基于電壓比較的牽引供電系統異相短路保護

李 輝，李 鋼，安 林，馬繼政，史耀政

0 引言

在單相交流電氣化鐵路牽引網中，電力機車不降弓通過牽引變電所出口處的電分相絕緣器時，很容易產生受電弓飛弧并最終導致異相高阻電弧短路故障。根據文獻[1]，交流單相電氣化鐵路牽引網相鄰兩供電區接觸線間發生的異相短路是一種破壞性極大的近區故障。

本文針對牽引供電系統異相短路的特征，利用電壓向量圖法對兩供電臂電壓和供電臂相間電壓進行定性分析。基于異相短路時兩供電臂電壓和供電臂相間電壓之間關系的故障特征，提出了一種新的識別異相短路保護，它可以結合電流增量保護來構成異相短路保護新方案。

1 異相短路故障分析（阻抗軌跡法）

本文以普遍采用的Y/Δ-11 接線的三相變壓器為例，其他接線形式的變壓器模型可類似建立。牽引變壓器模型采用歸算到27.5 kV 三相三角形對稱等效電路的參數，電弧電阻用Rg表示，等效電路圖如圖1 所示。在饋線保護中，b 供電臂引入的電壓為，電流為供電臂引入的電壓為電 流 為。其 中：

圖1 牽引變壓器異相短路等效電路示意圖

基于異相短路等效電路模型，在不考慮機車負荷情況下，利用電路原理分析，異相短路后各主要電氣量之間存在以下關系：

根據式（1）計算得出兩供電臂的測量阻抗：

利用阻抗軌跡法，根據式（1）在阻抗平面上畫出測量阻抗Zb和Zc的軌跡，如圖2 所示。

圖2 異相短路時測量阻抗在阻抗平面上的軌跡圖

根據文獻[5]的仿真結果，如表1 數據，也與上述分析的結果一致。

表1 不同弧長時兩供電臂測量阻抗比較表

可見，異相短路時兩供電臂的測量阻抗遠遠偏離現行饋線兩供電臂的方向阻抗繼電器的保護范圍，因此現行方向阻抗保護無法對異相短路起到可靠保護作用。

2 異相短路故障電壓分析（電壓向量圖法）

理論分析，由式（1）變換得式（3）：

由式（3）畫出異相短路時兩供電臂及其相間的電壓向量圖，如圖3，的軌跡是在的電壓上疊加一個以為弦的一個圓弧上，的軌跡是在的電壓上疊加一個以為弦的一個圓弧上，其圓周角都是（180°? θzbs）。當Rg= 0 時，和落 到 同 一 點 O′，此 時

圖3 異相短路時故障點的電壓向量全圖

對于Y/Δ-11 接線的三相變壓器，故障電壓有如下關系：

根據文獻[5]的仿真結果，如表2 數據，也與公式（4）相吻合。

表2 不同弧長時故障測量電壓表

3 異相短路保護

由異相短路時故障電壓間的特征分析，結合電流增量保護，構成如下動作判據的異相短路保護：

Uba為超前相供電臂b 的故障電壓基波有效值；Uca為滯后相供電臂c 的故障電壓基波有效值；Ubc為兩供電臂的故障相間電壓基波有效值，該電壓可通過兩供電臂電壓向量計算獲得；k 為可靠系數，根據經驗取k = 1.2；Uzd為整定電壓值，文獻[5]根據經驗值取Uzd= 0.8UN= 22 kV，UN為供電臂線電壓；Idz為整定電流值，根據文獻[6]，結合一臺機車的啟動電流，同時考慮異相短路時容許的最大電弧過渡電阻確定的最小電流值進行整定。

該異相短路保護的供電臂相間Ubc電壓是通過兩饋線保護裝置互相引入對方電壓計算得出。異相短路發生時，當式（4）滿足條件后，識別到異相短路故障，兩供電臂饋線保護裝置根據自身的電流增量保護能可靠動作切除故障。

針對本文提出的基于電壓比較的異相短路保護，利用文獻[3]仿真數據和現場故障數據對該保護進行了動作情況分析，結果見表3、表4，其分析結果可以得出該保護方案是可靠的、靈敏的。

表3 合武線金寨牽引變電所發生異相短路的實測數據表

4 結束語

通過對牽引供電系統異相短路故障特征的分析，提出了一種借助于兩供電臂電壓以及相間電壓相比較的異相短路保護，結合仿真和實測數據分析表明，該保護對異相短路故障具有較好的識別能力。在饋線保護裝置中引入該異相短路識別信號，結合饋線保護裝置中已有的電流增量判據構成的異相短路保護方案，能夠可靠地判別異相短路故障，克服了傳統方向阻抗保護的缺陷。該異相短路識別方法也適合其他接線方式牽引變壓器。該保護方案在傳統保護裝置的基礎上，不需要增加額外的硬件設備，只需在軟件上增加異相短路識別邏輯就可實現，具有很好的可靠性、經濟性。

表4 異相短路保護的動作情況表

各種運行情況 Uba/kV Uca/kV Ubc/kV ∠Uba?∠Uca 保護動作情況ba 臂空載ca 臂接地出口10 km 處 23.42 13.52 26.02 85.29° 不動作ba 臂空載供ca 臂接地出口0 km 處 23.81 0 23.81 90.15° 不動作電臂ba 臂空載電流551 A發ca 臂接地出口10 km 處 21.66 0 21.66 82.69° 不動作生接ca 臂空載地ba 臂接地出口10 km 處 13.49 26.01 23.46 64.04° 不動作短路ca 臂空載ba 臂接地出口0 km 處 0 23.82 23.82 30.00° 不動作ca 臂負載電流464 A ba 臂接地出口0 km 處 0 21.83 21.83 35.89° 不動作異相短電bc a a弧臂臂長空負度載載電1 2流00 5 c3m 8 A 28.01 21.31 18 37.80° 不動作路故障 c電baa 弧 臂臂長 負負度 載載電電1 2流流0 027 c63m72 AA 25.35 19.75 18 42.53° 不動作

[1] 賀威俊.電力牽引網異相短路保護動作特性分析[J].鐵道學報，1986，8（1）：36-46.

[2] 高仕斌，王毅非，張勁.牽引變電所異相短路故障及常規饋線保護動作行為分析[J].鐵道學報，2000，22（4）：24-27.

[3] 李冀昆.牽引供電系統異相短路保護原理的研究[D].成都：西南交通大學，2004.

[4] 高仕斌.高速鐵路牽引供電系統新型保護原理研究[M].成都：西南交通大學，2004.

[5] 張艷霞，周營營，陳鴻雁.牽引供電系統異相短路保護的新方案[J].電力系統自動化，2008，32（7）：53-56.

[6] 林國松，高仕斌，李群湛.基于故障分量相關分析的供電牽引網異相短路保護[J].電力系統自動化，2007，31（6）：82-85.