高速鐵路10 kV 配電所繼電保護(hù)的研究

樊祥葉 北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院（上海鐵路局機(jī)務(wù)處）

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)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(hào)等重要負(fù)荷供電的10 kV配電所，必須保證繼電保護(hù)裝置的靈敏、可靠，才能確保供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 高速鐵路10 kV 電力供電系統(tǒng)

高速鐵路的10 kV 電力貫通供電系統(tǒng)主要由10 kV（35 kV）變配電所及電力貫通線路兩部分組成。設(shè)置在鐵路沿線，根據(jù)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(shè)給鐵路區(qū)間負(fù)荷點(diǎn)供電，分為一級(jí)負(fù)荷貫通線和綜合負(fù)荷貫通線。貫通線兩端的鐵路變配電所通過(guò)貫通線高壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)電壓互感器與斷路器聯(lián)鎖均能為其供電。為保證區(qū)間負(fù)荷的供電質(zhì)量，鐵路變配電所設(shè)有調(diào)壓器，通過(guò)調(diào)壓器向貫通線供電。

2 10 kV 配電所的保護(hù)設(shè)置

高速鐵路10 kV 配電所應(yīng)配置電流速斷與過(guò)電流保護(hù)、零序電流速斷與過(guò)電流保護(hù)、低電壓與定時(shí)限低電壓保護(hù)等三種保護(hù)方式。

2.1 電流速斷及過(guò)電流保護(hù)

10 kV 線路電流速斷保護(hù)裝置的動(dòng)作電流(應(yīng)躲過(guò)線路末端短路時(shí)最大三相短路電流)：Iopk=KrelKjxI2k3maxA/nTA

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

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

由多個(gè)斷路器保護(hù)的多級(jí)線路，按公式計(jì)算出的電流速斷整定值比較大，一般不能保護(hù)本線路的全長(zhǎng)；而10 kV 貫通線路都是單獨(dú)運(yùn)行的，可采取減小整定值來(lái)擴(kuò)大電流速斷保護(hù)的范圍和提高靈敏度，為防止誤動(dòng)作，通常將電流速斷整定值取為過(guò)電流整定值的4～5 倍。

10 kV 線路的過(guò)電流保護(hù)裝置的動(dòng)作電流(應(yīng)躲過(guò)線路的負(fù)荷電流)：Iop.k≤KrelKjxIghA/(KrnTA)

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

Igh-線路過(guò)負(fù)荷（包括電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)所引起的）電流，當(dāng)有電動(dòng)機(jī)時(shí)一般取2～3 倍的額度電流，當(dāng)無(wú)電動(dòng)機(jī)時(shí)一般取1.3～1.5 倍的額定電流；Kr-繼電器返回系數(shù)，取0.85。

2.2 零序電流速斷及過(guò)電流保護(hù)

高速鐵路10 kV 貫通線路采用單芯電纜，絕大多數(shù)故障為單相接地故障。貫通線路供電系統(tǒng)中的某條線路發(fā)生接地故障時(shí)，故障線路上將流過(guò)上百安培的接地短路電流，這樣就為零序電流保護(hù)的定值選擇留有充分的余地。對(duì)于零序電流速斷保護(hù)，線路發(fā)生單相接地故障時(shí)要有迅速靈敏的反應(yīng)，及時(shí)開(kāi)斷故障線路。因此，盡管零序電流的保護(hù)整定值選擇空間大，但其定值必須滿足單相接地故障時(shí)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(shù)，在鐵路貫通線電流保護(hù)中一般取1.5。

發(fā)生單相直接接地故障時(shí)，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(tǒng)總的正序、負(fù)序、零序阻抗；R0為中性點(diǎn)接地電阻；U為線路的額定相電壓。

裝設(shè)零序速斷保護(hù)是為了切斷系統(tǒng)中發(fā)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(shí)是經(jīng)過(guò)一個(gè)過(guò)渡電阻接地的。這個(gè)過(guò)渡電阻的大小難以判斷。以往為增大對(duì)過(guò)渡電阻的適應(yīng)裕度，保證線路末端保護(hù)有足夠的靈敏度，零序過(guò)流保護(hù)值要盡量取小，通常在30～80 A 不等。

