基于電壓比較的牽引供電系統(tǒng)異相短路保護(hù)

李輝，李鋼，安林，馬繼政

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

在單相交流電氣化鐵路牽引網(wǎng)中，電力機(jī)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(chǎn)生受電弓飛弧并最終導(dǎo)致異相高阻電弧短路故障。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，交流單相電氣化鐵路牽引網(wǎng)相鄰兩供電區(qū)接觸導(dǎo)線間發(fā)生的異相短路，是一種破壞性極大的近區(qū)故障。

對于常規(guī)的方向距離保護(hù)，本文用線性電阻代替電弧實(shí)際電阻，對異相短路時測量阻抗軌跡進(jìn)行了定性分析，得出常規(guī)的方向距離保護(hù)在牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路時，不能可靠動作的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]通過對異相短路故障詳細(xì)分析，提出了電流速斷保護(hù)和特殊阻抗保護(hù)相配合的方案，但電弧電阻較大時，電流速斷不能有效識別異相短路而拒動，此外即使能夠動作，其動作時間的不同，最終導(dǎo)致電弧異相短路故障不能斷開，這是不允許的。文獻(xiàn)[3]提出的通過檢測兩供電臂相間電壓的方法鑒別異相短路的保護(hù)方案和文獻(xiàn)[4]提出的自適應(yīng)電壓增量保護(hù)，都存在靈敏度低、難于整定等缺陷。文獻(xiàn)[5]提出了兩供電臂相間電壓幅值變化及其3次諧波含量比較高這一特點(diǎn)提出的保護(hù)方案，因增加了電壓互感器提高了經(jīng)濟(jì)成本。

1 異相短路故障分析（阻抗軌跡法）

本文以普遍采用的Y/△-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27.5kV三相三角形對稱等效電路的參數(shù)，電弧電阻用Rg表示，等效電路如圖1所示。在饋線保護(hù)中，b供電臂引入的電壓為，電流為I˙b；c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

基于圖1異相短路等效電路模型，在不考慮機(jī)車負(fù)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(guān)系：

根據(jù)式(1)計算得出兩供電臂的測量阻抗式(2)：

利用阻抗軌跡法，根據(jù)式(2)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

其中當(dāng)Rg=0時當(dāng)Rg≠0時并且隨著Rg的增大，P點(diǎn)的軌跡是沿著直線在第四象限內(nèi)遠(yuǎn)離R軸，Q點(diǎn)的軌跡是沿著直線從第二象限進(jìn)入第一象限(實(shí)際上電弧電阻遠(yuǎn)小于系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗，實(shí)測中Q點(diǎn)均分布在第二象限內(nèi))。

比較文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，如表1所示數(shù)據(jù)，也與上述分析的結(jié)果一致。

表1 不同弧長時兩供電臂測量阻抗

可見，異相短路時兩供電臂的測量阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離現(xiàn)行饋線兩供電臂的方向阻抗繼電器的保護(hù)范圍，因此現(xiàn)行方向阻抗保護(hù)無法對異相短路起到保護(hù)作用。

2 異相短路故障電壓分析

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，見圖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(dāng)Rg=0時和落到同一點(diǎn)O'，此時

圖3 異相短路時故障點(diǎn)的電壓向量全圖

對于Y/△-11接線的三相變壓器，故障電壓有如下關(guān)系：

比較文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，如表2所示數(shù)據(jù)，也與式（4）相吻合。

表2 不同弧長時故障測量電壓

3 異相短路保護(hù)

由異相短路時故障電壓之間的特征分析，結(jié)合電流增量保護(hù)，構(gòu)成其如下動作判據(jù)的異相短路的保護(hù)：

式中：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，此電壓可通過兩供電臂電壓向量計算獲得；k為可靠系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取k=1.2；Uzd為整定電壓值，文獻(xiàn)[5]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取Uzd=0.8Un=22kV，Un為供電臂線電壓；Idz為整定電流值，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，結(jié)合一臺機(jī)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來進(jìn)行整定。

此異相短路保護(hù)的供電臂相間Ubc電壓是通過兩饋線保護(hù)裝置互相引入對方電壓計算得出。當(dāng)異相短路發(fā)生時，當(dāng)式(4)滿足條件后，識別到異相短路故障，兩供電臂饋線保護(hù)裝置根據(jù)自身的電流增量保護(hù)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(hù)，利用文獻(xiàn)[3]仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)對該保護(hù)進(jìn)行了動作情況分析，結(jié)果見表3、表4，其分析結(jié)果可以得出此保護(hù)方案是可靠的、靈敏的。

表3 異相短路保護(hù)的動作情況

表4 合武線金寨牽引變電所發(fā)生異相短路的實(shí)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過對牽引供電系統(tǒng)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的異相短路識別方法，結(jié)合仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，該方案對異相短路具有較好的識別能力。在饋線保護(hù)裝置中引入這種異相短路識別信號，結(jié)合饋線保護(hù)裝置中已有的電流增量判據(jù)構(gòu)成的異相短路保護(hù)方案，能夠可靠地判別異相短路故障，克服了傳統(tǒng)方向阻抗保護(hù)的缺陷。此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(hù)方案在傳統(tǒng)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，不需要增加額外的硬件設(shè)備，只需在軟件上增加異相短路識別邏輯就可實(shí)現(xiàn)，具有很好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

[1] 賀威俊.電力牽引網(wǎng)異相短路保護(hù)動作特性分析[J].鐵道學(xué)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(guī)饋線保護(hù)動作行為分析[J].鐵道學(xué)報，2000，22（4）：24-27.

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

[4] 高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護(hù)原理研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2004.

[5] 張艷霞，周營營，陳鴻雁.牽引供電系統(tǒng)異相短路保護(hù)的新方案[J].電力系統(tǒng)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(guān)分析的供電牽引網(wǎng)異相短路保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（6）：82-85.