李 波 曹毅峰

（铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处，天津 300251）

1 引言

牵引供电系统继电保护配置必须合理、规范、准确，满足保护的速断性、可靠性、选择性、灵敏性的要求。电力机车不降弓通过牵引变电所的电分相时，受电弓飞弧最终可能导致异相短路。由于电弧电阻非线性、时变性、高阻的特点，使得常规原理馈线保护中的阻抗保护、电流速断保护往往不能正确动作。集成保护由于可以同时获取变电所内的多处信息，既可以集成传统保护原理，也可产生新的保护功能，从而提高保护的整体性能。因此集成保护在馈线异相短路故障中的应用越来越受到人们的重视。

2 牵引网馈线异相故障分析

牵引网馈线异相故障如图1所示。

图1 牵引网馈线异相故障示意图

根据文献[1]的分析可知，工频沿面的闪络电压为式中，S为放电距离，单位为cm。由式（1），在27.5 kV电压作用下，小于5cm的间隙都可能发生沿面放电。如图1所示，当电力机车不降弓由β相通过电分相向α相运行时，牵引网电压通过β相—受电弓滑过绝缘体形成的间隙—受电弓—电力机车—钢轨形成回路，从而形成沿面放电。当受电弓继续在绝缘体上滑行时，先前放电的部分靠电弧形成通路，逐步闪络直至沿整个绝缘直至形成β、α两相间故障。因此，沿面放电的过程是逐步进行的。当然，电力机车双弓运行时(不降弓)更易引起异相短路。为了改变玻璃绝缘器对受电弓的冲击，在新线的设计中，多采用7跨或9跨电分相。但当机车不降弓（断电）通过电分相时，同样存在拉弧而导致异相短路故障的可能性。

当电力机车通过电分相造成异相短路时，若电弧电阻为零，则两供电臂的阻抗继电器有可能动作。当电弧电阻为10Ω或30Ω时阻抗继电器都不可能动作，常规馈线保护的后备保护电流速断保护有可能动作，当电弧电阻更大时阻抗保护和电流速断保护都有可能不会正常动作，有必要设置专门的异相短路保护。文献中己经给出了几个实际运行中已经发生过的变电所出口处机车通过接触网的分相绝缘器时，因升弓飞弧而导致的异相短路，现有的馈线距离阻抗保护不能正确反应，由其辅助保护(电流速断)动作而跳闸的事例。

3 集成保护的概念及保护原理

“集成保护”是指将所需保护的全部信息集成于一个计算机系统中，形成可靠、灵活、多样互补的集中式保护系统，保护不仅包括多个独立设备的同时，集成保护还可包括控制功能，是保护控制一体化装置。所需保护的所有设备、进线出线的保护集中由一个计算机保护系统实现，为保护系统的安全可靠性，计算机保护系统采用完全的双冗余配置。

集成保护系统主要由三大部分构成：①接口单元：接口单元可按所需保护系统的集中情况集中或分布设置，通过大容量的光纤网络将测量控制单元的数据实时传送至集成保护单元；②光纤网：应用光纤以太网作为集成保护的通信网络，为保证可靠性采用环网或双冗余结构，同时可使用标准的网络通讯协议，使接口单元或合并单元、集成保护与系统间实现无缝通信；③集成计算机继电保护单元：集成继电保护的功能在大型机上实现，通过网络接收到来自变电站各地的测量信息，并通过通信网与各相关变电站交换信息。

集成保护通过各种传感设备，采用软硬件相结合的方法，同时获取变电站内的多处信息，在实现各独立保护功能的基础上，各保护功能之间易于协调配合，集成保护可以集成传统保护原理，也可产生新的保护功能，提高保护的整体性能。

4 相关分析

在集成保护中，由于数据采集由合并单元完成并组帧发送到光纤以太网，保护单元可以同时接收到整个变电站各个间隔的信号。只要在各个合并单元在采集数据时用GPS时钟精确对时，集成保护单元就可以利用两相馈线的电流信号来实现异相短路保护。

