同相供电平衡变换器保护.doc

同相供电平衡变换系统保护研究邓小训（西南交通大学 电气工程学院 邓小训 四川 成都 610031）摘要：平衡变换系统作为同相供电最核心的组成部分，其安全稳定运行至关重要。笔者提出了一套基于过电流和有功功率差动的较为完备的保护方案。关键词：同相供电；平衡变换系统；保护1 引言近年来，随着国内高速、重载铁路不断建设与发展，电气化铁道产生的负序、谐波和无功问题愈来愈严重，对电能质量造成很大的影响。为了解决这个问题，现有的做法主要有采用平衡变压器、相序轮换及现在采用的功率因数接近1.0的交直交电力机车，但是这些方式仍然解决不了“电分相”环节的存在，电分相不仅在电气上，同时在机械上也是接触网比较薄弱的环节，它不仅造价昂贵，而且由于电分相的存在，严重制约了电气化铁道速度的进一步提高。同相供电的出现很好的解决了上述的几种难题，基于有源滤波技术的同相供电方案不仅能很好的平衡负序，滤除谐波和补偿无功，并且实行同相供电之后，牵引网各个供电臂电压相位相同，从根本上取消了“电分相”环节的存在，经过平衡变换器的作用之后，牵引负荷在电力系统侧看起来就相当于是一个纯阻性的负荷。同相供电的核心设备就在于平衡变换系统，因此对它的保护配置显得尤为重要。而构成同相供电系统的潮流控制器（PFC）属于“娇贵”的电力电子设备，故障时必须尽快切除，防止故障的扩大。这里，将介绍一套较为全面的保护方案，为平衡变换系统的安全稳定运行提供保障。2 平衡变换系统结构及基本原理图1 平衡变换系统结构原理图如图1所示，平衡变换系统主要由潮流控制器（PFC）和两侧的两个隔离变压器组成，负荷接入侧端口称为平衡变换系统的负载侧端口，另一侧称为网侧端口。以YN，vd变压器为例，可知两个电源端口相位差90，设： （1）其中，为谐波电流之和。平衡变换的目的就是使两个电压源输出幅值相等的纯有功电流，因此两个端口电流的期望值为： （2）其中：根据图2的电流关系，PFC两个端口的期望电流分别为： （3）即PFC负载侧的端口除了要提供相当于负载一半的基波有功电流外，还要补偿负载所需的所有谐波和无功，而网侧端口则只需要提供一半的负载有功电流。当补偿电流按照式（3）工作时，电源电流就被补偿成三相对称的基波正序电流，因此式（3）也被称为平衡变换系统的完全平衡变换条件。3 平衡变换系统保护配置3.1 过电流保护这里采用过电流保护作为平衡变换系统的主保护。保护装置的启动电流按照式（1）来整定： （4）式中 可靠系数，考虑到电流互感器误差，一般取1.151.25；返回系数，微机保护中可取0.95。；最大负荷电流。即过电流保护的动作值按照躲开最大负荷电流来整定。过电流保护作为平衡变换系统的主保护有以下两个方面的优点：（1）正常运行时，电流在整定动作电流之下，保护可靠不动作；（2）内部故障时，电流增大，达到动作电流时动作，平衡变换系统两侧断路器跳闸，退出运行；（3）外部轻微故障时，通过平衡变换系统的电流不会太大，保护不动作；若外部发生严重故障或者突然接入过大负荷时，穿越电流大于过电流保护整定值，保护动作，使系统退出运行。第三点就充分运用了过电流保护的保护范围延伸到下一条线路这一特性，可以在外部严重故障和负荷过大时动作，使系统及时退出运行，避免外部故障持续时间过长，对PFC的电力电子器件造成损坏。3.2 基于有功功率差动的后备保护根据式（1）和式（3），平衡变换系统负载侧端口功率和网侧功率分别为： （5） （6）式中 根据有功功率的定义：有功功率为一个周期内元件消耗功率的平均值，即。 （7） （8）一个电源周期内，两个端口的功率矢量之和为： （9）可知：正常运行时，有一半的有功功率从网侧流向负载侧，两功率矢量和为零；外部故障时，PFC依然运行，进行补偿，端口穿越功率虽增大，但矢量和依然维持在很小的水平；内部故障时，由于短路点会消耗很大一部传递功率，因此两个端口功率不再平衡，功率差大于整定值即动作。3.3 PFC保护前面介绍的过电流保护和基于有功功率的保护都是针对整个平衡变换系统进行的，下面将介绍PFC的保护方法。（1）过电流保护在这里，过电流保护检测的对象包括：网侧和负载侧隔离变压器低压侧电流值及通过各个GTO的电流值。（2）直流侧电容保护直流侧电容起到储存能量和交换能量的功能，是PFC重要的一个部分，必须保证其安全运行。（3）过热保护过热保护防止在运行过程中产生的高温对电力电气器件造成的损坏，可以通过检测PFC的冷却水温度，温度升高时先动作与信号，再动作于跳闸。3.4 隔离变压器保护（1）二次谐波制动的差动保护带有二次谐波制动功能的变压器差动保护可以较好的躲开励磁涌流，很好的切除变压器内部匝间及层间短路故障。（2）变压器的过电流保护它不仅可以在变压器过流时动作切除故障，并且作为PFC的后备保护，在PFC由于某种原因在发生故障而不能自身切除时动作。（3）瓦斯保护容量在800KVA以上的油浸式变压器按照规定均应装设瓦斯保护，主要用来反映变压器油箱内的轻微故障。4 各保护之间的配合下图为同相供电平衡变换系统示意图，主短路器的安装位置如Q1，Q2。图2 平衡变换系统保护示意图由于平衡变系统价格昂贵，而且内部只要有一个环节故障就会影响整体的工作效果，达不到平衡变换的目的，因此这里保护的动作采取联跳的方式，只要内部故障，动作的结果均为Q1和Q2跳闸，退出整个平衡变换系统。（1）过流保护。只要检测到过流故障，本侧断路器在跳闸的同时发出信号使对方断路器同时跳闸。（2）有功功率差动保护。当判断为内部故障时，两侧断路器同时跳闸，由于基于功率差动的保护需要在一个电源周期才能做出反应，因此不宜作为主保护，可以作为后备保护存在。3）PFC保护。PFC检测到自身故障时，会自动封锁触发脉冲，在闭锁脉冲的同时须发出信号给Q1和Q2，使其延时跳闸，整个装置退出运行，便于检修。（4）隔离变压器保护。任何一个隔离变压器检测到自身故障跳闸时均须给Q1和Q2发出跳闸信号。5 结语本文对同相供电平衡变换系统配置了一套相对完备的保护方案，尤其是过流保护和功率差动保护的提出，可以使整个系统故障时可靠退出。由于目前同相供电尚处于试验中，很多理论上的东西都还待研究和验证。参考文献1 吴