220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路的短路故障計算及其保護整定原則分析

邱建，曾耿暉，李一泉，楊韻，屠卿瑞，朱崢

（廣東電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510600）

220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路的短路故障計算及其保護整定原則分析

邱建，曾耿暉，李一泉，楊韻，屠卿瑞，朱崢

（廣東電網電力調度控制中心，廣東 廣州 510600）

在電鐵牽引站供電模式中，采用單相牽引變壓器的兩相供電模式中牽引變的容量利用率最高，但其對電網影響較大［1-2］。隨著電網的發展，電網容量迅速增大，這一制約條件已不存在。因此，隨著我國高速鐵路的快速發展，兩相供電模式的牽引站大量接入220 kV電壓等級電網［3-7］，如近兩年接入廣東電網220 kV電壓等級的廈深鐵路、貴廣鐵路等。

由于兩相供電模式與電網三相對稱輸電的差異及單相牽引變壓器與普通三相變壓器在結構等方面的差異，其短路故障計算、保護配置及整定等方面與電網常規線路存在較大差異。而電網繼電保護人員對這一領域的相關技術還缺乏了解，如果仍然按照電網常規短路故障計算方法進行計算，按照電網內的常規線路保護整定原則進行整定，就有可能造成保護的不正確動作，從而影響到電網的安全穩定運行。因此對兩相供電模式的系統等值模型、短路故障計算及其保護整定原則進行分析十分必要。

雖然有些文獻對此內容進行了一些研究，如文獻［8-9］對220 kV兩相輸電線路短路電流計算、繼電保護定值計算進行了分析，文獻［10-14］對V-V、V-X接線等電鐵線路的短路故障計算及保護整定原則進行了論述，但這些文獻大多只是針對短路故障計算方面，而對保護整定原則方面，特別是距離一段和重合閘方式的分析則顯籠統與粗略。隨著電網保護配置的變化以及大電網對穩定性的要求提高，原有規程［15］以及前述文獻里提出的電鐵供電線路保護整定原則已不能適應新形勢下的電網保護整定要求。

基于此，本論文結合實際工程中兩相式電鐵牽引站供電線路的保護配置和電網穩定性要求等情況對保護主要整定原則進行了深入分析，提出了差異化的距離保護、零序（和流）保護、TV斷線過流保護整定原則。分析了各種重合閘方式的利弊，給出了推薦的重合閘方式整定原則。

1 兩相式供電特點分析

在兩相供電模式中，接入牽引站的線路為兩相，采用單相變壓器作為牽引變壓器。單相牽引變壓器根據繞組接法可分為純單相接法和組合單相接法［16］。

如圖1（a）所示，純單相牽引變高壓繞組AX接三相電源中的某兩相（如圖中為A、C相）電壓為220 kV，低壓繞組ax，首端a接至牽引母線上，末端x與鋼軌地連接，輸出電壓27.5 kV，同時給列車左右兩側的供電臂供電。純單相牽引變的短路阻抗十分簡單，與傳統的雙繞變短路阻抗一樣，只有一個短路阻抗值，不同的是三相變壓器的短路阻抗為以三相容量為基準的每相標么值，單相變壓器則以本身的單相容量為基準。

圖1 單相牽引變壓器Fig.1 Single-phase traction transformer

如圖1（b）所示為組合單相接法牽引變壓器。根據機車運行工況，某些220 kV單相牽引變壓器的高壓繞組由兩路并聯組成，低壓繞組由兩路輸出且由多路串聯組成。該種組合單相接法型式變壓器的一種典型參數（D11-QY-40000/220）如下［16］：額定容量為40 000/2×25 000 kV·A、高壓電壓為231 kV、聯結組別為Ii0/Ii0（i6）、頻率為50 Hz、低壓電壓為±27.5（2×27.5）kV。它的一種繞組聯接如圖2所示。

圖2 組合單相接法繞組接線圖Fig.2 Connection diagram of combinedsingle-phase winding

對于組合單相接法牽引變壓器，其短路阻抗有3個值，分別對應TN短路、FN短路、TF（TFN）短路，對應的一種典型短路阻抗百分比一般分別為10%（25 MW）、10%（25 MW）、15%（40 MW），全部換算成40 MW容量下的值分別為16%、16%、15%，換算成基準容量為100 MW，基準電壓為230 kV下的對應有名值分別為212 Ω、212 Ω、198 Ω。對于不同容量和結構的組合單相接法牽引變壓器的短路阻抗值可能不同，但是均存在一個共同特點：即換算成有名值時，3個短路阻抗值差異并不是很大，對應TN短路、FN短路的短路阻抗值基本相等，TF（TFN）短路時的短路阻抗值最小。

