變配電所27.5 kV 缺相保護(hù)邏輯功能完善的研究

趙 仁

0 引言

牽引變配電所相當(dāng)于電氣化鐵道的心臟，而二次回路及繼電保護(hù)裝置又好比是變配電所的神經(jīng)系統(tǒng)和忠誠衛(wèi)士。因此，保護(hù)裝置的可靠性、準(zhǔn)確性、選擇性、靈敏性至關(guān)重要，其邏輯功能、程序功能的可靠完善是最根本的要求。筆者在運(yùn)行實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)電氣化鐵道的變配電所27.5 kV 電壓互感器（下文簡(jiǎn)稱壓互）缺相失壓保護(hù)裝置存在著嚴(yán)重缺陷，常因該保護(hù)裝置誤動(dòng)中斷供電造成事故。本文結(jié)合朔黃鐵路變配電所27.5 kV 壓互缺相保護(hù)問題進(jìn)行分析研究，并提出解決方案。

1 缺相保護(hù)裝置存在的問題

牽引變配電所27.5 kV 母線側(cè)設(shè)有4 組單相壓互（每組包括互感器、隔離開關(guān)、避雷器等），通常運(yùn)行編號(hào)為5YH、6YH、7YH、8YH，其中2 組壓互為運(yùn)行狀態(tài)，組成二次YMa、YMb、YMc 三相母線，為所內(nèi)各種計(jì)量儀表及保護(hù)裝置供電，另2 組壓互處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行的壓互發(fā)生故障或檢修時(shí)，可通過壓互二次手動(dòng)開關(guān)轉(zhuǎn)換到另2 組壓互上，保證二次母線上經(jīng)常有電壓。壓互一次側(cè)設(shè)有高壓熔斷器，二次側(cè)設(shè)有低壓保險(xiǎn)管，用以保護(hù)壓互。但在運(yùn)行實(shí)踐中常常因?yàn)楦叩蛪罕ｋU(xiǎn)熔斷、松動(dòng)、接觸不良等造成失壓使保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘斷電，嚴(yán)重影響正常供電。

近年來愈來愈多的變電所與電力配電所采用合建方式，配電的一路電源通過動(dòng)力變壓器（下文簡(jiǎn)稱動(dòng)力變）由牽引27.5 kV 側(cè)電壓供電，因此該問題影響更大。例如，朔黃鐵路電氣化采用了牽引變電所與配電所合建方式，配電通過27.5/10 kV 動(dòng)力變供電，一路主要電源來自牽引供電系統(tǒng)。配電所主要提供行車信號(hào)6502、UM71 的自閉電源和后備的貫通電源。尤其是當(dāng)?shù)胤诫娫垂收匣虼笮?，?dòng)力變帶配電全所供電時(shí)，缺相保護(hù)裝置錯(cuò)誤動(dòng)作切斷自閉電源中斷信號(hào)供電，直接影響運(yùn)輸生產(chǎn)，后果非常嚴(yán)重。

其次，牽引變電所為提高功率因數(shù)，濾除高次諧波，設(shè)有電容補(bǔ)償裝置，一旦失壓保護(hù)裝置錯(cuò)誤動(dòng)作切斷補(bǔ)償裝置，就會(huì)使接觸網(wǎng)末端電壓降低，功率因數(shù)下降，供電質(zhì)量變壞，運(yùn)輸成本增大。而末端電壓降低，直接影響電力機(jī)車正常啟動(dòng)和運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)限制行車對(duì)數(shù)，制約行車密度，降低運(yùn)輸能力。

另外，饋線阻抗保護(hù)裝置和主變壓器的低壓?jiǎn)?dòng)過電流保護(hù)裝置，在27.5 kV 壓互二次造成假失壓情況下如疊加其他條件都有可能誤動(dòng)，一旦誤動(dòng)將會(huì)直接造成接觸網(wǎng)失壓以致影響行車。朔黃電氣化鐵道開通運(yùn)營以來各變配電所多次發(fā)生27.5 kV壓互二次缺相失壓現(xiàn)象，給安全運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來不同程度的影響和威脅。

長期以來該問題并未引起人們的足夠重視，一方面過去變電所與配電所未合建，出現(xiàn)缺相失壓時(shí)，值班員可通過手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)將備用壓互投入運(yùn)行，因此一般對(duì)運(yùn)輸?shù)挠绊懖淮?，僅影響電容補(bǔ)償；另一方面人們未從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度考慮，忽視運(yùn)輸成本。自從國內(nèi)新建的變電所與配電所均采用合建方式后，該問題愈來愈突出，不但影響經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，增加運(yùn)輸成本，而且對(duì)正常運(yùn)輸生產(chǎn)，特別是對(duì)應(yīng)用遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)無人值守的變電所造成嚴(yán)重威脅。因此，研究和解決該課題具有普遍的長遠(yuǎn)意義和重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 缺相保護(hù)裝置誤動(dòng)的原因分析

