高速鐵路10 kV 配電所繼電保護的研究

樊祥葉 北京交通大學電氣工程學院（上海鐵路局機務處）

隨著我國高速鐵路的快速發展，安全是保證快捷便利的首要前提，作為給鐵路沿線通信、信號等重要負荷供電的10 kV配電所，必須保證繼電保護裝置的靈敏、可靠，才能確保供電系統的穩定運行。

1 高速鐵路10 kV 電力供電系統

高速鐵路的10 kV 電力貫通供電系統主要由10 kV（35 kV）變配電所及電力貫通線路兩部分組成。設置在鐵路沿線，根據電源分布情況和方便檢修的原則確定，一般為40～60 km；從配電所饋出2 條10 kV 電力線路，沿鐵路敷設給鐵路區間負荷點供電，分為一級負荷貫通線和綜合負荷貫通線。貫通線兩端的鐵路變配電所通過貫通線高壓開關柜內電壓互感器與斷路器聯鎖均能為其供電。為保證區間負荷的供電質量，鐵路變配電所設有調壓器，通過調壓器向貫通線供電。

2 10 kV 配電所的保護設置

高速鐵路10 kV 配電所應配置電流速斷與過電流保護、零序電流速斷與過電流保護、低電壓與定時限低電壓保護等三種保護方式。

2.1 電流速斷及過電流保護

10 kV 線路電流速斷保護裝置的動作電流(應躲過線路末端短路時最大三相短路電流)：Iopk=KrelKjxI2k3maxA/nTA

靈敏度系數(按最小運行方式下線路始端兩相短路電流I1k2min校驗)：Ksen=I1k2min/Iopk≥2

Krel-可靠系數，一般取1.3；Kjx-接線系數，接于相電流時取1，接于相電流差時取；I2k3max-最大運行方式下線路末端三相短路超瞬態電流；nTA-電流互感器變比。

由多個斷路器保護的多級線路，按公式計算出的電流速斷整定值比較大，一般不能保護本線路的全長；而10 kV 貫通線路都是單獨運行的，可采取減小整定值來擴大電流速斷保護的范圍和提高靈敏度，為防止誤動作，通常將電流速斷整定值取為過電流整定值的4～5 倍。

10 kV 線路的過電流保護裝置的動作電流(應躲過線路的負荷電流)：Iop.k≤KrelKjxIghA/(KrnTA)

靈敏度系數（按最小運行方式下線路末端兩相短路電流I2k2min校驗）：Ksen=I2k2min/Iopk≥2

Igh-線路過負荷（包括電動機啟動所引起的）電流，當有電動機時一般取2～3 倍的額度電流，當無電動機時一般取1.3～1.5 倍的額定電流；Kr-繼電器返回系數，取0.85。

2.2 零序電流速斷及過電流保護

高速鐵路10 kV 貫通線路采用單芯電纜，絕大多數故障為單相接地故障。貫通線路供電系統中的某條線路發生接地故障時，故障線路上將流過上百安培的接地短路電流，這樣就為零序電流保護的定值選擇留有充分的余地。對于零序電流速斷保護，線路發生單相接地故障時要有迅速靈敏的反應，及時開斷故障線路。因此，盡管零序電流的保護整定值選擇空間大，但其定值必須滿足單相接地故障時靈敏度的要求：Iop.k≤Ijd/Ksen

式中Ijd代表故障線路的接地短路電流，Ksen為靈敏系數，在鐵路貫通線電流保護中一般取1.5。

發生單相直接接地故障時，故障相的接地短路電流為：Ijd=3U/(X1∑+X2∑+X0∑+3R0)

X1∑、X2∑、X0∑分別為系統總的正序、負序、零序阻抗；R0為中性點接地電阻；U為線路的額定相電壓。

裝設零序速斷保護是為了切斷系統中發生單相直接接地短路故障線路。然而線路的接地故障并非只有直接接地一種，有時是經過一個過渡電阻接地的。這個過渡電阻的大小難以判斷。以往為增大對過渡電阻的適應裕度，保證線路末端保護有足夠的靈敏度，零序過流保護值要盡量取小，通常在30～80 A 不等。