2 兩相式供電等值模型及其短路故障計算

2.1 等值模型

由于單相牽引變壓器直接入系統中的兩相，其在系統中的等值阻抗模型可看成在兩相（如AC）之間跨接一個阻抗，見圖3。圖中ZS為線路單相自阻抗；Zm為相間互阻抗；XT為單相牽引變壓器阻抗。

兩相式供電線路雖然只用兩相，但是考慮到未來擴容需要，實際一般為三相架設，其中一相并不接入牽引站內。如果為三相架設時，其線路參數及參數測試與現行常規線路一樣。但如果兩相供電線路只架設兩相，則不能按照常規三相線路參數描述及測量。如圖3所示，兩相線路參數有2個，一是每相線路的自阻抗ZS，另一個是兩相線路之間的互阻抗Zm，這與常規線路參數有所區別。文獻［9］介紹了兩相式線路參數實測方法。測得兩相輸電參數后，按照如下公式則可轉化為三相輸電參數：

其中，Z1、Z2、Z0分別為三相輸電線路的正序、負序、零序阻抗。

圖3 兩相式供電等值模型Fig.3 The system equivalent model of two-phase power supply

2.2 短路電流計算分析

2.2.1 牽引站供電線路上發生短路故障時

短路電流計算與常規線路一樣，區別在于如果線路參數為兩相輸電參數時（即已知每相線路的自阻抗ZS和兩相線路之間的互阻抗Zm），則需轉化為三相輸電線路參數（即轉化為Z1和Z0）。

2.2.2 牽引變壓器低壓側母線發生短路故障時由圖3根據基爾霍夫電壓定律可知：

又因為IA=－IC=IT，Z1=ZS－Zm，所以，

得到式中，ZG為歸算到牽引線路電網側母線的系統等值阻抗；EA為系統基準相電壓。由式（3）可知線路上沒有零序電流。

2.3 測量阻抗分析

2.3.1 牽引站供電線路上發生故障時

根據短路電流計算分析結論可知測量阻抗與常規線路一樣。

2.3.2 牽引變壓器低壓側母線發生短路故障時

圖3等值模型中牽引變壓器的阻抗即為單相牽引變壓器的短路阻抗。

由式（2）可得到AC相間測量阻抗為：

從式（4）可知，當單相牽引變壓器低壓側母線發生短路故障時，系統側感受到的阻抗為線路正序阻抗加上0.5倍單相牽引變壓器短路阻抗。

2.3.3 負荷阻抗計算

由于正常運行時，兩相的電流大小相等方向相反，因此在計算負荷阻抗時，其公式與AC相間測量阻抗一樣，即ZAC=UAC/（2IA），而普通三相對稱線路的負荷阻抗計算公式為。由此可見，兩相式供電線路的負荷阻抗應在普通三相對稱線路的負荷阻抗的基礎上乘以0.866的折算系數。

3 兩相式供電線路保護主要整定原則分析

按照保護雙重化原則，220 kV電鐵牽引站供電線路系統側一般配置雙套保護，每套保護均配置有三段式接地相間距離保護、兩段或四段零序過流（和流）保護以及兩段過流保護的后備保護，對于兩相式供電線路，一般不配置接地距離保護。隨著光纖電流差動保護的廣泛應用，而且牽引線路長度一般較短，有些220 kV電鐵牽引站供電線路還配置有雙套光纖電流差動保護［17］。對于220 kV兩相式供電線路，未配置光纖電流差動保護時，零序過流（和流）保護、相間距離保護作為線路金屬性接地和相間故障時的主保護，否則作為后備保護。兩段過流保護作為TV斷線距離保護退出時的保護，正常情況下時退出運行。

隨著電網的發展，尤其是交直流互聯大電網的形成，電網對穩定性的要求越來越高，一些220 kV線路短路故障如果不能快速切除，將會導致直流換向失敗，嚴重的會危機到電網的穩定運行［18-24］。