27.5 kV 壓互的高低壓熔斷器是在過電壓、過電流及壓互故障發(fā)生短路時(shí)快速熔斷從而保護(hù)壓互設(shè)備，因此正常熔斷是必然的。缺相失壓保護(hù)也是專門為動(dòng)力變、電容補(bǔ)償裝置設(shè)計(jì)的一種保護(hù)裝置。造成因保險(xiǎn)熔斷的失壓跳閘斷電，根本原因就是該保護(hù)裝置缺少選擇性，二次接線未構(gòu)成可靠完善的邏輯電路功能，使之錯(cuò)誤動(dòng)作。而由壓互高低壓熔斷器熔斷造成的失壓實(shí)質(zhì)上是假失壓。缺相保護(hù)在假失壓情況下動(dòng)作跳閘斷電是明顯的錯(cuò)誤，完全違背失壓保護(hù)裝置動(dòng)作的設(shè)計(jì)初衷。

3 完善缺相保護(hù)邏輯關(guān)系的改造方案

解決的思路就是防止假失壓，選取真失壓，即27.5 kV 真正失壓時(shí)，失壓保護(hù)裝置必須動(dòng)作，而當(dāng)27.5 kV 壓互及保險(xiǎn)造成的缺相失壓時(shí)，制止其動(dòng)作。牽引變電所設(shè)計(jì)安裝的4 組壓互（2 組運(yùn)行，2 組備用），電源失壓（真失壓）時(shí)，4 組壓互必然同時(shí)失壓，屬于共性問題，而由熔斷器及壓互自身造成的失壓（假失壓）只是某個(gè)回路失壓，屬于個(gè)性問題。

可以對(duì)運(yùn)行的2 組壓互和備用的2 組壓互（均為一相）同時(shí)采樣，構(gòu)成與門電路，并將前者失壓定義為A，后者失壓定義為B，邏輯關(guān)系為Z=AB，失壓保護(hù)裝置動(dòng)作（Z）是在電源真正失壓后，即A，B 同時(shí)存在而給出信號(hào)后才動(dòng)作。否則失壓保護(hù)裝置不動(dòng)作。實(shí)質(zhì)上把備用壓互也作為運(yùn)用壓互參與缺相失壓保護(hù)，達(dá)到相互制約、共同參與，使保護(hù)裝置的動(dòng)作正確無誤。

表1 失壓保護(hù)裝置動(dòng)作的與門邏輯真值表

按上述思路改進(jìn)后，人們會(huì)關(guān)心是否會(huì)對(duì)其它從壓互上取用電壓的保護(hù)裝置及表計(jì)有影響，壓互保險(xiǎn)真正熔斷能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)，會(huì)不會(huì)隱蔽故障?？梢苑治?，雖然改進(jìn)后增加了YMa1、YMb1、YMc1，但僅為缺相失壓保護(hù)裝置所用，其他取用電壓的保護(hù)裝置及表計(jì)仍在原母線YMa、YMb、YMc 上接入，與原運(yùn)行方式一樣，改造對(duì)其毫無影響。至于運(yùn)行的壓互保險(xiǎn)熔斷，會(huì)在所帶的表計(jì)上顯示“失壓”，中央信號(hào)裝置給出信號(hào)顯示，提示值班（或調(diào)度）人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理。備用的壓互保險(xiǎn)熔斷，同樣可以在加入的電壓繼電器輔助接點(diǎn)上構(gòu)成或門電路，Z=A+B，即，失壓保護(hù)裝置動(dòng)作的條件是A 或B 存在，當(dāng)條件具備時(shí)就會(huì)接入中央信號(hào)給出報(bào)警。達(dá)到運(yùn)行壓互和備用壓互高低壓保險(xiǎn)熔斷均能給出預(yù)告信號(hào)。

根據(jù)上述邏輯關(guān)系，將原壓互二次手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)LW21-16（12 個(gè)接點(diǎn)）更換為LW21-16（16 個(gè)接點(diǎn)），按轉(zhuǎn)換開關(guān)性能接線，構(gòu)成YMa1、YMb1、YMc1，詳見技術(shù)改造原理圖1?？捎? 種改造方案：

（1）第1 方案是將微機(jī)保護(hù)缺相失壓保護(hù)功能甩掉或退出，接入4 個(gè)（原有2 個(gè)）電壓繼電器。改進(jìn)部分為新增2 個(gè)DY-38 型電壓繼電器，與原有的2 個(gè)DY-38 型電壓繼電器構(gòu)成保護(hù)二次回路，接線增加與邏輯關(guān)系，詳見技術(shù)改造原理圖。例如A相真正失壓，4YJ常閉接點(diǎn)閉合6YJ常閉接點(diǎn)閉合，啟動(dòng)保護(hù)回路，使失壓保護(hù)裝置動(dòng)作DL 跳閘；如7YH 保險(xiǎn)熔斷，4YJ 失壓常閉接點(diǎn)閉合，但5YH有壓，6YJ 不失壓，串接的6YJ 常閉接點(diǎn)不閉合，保護(hù)回路不啟動(dòng)。同理如5YH 保險(xiǎn)熔斷，6YJ 失壓常閉接點(diǎn)閉合，但7YH 有壓，4YJ 不失壓，串接的4YJ 常閉接點(diǎn)不閉合，保護(hù)回路不啟動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)真失壓?jiǎn)?dòng)保護(hù)動(dòng)作，假失壓拒絕啟動(dòng)保護(hù)。在實(shí)際接線時(shí)為防止斷路器跳閘線圈常受電，可串入HWJ 常開接點(diǎn)或DL 輔助接點(diǎn)。壓，使串聯(lián)的啟動(dòng)回路不能接通，保護(hù)裝置不動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了有選擇的啟動(dòng)失壓保護(hù)功能。

