改造设计在铁路10kV配电所中的分析

摘要：本文采用大量文献分析法、比较法，分析了铁路10kv配电所电流保护改造设计，分析了铁路10kv配电所继电器改造设计，得出改造后可明显提高铁路10kV配电所系统接收、分配、调节电能可靠性、安全性的结论。

关键词：改造设计、铁路、10kv、配电所、线路

铁路10kV配电所的作用是接收、分配、调节电能，配电所的设备装置主要由母线、高压断路器、电抗器线圈、互感器和电力电容器、避雷器等组成。它与变电所最大的区别是不一定进行变压，它的输入电压相对较低。传统铁路10kV配电所在实际运行中存在很多缺陷，导致配电所系统运行安全性和可靠性降低。本文针对铁路10kV配电所系统运行中的缺陷，对系统线路的电流保护和继电保护改造展开一系列探讨。

1、铁路10kv配电所电流保护改造设计分析

1.1过电流保护

过电流保护是铁路10kv配电所电流保护中的一种，它是指采取相应措施将配电线路动作电流避开线路中最大负荷电流，以达到保护动作电流的目的。过电流保护采取的措施一般是在线路中增设时间延时装置，通过延时为动作电流提供可选择性。因为过电流保护是按避开最大负荷电流进行整定，为了确保铁路10kv配电所系统的安全，在设置过电流保护的动作电流时应将其比线路中的最大电流增大一个系数。安装过电流保护装置后，铁路配电所线路中任何一点的电流超过动作电流，电流保护装置都会及时启动对该点电流进行延时以保护线路电流。为了确保过电流保护装置的可选择性，在设计动作电流的延时时限时应遵循阶梯型原则。过电流保护时限配合如下图1[1]所示：

图1   过电流保护时限配合

过电流保护除了要保护安装线路的电流外还要保护铁路配电所线路中与之相邻的线路，不过对相邻线路的保护一般是作为后备保护而不是一条线路的过电流保护装置负责保护若干条线路，因此过电流保护装置的灵敏度效验应结合相邻线路保护进行。若铁路10kv配电所线路的末端发生相间短路故障，其灵敏系数的表达公式[2]是：

相邻线路末端发生相见短路时其灵敏度系数的表达公式是将上述公式中的1.5换成1.2，上述公式中Ⅰ2K1min代表铁路配电所最小运行方式下k1的两相短路电流，Ⅰ2k2min代表k2线路的两相短路电流。

1.2电流速断和限时保护

电流速断保护和限时电流速断保护也是传统铁路配电所常用的电流保护技术，前者的动作电流保护时间是瞬时的，它的保护装置不会增设延时继电器。这种保护技术只能保护安装线路80%以内的部分，如果超过80%容易发生超范围误动作保护，进而影响铁路10kv配电所的正常运行。速断保护的动作电流应大于1.2-1.3倍的最大短路电流，它的最小运行电流不能小于安装线路电流的0.15倍。时限电流保护同电流速断一样也只能保护安装线路80%以内的部分，在实际运用中为了进行全线保护两种保护技术通常相互配合使用。限时保护的时间是固定的，通常情况下限时保护时间段会比速断保护的瞬时时间大一个时间段，设计限时电流保护装置的动作电流时应确保其大于速断动作电流的1.1-1.2倍。

1.3改造设计方案的确定

从上图1中靠近电源侧的t1和t2可以看出其动作时间比较长，这表明过电流保护技术不能满足铁路10kv配电所线路电流保护的速动性，如果在配电所只用过电流保护技术不能完全配电所线路安全、可靠运行。电流速断和限时保护技术都只能保护安装线路的80%以内的部分，无论将哪两种技术结合都不能全部实现保护的速动性、全长性和延时性，也不能满足铁路10kv配电所电流保护的需求。根据以上情况应将三种保护技术集成在一起，组成三段电流保护方案共同保护铁路配电所线路电流。下图2[3]是改造后电流保护的设计电路图：