因此，220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路保護的整定原則應綜合考慮供電線路的保護配置情況和電網的穩定性要求，進行差異化的整定。

3.1 距離保護整定原則

為簡化距離保護計算，相間距離保護定值取各種短路情況下的接地和相間最苛刻的測量阻抗進行計算，若配置有接地距離和相間距離保護時，接地距離保護和相間距離保護定值取相同值。正常情況下接地距離和相間距離同時投入運行。

3.1.1 距離一段

1）對于未配置可靠光差保護的220 kV供電線路及存在保護死區（如牽引站內有母線但未配置母差保護）的情況下：

①為了確保電網穩定性，220 kV系統的故障要求快速切除，此時距離一段作為全線速動主保護，應按照保線路末端故障有足夠靈敏度整定，并可靠躲過變壓器低壓側故障，同時躲過正常最大負荷阻抗，時間為整定0 s。即：式（5）中，Z1為距離一段定值；ZL為電鐵線路的正序阻抗；ZT為牽引變壓器阻抗；KK、KT為可靠系數；k為變壓器阻抗折算系數；Klm為靈敏度系數。由于電鐵牽引站供電線路一般較短，而單相牽引變壓器阻抗較大，因此在無法獲得牽引變壓器準確參數的情況下，為簡單計，可直接按保線路末端故障有一較高的靈敏度整定。

需要注意的是，對于單相牽引變兩相供電時，變壓器阻抗折算系數k=2，對于組合單相牽引變壓器，ZT應為3個短路阻抗的最小值，即低壓側TF短路時的短路阻抗。

按照此原則整定時，存在主變故障時，電鐵線路距離一段保護亦可能存在跳閘的風險。

②經過計算確認電鐵牽引站供電線路短路故障對電網穩定性的影響不大時，其定值按①原則整定，時間則可整定為0.15 s～穩定極限切除時間，這樣在時間上與牽引變壓器的主保護有一定配合。

2）對于配有可靠的光差保護的220 kV線路且無保護死區情況時，光差保護作為電鐵牽引站供電線路的全線快速主保護，距離一段按現行相應整定規程要求整定，即按可靠躲線路末端故障整定。

3.1.2 距離二段

按照現有整定規程進行整定，即按照保護線路末端故障有靈敏度，同時躲過牽引變低壓側母線故障整定。當保護范圍因為保靈敏度伸出牽引變低壓側母線時，應與鐵路方面溝通協調好配合要求，確定好定值限額。

3.1.3 距離三段

在滿足現有規程整定的基礎上，為防止牽引站內故障不能可靠切除時，需依靠距離三段來切除故障，保證系統安全穩定，即距離三段兼顧考慮作為遠后備時，宜盡可能提高距離三段取值，此時若躲不過最小負荷阻抗時，應投入負荷限制曲線。

3.2 零序保護整定原則

牽引變低壓側短路故障時，高壓側沒有零序電流。對于為終端站的牽引站，牽引變壓器側無中性點接地，因此線路零序過流（和流）保護可不帶方向。

由于220 kV兩相式電鐵牽引站供電線路一般不配置接地距離保護，因此對于未配置光纖電流差動保護的220 kV線路以及存在保護死區的情況下，零序（和流）保護作為替代接地距離作用的保護，應保證有一段零序（和流）保護作為接地故障時的快速主保護，時間整定為0 s～穩定極限切除時間，定值應確保對全線有足夠靈敏度。此種情況下，還需考慮與上級線路的接地距離保護之間的配合。

對于配有可靠的光差保護的220 kV線路，零序（和流）過流保護的整定原則與一般線路相同。

3.3 過流保護整定原則

兩段式過流保護正常運行時退出，當TV斷線自動退出距離保護時自動投入，TV斷線過流保護擔負著TV斷線時刻的距離保護作用，因此，其整定原則考慮與距離保護相似。當牽引站為終端站時，過流保護可不帶方向。由于牽引鐵路負荷的特殊性，整定前應與鐵路部門溝通協商，由鐵路部門提供書面的最大負荷電流及牽引變過流保護定值。

3.3.1 過流一段

1）對于未配置可靠光差保護的220 kV電鐵牽引供電線路及存在保護死區的情況下，當電網穩定性要求故障快速切除時，過流一段作為TV斷線時的全線速動主保護，按照保護線路末端故障有足夠靈敏度整定，并可靠躲過變壓器低壓側短路故障整定，同時躲過正常最大負荷電流，時間整定為0 s，經確認滿足電網穩定性要求時，時間可整定為0.15 s～穩定極限切除時間，使得在時間上與牽引變壓器的主保護有一定配合。