由前文的分析可得，牵引网异相短路故障实质上就是两相馈线通过电弧导通形成回路，之所以采用电流故障分量作为分析对象，是为了消除负荷电流的影响。该方法的另一优点是，由于采集的是相当于电弧通路的电流，因此不需要考虑电弧的特点，可以将电弧作为一个普通的集中参数元件考虑。故障分量在实际中可以通过下式得到：

针对馈线电流故障分量基本上大小相等，方向相反的特点，借用识别此种信号的数学方法，可以设计一系列保护措施来实现对牵引网异相短路故障的保护。相关度分析目前看来是最为精确的方法，且算法简单，受系统运行方式影响也较小。对信号x(t) =As in(2πft+ϕ)，其同一采样数据窗内的自相关函数为

设x (t)，y (t)是两个能量有限的实信号波形，它们在同一数据窗内的相关系数为

当x(t)，y(t)均为稳态正弦信号时，如果x(t)，y(t)得相位一致，ρxy( 0) = 1 ；如果x(t)，y(t)相位相差 180°，ρxy( 0) = −1 ；如果x(t)，y(t)相位相差90°，ρxy( 0) = 0 ；其他情况下，若x(t)，y(t)相位相差α时，ρxy(0) = cosα，故异相保护判据为

Istart为机车起动电流，由于稳态电流故障分量只能持续1个周期时间，且相关系数计算需要半个周期，建议时间定值整定范围为 5～10ms。，跳闸命令可通过集成保护单元同时发送给两相馈线断路器，迅速切除故障。

5 馈线异相短路集成保护的实现方法

馈线异相短路集成保护原理如图2所示。

图2 馈线异相短路集成保护原理

集成保护通过各种传感设备，采用软硬件相结合的方法，同时获取变电所内的多处信息，包括电气量和状态量，该信息经接口单元上送，通过大容量的光纤网络将测量值实时传送至集成保护单元，各保护模块从网络上获得信息，通过分析计算，完成相应的保护功能。决策模块收集、协调、配合各个保护模块的动作信息和状态量后，通过决策，确定故障线路并发跳闸命令，切除故障。

集成保护单元设计中需采用双冗余配置，数据采集系统、控制单元、光纤以太网络、集成保护计算机系统均采用双系统配置，互为热备用。相当于每种保护均有双配置，相互校验。当某一系统失效，则该系统将闭锁，另一系统可保证控制、保护的全部功能。集成保护中央计算机系统与数据采集系统、控制单元都采用光纤以太网连接，完全杜绝了电气干扰。集成保护单元可采用高性能、高可靠性的计算机系统，有利于稳定运行。由于采用了大型计算机作为集成保护中央处理中心，可以用大型技术成熟的软件，采用标准的库函数。保护软件无论从模块化、还是完整性方面都较传统微机保护单片系统要好的多；集成保护单元可以得到比传统微机保护更多的信息，如各处的电流电压量、开关量，信息冗余量大，也容易提高软件可靠性。

6 结论

本文在分析牵引网馈线异相故障的基础上，借鉴牵引供电系统中集成保护的思想，提出了将集成保护应用于馈线异相短路故障中，有利于馈线异相短路故障保护的实施。比起现有独立设备的保护，集成保护可实现信息共享、资源丰富和多种保护功能的协调配合，有很明显的优势。随着光互感器的发展应用以及变电所光纤以太网通信系统的建立和广泛应用等，集成保护将具有很好的发展前景。

[1] 简克良.高电压技术[M].北京:中国铁道出版社,1993.

[2] 曹建猷.电气化铁路供电系统[M].北京：中国铁道出版社,1981.

[3] 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M]. 北京:中国电力出版社,1994.

[4] 李群湛.牵引供电系统分析[M].成都:西南交通大学出版社,1997.

李 波，男，助理工程师，铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处。