圖1 變配電所缺相保護(hù)邏輯關(guān)系完善改造原理圖

（3）第3 方案。與南京自動(dòng)化設(shè)備總廠協(xié)作，在微機(jī)保護(hù)裝置中增加一個(gè)失壓保護(hù)無件，與原元件串接構(gòu)成與門出口電路。4 組壓互構(gòu)成的2 組三相二次電壓，YMa、YMb、YMc 及YMa1、YMb1、YMc1 分別引入微機(jī)保護(hù)裝置內(nèi)，不外加電壓繼電器（見技術(shù)改造原理圖示）。筆者曾經(jīng)與南京自動(dòng)化總廠聯(lián)系交流，廠家認(rèn)為完全可行，只是在原微機(jī)保護(hù)裝置中增加一個(gè)缺相失壓保護(hù)啟動(dòng)元件，2個(gè)元件構(gòu)成與邏輯關(guān)系，使微機(jī)保護(hù)裝置價(jià)格及體積略有增大。但完善微機(jī)保護(hù)裝置功能，進(jìn)行集成化是解決壓互保險(xiǎn)熔斷缺相跳閘斷電最根本的辦法。

上述3 種方案，前2 種方案在既有變配電所采用為宜，現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)安裝及接線較為方便，在南京自動(dòng)化設(shè)備總廠生產(chǎn)的動(dòng)力變和補(bǔ)償電容保護(hù)屏上即有繼電器安裝位置，整個(gè)改造費(fèi)用很少。第3 種方案在新建變配電所采用較為合理。

4 結(jié)束語

二次保護(hù)回路必須具有完善的邏輯功能和齊全合理的程序功能，否則必然給電氣設(shè)備正常運(yùn)行及操作帶來不便和隱患。因此，設(shè)計(jì)部門必須深入現(xiàn)場(chǎng)回訪運(yùn)行情況，不斷優(yōu)化改進(jìn)，使定型設(shè)計(jì)方案和產(chǎn)品功能更加齊全完善。運(yùn)營部門要根據(jù)運(yùn)行實(shí)踐和既有設(shè)施實(shí)際狀況研究改造，因地制宜補(bǔ)充修正其不足。

上述改造方案1，在某電氣化區(qū)段某牽引變配電所實(shí)施，經(jīng)過近一年時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)，27.5 kV 壓互缺相失壓保護(hù)裝置工作正常，再未發(fā)生熔斷器熔斷后的斷電故障，滿足了缺相失壓保護(hù)的需要。

（2）第2 方案。目前新建變電所均采用南京自動(dòng)化設(shè)備總廠生產(chǎn)的微機(jī)保護(hù)裝置，動(dòng)力變?yōu)閃DB-61 型，電容補(bǔ)償裝置為WRZ-61A 型。投運(yùn)前均接入27.5 kV 壓互二次電壓，可在失壓保護(hù)出口處串接備用壓互二次電壓繼電器輔助接點(diǎn)，形成與門電路增加與邏輯關(guān)系，即在變電所失壓保護(hù)技術(shù)改造原理圖示中去掉4YJ、5YJ，保留6YJ、7YJ。達(dá)到真正失壓，即每相2 組壓互同時(shí)反映失壓符合與門邏輯關(guān)系，失壓保護(hù)裝置出口才啟動(dòng)，而單一壓互失壓不啟動(dòng)。實(shí)質(zhì)是原微機(jī)保護(hù)裝置為一個(gè)集成電壓繼電器，外接一個(gè)電磁電壓繼電器，將外接繼電器的輔助常閉接點(diǎn)串聯(lián)在微機(jī)保護(hù)缺相失壓?jiǎn)?dòng)回路里。如5YH、6YH 為運(yùn)行狀態(tài)，7YH、8YH 為備用狀態(tài)，真正失壓時(shí)接入微機(jī)保護(hù)裝置的YMa，YMb 失壓，并接的7YH、8YH 也使YMa1，YMb1 失壓，使6YJ、7YJ 斷電，串聯(lián)啟動(dòng)回路接通失壓保護(hù)裝置動(dòng)作。反之因壓互本身造成的失

[1] WDB-61 微機(jī)動(dòng)力變保護(hù)裝置技術(shù)說明書，南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠，2001.

[2] WRZ-61A 微機(jī)電容器保護(hù)裝置說明書，國電南京自動(dòng)化股份有限公司，2001.

[3] LW21-16、DY-38 產(chǎn)品說明書.

[4] 唐治德.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.