2）對于配有可靠光差保護的220 kV電鐵牽引供電線路且無保護死區時，過流一段可退出或者按照躲線路末端故障整定，同時躲過正常最大負荷電流。時間取0.15 s及以上。

3.3.2 過流二段

按照躲過正常最大負荷電流整定，或者按照考慮與牽引變的過流保護配合整定。時間可取距離三段時間。

3.4 重合閘整定原則利弊分析

3.4.1 三相跳閘、退出重合閘方式

由于兩相式電鐵牽引站供電線路不存在非全相運行狀態。退出重合閘可以減少重合于故障時對電網的沖擊性。而且牽引站主變按照一主一備模式設計，主備變壓器可通過備自投切換，退出重合閘并不會明顯降低電鐵牽引站供電的可靠性。

對于未配置可靠光纖電流差動保護的線路，由于線路的距離保護范圍伸至牽引變壓器內部，當牽引變壓器內部故障時，如果因開關失靈等原因而未跳開牽引變壓器的高壓側開關，將造成線路重合于故障，有可能加劇牽引變壓器的損壞，退出重合閘則可避免這一情況。

重合閘退出后，不用考慮牽引站內備自投與重合閘的配合關系，與鐵路方面的配合關系簡單明析。

但是由于電鐵牽引站供電線路多為終端線路，如果能夠快速重合，可以避免牽引站內依靠備自投動作來切換供電線路，而且電網的大部分故障是瞬時性故障，重合成功率較高。退出重合閘后，則在一定程度上降低了供電可靠性，而且對于運行不方便，故障開關跳開后需要人為再合上開關。

3.4.2 三跳三重方式

由于電鐵牽引站供電線路多為終端線路，而且電網的大部分故障是瞬時性故障，重合成功率較高，因此如果能夠快速重合，可以避免牽引站內依靠備自投動作來切換供電線路，這有利于提高供電可靠性及故障后的運行恢復。

但是對于兩相供電方式，實際電網中的線路為三相接線，只是有一相在牽引站外面而沒有進站。當未接入牽引站的那相線路從系統側充電運行情況下故障時，如果采用三相跳閘方式，則影響了牽引站的供電，尤其是在永久故障情況下，也不能重合閘成功。但是如果未用的該相線路也沒有接入系統側站內，或者接入了但是該相開關是斷開的，即未用相線路并不是處于充電狀態，則不存在該相線路故障問題，前面所述的三相跳閘帶來的影響牽引站供電的問題也就不存在了。

采用三重方式時，牽引站內備自投需要考慮與重合閘的配合關系。

3.4.3 單跳單重方式

未接入牽引站的那相線路從系統側充電運行情況下故障時，采用單跳單重方式可以只跳開故障相，此時并不影響對牽引站的供電。但是如果未用相線路并不是處于充電狀態，單跳單重方式這一優勢也就不存在了。

如果牽引站側沒有線路開關時，或有開關但未配置保護，或配置了保護但不跳牽引側開關等情況下，線路單相故障時，系統側開關跳開單相后，系統可以通過未跳開相和牽引變繼續對短路點提供短路電壓，導致接地點不能熄弧，會影響到單相重合閘的成功率。

相間故障不重合，同樣會影響牽引站的供電可靠性。

采用單重方式時，牽引站內備自投同樣需要考慮與重合閘的配合關系。

3.4.4 綜合重合閘方式

綜合重合閘方式集中了單重和三重的優勢，而且沒有三重情況下的缺點，但同樣存在單相故障情況下可能不能熄弧的問題。

采用綜合重合閘方式時，牽引站內備自投同樣需要考慮與重合閘的配合關系。

3.4.5 重合閘推薦整定原則

根據上述分析，重合閘整定原則推薦如下：1）綜合考慮用戶與運行方式的要求。

電鐵牽引站作為大用戶站，而重合閘方式又關系到電網運行穩定，因此確定重合閘方式時應優先綜合考慮大用戶的需求與電網運行方式部門的要求。

2）如果距離一段保護伸入主變整定時，當牽引變壓器內部故障時，如果開關失靈等原因而未跳開牽引變壓器的高壓側開關，將造成線路三相重合于故障的牽引變壓器，有可能加劇牽引變壓器的損壞，如用戶不能接受這一風險，則退出重合閘，利用牽引站的備自投來保證供電可靠性。

