁路电力贯通线无通道保护方案可作为铁路电力贯通线保护的补充方式，解决通信技术欠发达地区铁路电力贯通线路故障切除与隔离问题。