為了提高線路發(fā)生經(jīng)過(guò)渡性電阻接地故障時(shí)保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，并防止發(fā)生誤動(dòng)，可以根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算出每條饋線上的電容電流，零序過(guò)流保護(hù)的整定值需躲過(guò)其他線路發(fā)生金屬性接地故障時(shí)本線路所通過(guò)的電容電流。所以保護(hù)裝置的動(dòng)作電流按躲過(guò)被保護(hù)線路外部單相接地故障時(shí)，從被保護(hù)元件流出的電容電流ICX來(lái)整定。

Iop.k≥KrelICX

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

C=3C2+C1

C2-單位長(zhǎng)度電纜導(dǎo)體之間的部分電容，對(duì)于高鐵貫通線路C2=0；C1-導(dǎo)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(zhǎng)度。

2.3 低電壓與定時(shí)限低電壓保護(hù)

按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)的最低工作電壓整定，保護(hù)裝置的動(dòng)作電壓：Uopk=UminV/(KrelKrnTA)

Krel-可靠系數(shù)，一般取1.2；Kr-繼電器返回系數(shù)，取1.15；Umin-運(yùn)行中可能出現(xiàn)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(hù)一般用于貫通饋線回路，作為電流保護(hù)的后備保護(hù)。由于貫通饋線距離較長(zhǎng)，負(fù)荷容量也隨鐵路運(yùn)營(yíng)情況和環(huán)境溫度而變化。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般其二次側(cè)整定值取25 V，動(dòng)作時(shí)限為0 s。

定時(shí)限低電壓保護(hù)的整定方法同低電壓一致，只是在取Umin時(shí)可能有一些差別。在鐵路10 kV 配電所中，電源進(jìn)線回路一般設(shè)定時(shí)限低電壓保護(hù)，Umin一般取0.7 倍的額定電壓。由于配電所設(shè)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(dòng)作時(shí)間一般整定為1 s。

3 系統(tǒng)仿真

根據(jù)上述分析，可以通過(guò)建立10 kV 貫通線路系統(tǒng)仿真模型來(lái)分析保護(hù)裝置的設(shè)置是否合理：系統(tǒng)阻抗為Z=0.5677Ω，調(diào)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(nèi)阻抗。中性點(diǎn)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(zhǎng)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L(zhǎng)1=0.326 mH/km,L0=0.593 mH/km；線路阻抗的正序和零序參數(shù)分別為Z1=0.31+j0.101 Ω/km，Z0=0.296+j0.186 Ω/km。兩端線路區(qū)間中每隔10 km 或20 km 距離分別帶有容量為30 kVA、50 kVA 的負(fù)荷。

首先，計(jì)算出此線路的額定電流9.24 A，計(jì)算出過(guò)電流保護(hù)的整定值28 A；選取電流速斷保護(hù)的整定值112 A。當(dāng)線路末端發(fā)生單相直接接地故障時(shí)的故障電流約為178 A，零序過(guò)電流整定值取36.3 A。

假設(shè)線路發(fā)生單相接地短路故障，設(shè)定不同的故障位置和不同的過(guò)渡電阻，由線路始端保護(hù)側(cè)測(cè)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(diǎn)整定的電流速斷（電流速斷二），詳見(jiàn)表1、表2。

表1 Rf=0 單相接地故障分析結(jié)果

表2 線路末端單相接地故障分析結(jié)果

從表1、2 中可以看出，以往的電流速斷保護(hù)不能保護(hù)到線路的末端，而采用針對(duì)鐵路貫通線特點(diǎn)整定的電流速斷則對(duì)線路末端發(fā)生的短路故障均能動(dòng)作，并且還有一定的耐過(guò)渡電阻性；零序電流保護(hù)在發(fā)生線路末端的不對(duì)稱短路時(shí)均能動(dòng)作，但是零序故障電流受過(guò)渡電阻的影響較大，當(dāng)過(guò)渡電阻較大時(shí)，保護(hù)的靈敏度下降。由于本文仿真結(jié)果未考慮貫通線路電抗器補(bǔ)償作用，在有電抗器補(bǔ)償?shù)那闆r下，零序保護(hù)的整定值可適當(dāng)減小以增加零序保護(hù)的靈敏度。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速鐵路10 kV 配電所供電系統(tǒng)的研究，分析得出針對(duì)10 kV 配電所電纜貫通線路特點(diǎn)的電流保護(hù)方案。新的電流保護(hù)能夠保護(hù)線路的全長(zhǎng)，并且具有一定的耐過(guò)渡電阻特性，在電抗器補(bǔ)償?shù)那闆r下，新的電流保護(hù)將會(huì)有更高的靈敏度和耐過(guò)渡電阻性。