3）電纜線路故障一般為永久性故障，故電纜線路退出重合閘。

4）除開上述第2）、3）所述情況，重合閘方式整定原則如下：

①采用三相跳閘方式。

②對于非電纜線路，采用三相重合閘方式。

如果故障時只跳系統側開關，則系統側投入三相重合閘方式，單相故障三跳三重，相間故障三跳三重，投檢無壓方式或不檢定。

如果故障時縱聯保護跳兩側開關，則兩側投入三相重合閘方式，單相故障三跳三重，相間故障三跳三重。系統側投檢無壓方式，系統側先合，牽引站側投不檢定方式，后合。

采用三相重合閘時注意牽引站內備自投應與重合閘方式配合。

③帶延時后備保護閉鎖重合閘。

另外為了避免采用三跳三重方式的缺點，可把未用相不接入系統側站內，即未用相不充電運行。

4 結論

本論文分析了單相牽引變壓器短路阻抗特點，并根據兩相式電鐵線路系統等值模型，分析了兩相式供電電鐵線路短路故障計算及測量阻抗，結合電鐵線路保護配置和電網穩定性要求等情況對保護主要整定原則進行了深入分析，主要結論如下：

1）兩相式供電電鐵線路牽引變低壓側故障時，短路電流與測量阻抗分析計算中，與普通三相變壓器的區別在于單相牽引變壓器阻抗應乘以0.5的折算系數。

2）在充分考慮電鐵線路保護配置和電網穩定性要求的基礎上，提出了差異化的距離一段、零序（和流）保護、過流一段保護整定原則。

3）結合兩相式供電電鐵線路特點，分析了各種重合閘方式的考慮及可能存在的問題，給出了推薦的重合閘整定原則。

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（編輯 馮露）

Analysis on the Short Circuit Fault Calculation and the Protection Setting Principles of 220 kV Two-Phase Power Supply Lines of Electrified Railway

QIU Jian，ZENG Genghui，LI Yiquan，YANG Yun，TU Qingrui，ZHU Zheng
（Electric Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510600，Guangdong，China）

分析了單相牽引變壓器短路阻抗的特點，并根據系統等值模型，對兩相式電鐵牽引站供電線路的短路故障計算進行了分析。結果表明，與一般三相電網相比，短路故障分析中單相牽引變壓器的短路阻抗應乘以0.5的折算系數；兩相式供電線路的負荷阻抗應乘以0.866的折算系數。結合實際工程中兩相式電鐵牽引站供電線路的保護配置和電網穩定性要求等情況對保護主要整定原則進行了深入分析，提出了差異化的距離保護、零序（和流）、保護TV斷線過流保護整定原則。分析了各種重合閘方式的利弊，給出了推薦的重合閘方式整定原則。

兩相式電鐵供電線路；單相牽引變壓器；短路故障計算；保護整定原則

This paper analyzes the characteristic of the short circuit impedance of single-phase traction transformer，and calculates the short circuit fault of the two-phase power supply line of the electrified railway based on the system equivalent model.The result of the analysis suggests that compared with the common three-phase power network，the impedance of single-phase traction transformer should multiply 0.5 as a conversion factor in the short circuit fault calculation and the load impedance of the two-phase power supply lines should multiply 0.866 as a conversion factor.Considering both the protection configuration of the electrified railway line and the requirement of power system stability，this paper presents an in-depth analysis on the main protection setting principles and puts forward the differentiated setting principles of distance protection，zero-sequence current protection and TV break-up over-current protection.The paper also analyzes the advantages and disadvantages of different reclosing modes and recommends the setting principles for the reclosing.

two-phase power supply lines of electrified railway；single-phase traction transformer；short circuit fault calculation；protection setting principles

1674-3814（2015）04-0047-07

TM744

A

2015-01-22。

邱建（1982—），男，碩士，工程師，主要從事電力系統繼電保護整定工作；

曾耿暉（1977—），男，博士，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護整定運行與管理工作；

李一泉（1979—），男，博士，高級工程師，主要從事電力系統繼電保護整定運行與管理工作。