图2  改造后电流保护的设计电路图

上图中t1代表保护时限，L1代表保护范围，t2代表QF2处的保护时限。在设计电流保护Ⅰ段时采用的保护技术是速断电流保护，设计保护时限时应将每一段的线路电流的固定动作电流保护时间设为相等，虽然铁路配电所的通过电流不一样动作电流保护范围会随之发生变化，但是最大不能超过80%，最小不能低于15%。对于铁路10kv配电所第Ⅱ段保护电流的设计，应采用限时电流保护技术。该段动作保护电流应小于上一段的动作保护电流，固定的保护时间应比上一段延长一个时间段，保护范围应为该段全长线路并延伸至相邻线路。第三段线路电流保护采用过电流保护技术，保护范围可设计为全长保护，动作电流的延时设计依旧是阶梯型。三种技术相互配合，组成一个完整的电流保护系统，可确保铁路10kv配电所线路的通过电流安全、可靠。

2、铁路10kv配电所继电器改造设计分析

2.1继电器保护简介

继电器属于电子控制设备，它通常由控制、被控制两种系统组成，有输入、输出完整的回路。继电器设备是由线圈、触电组成，它通用的表示符号是触点符号和长方框。继电器的作用是用较小的电流控制较大电流，在铁路10kv配电所系统中相当于小电流控制大电流的自动开关。按照继电器工作形式可将继电器分为三种类型，分别是动合型、动断型和转换型。动合型继电器在设计图中通常用H表示，它在线圈通电时两触点闭合，不通电时则断开。动断型通常用大写字母D表示，它在线圈通电时断开，不通电则闭合，开闭刚好和动合型相反。转换型通常用大写字母Z表示，它是由线圈和三个触点组合而成，三个触点中的中间触点为动触点，其它两个为静触点。不通电时动触点和一个静触点闭合，与另一个静触点呈现断开状态，一旦线圈通电动触点开始移动与另一个断开的静触点接触并闭合，同时与原来闭合的静触点断开，实现两个静触点之间的转换。在铁路10kv配电所系统中继电器的作用主要是自动调节、安全保护、综合信号、扩大范围、转换电路、放大控制功率电路等，它还可以与自动、遥控和监测技术相集成形成自动化控制线路。继电器保护装置的结构如下图3[4]所示：

图3  继电器保护装置的结构

按照继电器的工作原理、外形尺寸、负载等可将继电器分为很多种类，在改造铁路10kv配电所系统中的继电器时应根据实际情况进行。铁路配电所继电器的额定工作电压是其正常工作时线圈所需要的电压，也是配电所继电器所控制线路的电压。直流电阻是指线圈电阻，这个电阻通常用万用表测量。吸合电流是指继电器吸合工作时所需要的最小电流，释放电流是继电器产生释放动作的最大电流，触电切换电压和电流时继电器允许加载的电压、电流。在铁路10kv配电所中改造继电器时应注意这些事项，确保改造施工后的继电器可高效、高质量运行。

2.2可靠性分析

继电器保护的可靠性通常包括两个方面，分别是可信赖性和安全性。前者是指继电器可按照设计需求进行准确动作，后者是对非设计的需求不动作。简单解释即是继电器可以准确的按照系统设计要求进行运行，在实际运行中不抗拒系统设计需求，不产生设计不需要的误动作。10KV配电所的继电器保护的可靠性是指当系统发生故障时，继电器可自行采取相应有效措施保护系统电气设备安全、正常运行，确保配电所能可靠接收、分配、调节电能。这就要求继电器能准确、合理、迅速判断配电所的故障，及时采取措施切断故障电路并提供备用电流代替故障电路，确保配电所系统能够持续不间断的运行。如果继电器不能及时切断故障电路提供备用电流，或者对故障电流产生误动作，将严重影响铁路配电所的正常运行，严重时可能会导致整个系统瘫痪。因此确保铁路配电所继电器的可靠性具有重要意义，在改造配电所系统时应注重继电器的改造，通过改造提高继电器的可靠性。