為了提高線路發生經過渡性電阻接地故障時保護動作的靈敏性，并防止發生誤動，可以根據實際情況計算出每條饋線上的電容電流，零序過流保護的整定值需躲過其他線路發生金屬性接地故障時本線路所通過的電容電流。所以保護裝置的動作電流按躲過被保護線路外部單相接地故障時，從被保護元件流出的電容電流ICX來整定。

Iop.k≥KrelICX

此時，Krel一般取1.5～2；ICX為非故障線路的電容電流。根據電纜線路的電容模型，輸電電纜的正（負）序電容為：

C=3C2+C1

C2-單位長度電纜導體之間的部分電容，對于高鐵貫通線路C2=0；C1-導體與電纜外皮之間的部分電容。

于是非故障線路的電容電流為：

ICX=ωC1UL

U-線路的額定相電壓；L-線路長度。

2.3 低電壓與定時限低電壓保護

按躲過正常運行時可能出現的最低工作電壓整定，保護裝置的動作電壓：Uopk=UminV/(KrelKrnTA)

Krel-可靠系數，一般取1.2；Kr-繼電器返回系數，取1.15；Umin-運行中可能出現的最低工作電壓，一般取0.5～0.7 倍的額定電壓；nTA-電壓互感器變比。

低電壓保護一般用于貫通饋線回路，作為電流保護的后備保護。由于貫通饋線距離較長，負荷容量也隨鐵路運營情況和環境溫度而變化。根據實際經驗，一般其二次側整定值取25 V，動作時限為0 s。

定時限低電壓保護的整定方法同低電壓一致，只是在取Umin時可能有一些差別。在鐵路10 kV 配電所中，電源進線回路一般設定時限低電壓保護，Umin一般取0.7 倍的額定電壓。由于配電所設的電壓互感器的二次額定電壓為100 V，所以其整定值一般為70 V，動作時間一般整定為1 s。

3 系統仿真

根據上述分析，可以通過建立10 kV 貫通線路系統仿真模型來分析保護裝置的設置是否合理：系統阻抗為Z=0.5677Ω，調壓器采用400 kVA，短路電壓百分比為4%，零序阻抗為ZT0=11.25 Ω，將其等效為電源內阻抗。中性點采用10 Ω 小電阻接地，貫通線路為單芯YJV22-8.7/10 kV 的全電纜線路，電纜截面為95mm2，長60 km，電纜電容為C1=0.223μF/km,C0=0.223μF/km；交流電阻為R0=0.296 Ω/km；電感為L1=0.326 mH/km,L0=0.593 mH/km；線路阻抗的正序和零序參數分別為Z1=0.31+j0.101 Ω/km，Z0=0.296+j0.186 Ω/km。兩端線路區間中每隔10 km 或20 km 距離分別帶有容量為30 kVA、50 kVA 的負荷。

首先，計算出此線路的額定電流9.24 A，計算出過電流保護的整定值28 A；選取電流速斷保護的整定值112 A。當線路末端發生單相直接接地故障時的故障電流約為178 A，零序過電流整定值取36.3 A。

假設線路發生單相接地短路故障，設定不同的故障位置和不同的過渡電阻，由線路始端保護側測得故障相的短路電流和零序電流（電流速斷一），鐵路貫通線特點整定的電流速斷（電流速斷二），詳見表1、表2。

表1 Rf=0 單相接地故障分析結果

表2 線路末端單相接地故障分析結果

從表1、2 中可以看出，以往的電流速斷保護不能保護到線路的末端，而采用針對鐵路貫通線特點整定的電流速斷則對線路末端發生的短路故障均能動作，并且還有一定的耐過渡電阻性；零序電流保護在發生線路末端的不對稱短路時均能動作，但是零序故障電流受過渡電阻的影響較大，當過渡電阻較大時，保護的靈敏度下降。由于本文仿真結果未考慮貫通線路電抗器補償作用，在有電抗器補償的情況下，零序保護的整定值可適當減小以增加零序保護的靈敏度。

4 結論

通過對高速鐵路10 kV 配電所供電系統的研究，分析得出針對10 kV 配電所電纜貫通線路特點的電流保護方案。新的電流保護能夠保護線路的全長，并且具有一定的耐過渡電阻特性，在電抗器補償的情況下，新的電流保護將會有更高的靈敏度和耐過渡電阻性。