2.3可靠性影响因素分析

影响铁路10kv配电所继电器可靠性的因素有很多，大致可归结为四类，分别是自身因素、电磁干扰、外部环境因素和人为因素。铁路配电所继电保护分很多种，比较重要的有主保护、辅助保护、故障保护和后备保护。主保护是对配电所系统的稳定运行进行保护，后备保护是指主保护出现异常或者失灵情况下后备保护便会自动启动负责保护配电所系统稳定运行保护。辅助保护是指对主保护和后备保护进行补充的保护，故障保护是指当配电所系统发生异常时，继电器会自动判断故障并自动隔离故障电路，为配电所系统提供后备电流，确保铁路配电所可持续可靠运行。这四种保护影响继电可靠性主要是由于继电器保护装置设计不合理、科学，导致四种保护装置在运行时产生误动作或者不动作的行为，影响继电器的可靠性。配电所继电器运行时会受自身或者系统其它电气设备产生的电磁信号的干扰，电磁场的辐射和传导会阻碍继电器保护装置的可靠运行，破坏继电器的保护措施，进而影响继电器运行的可靠性。影响配电所可靠性的外部因素主要有温度、湿度、冲击、振动等，这些因素会使继电器外壳开裂、表面涂层脱落、填充灌封材料泄露、改变继电器材料的性能等，进而降低继电器的保护、调节、分配、接收电能的性能，影响继电器的安全、可靠运行。人为因素主要是施工质量不符合相关标准所致，比如施工时铁路配电所继电器的施工人员接错线头、安装失误或者安装不标准等，都会严重影响继电器的可靠性。据相关部门的不完全统计，我国铁路10kv配电所继电器人为因素故障约占35%左右。

2.4改造设计方案

2.41直流系统改造

针对以上影响继电器可靠性的因素分析，在改造铁路10kv配电所系统中的继电器时应加强继电器缺陷、不合理设计的改造工作，加强继电器施工管理、抑制电磁干扰、优化继电器工作环境。加强继电器缺陷、不合理设计的改造工作的方案是对配电所直流系统中电压稳定性低、脉动大和常发生故障的地方进行改造，下表1[5]是本文对铁路10kv配电所继电器直流系统的改造方案：

表1   铁路10kv配电所继电器直流系统的改造方案

传统继电器的线路保护一般是由晶体管型和整流型组成，这种线路保护缺陷多、功能不能满足铁路10kV配电所系统线路的要求，导致铁路10kV配电所系统的继电保护可靠性和安全性下降。针对以上情况对其的改造方案是更换微机线路保护，确保继电器可快速、准确切除故障电路，提供铁路10kV配电所系统运行的稳定性。

2.43环境改造

针对影响继电器可靠性的环境因素，铁路配电所的继电器施工单位应改善继电器工作环境。在继电器工作环境的地方安装空调，确保工作环境的温度、湿度不会影响继电器的性能。在继电器的外箱体安装隔绝噪音、振动等装置，避免外界噪音、冲击、振动等因素干扰继电器正常运行。在继电器箱体中填充防潮、防高温等的材料，确保继电器不会受外界因素干扰。

2.44电磁干扰和人为因素的改造

抑制电磁干扰的改造方案是采用电场屏蔽技术、磁场屏蔽技术、滤波技术，将三种技术的设备合理、科学的集成进继电器线路中，抑制电磁信号对继电器的干扰。下图4[5]是电磁干扰改造后的继电器结构：

图4  电磁干扰改造后的继电器结构

针对施工时人为因素导致继电器可靠性、安全性降低的问题，应加强铁路10kv配电所继电器施工管理，其具体做法是加强继电器安装前的各项零部件的检查，确保继电器的质量符合相关标准，加强继电器安装管理，确保继电器安装严格按照设计要求进行，避免线头接入错误、安装不标准等问题出现。加强继电器施工监督管理和质量管理，确保铁路10kv配电所继电器的所有标识牌、警示牌等美观、准确且清楚。

结束语：

铁路10kV配电所改造方案制定时应首先考虑系统运行的可靠性，然后再考虑系统运维、调试方便，最后考虑统一管理。铁路10kV配电所改造方案实施时应先进行实验，通过实验结合铁路10kV配电所的实际情况确定改造技术参数，然后再进行改造施工。施工结束后应对改造部分进行调试，调试合格后才能投入使用。一旦发现电回路出现错误或者继电器误动作等故障及时查找原因，根据原因进行重新改造，确保铁路10kv配电所系统安全、可靠运行。

参考文献：

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