電氣化鐵路對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置選相元件的影響研究

劉 源，于 群，薛勁瑩，羅邦云，李 琰，彭東虎，國 翠

（1.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590；2.新疆哈密電業(yè)局，新疆 哈密 839000；3.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

在鐵路運(yùn)輸任務(wù)較重地區(qū)的電網(wǎng)中，系統(tǒng)中奇次諧波含量較高，并且含有較大的負(fù)序電流，這是因?yàn)殡娏C(jī)車是一種具有非線性、不對(duì)稱和功率波動(dòng)大等特性的負(fù)荷，這不止影響了電能質(zhì)量還給微機(jī)距離保護(hù)裝置造成了不利影響，對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了威脅。因此，隨著我國鐵路網(wǎng)的發(fā)展，研究電氣化鐵路對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置的影響具有十分重要的意義。

文獻(xiàn)[1]在Matlab/Simulink環(huán)境下建立電力機(jī)車仿真模型并對(duì)單個(gè)整流器網(wǎng)側(cè)電流諧波含量進(jìn)行測(cè)量，但對(duì)電磁暫態(tài)的分析卻有欠缺，也沒有分析電鐵負(fù)荷對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響；文獻(xiàn)[2]研究了電力機(jī)車對(duì)微機(jī)距離保護(hù)測(cè)量元件及啟動(dòng)元件的影響，但是沒有研究電鐵負(fù)荷對(duì)選相元件的影響。

本文通過PSCAD/EMTDC搭建了某地區(qū)較為完善具體的電網(wǎng)仿真模型，分析了電鐵負(fù)荷特性對(duì)輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置選相元件的影響，并通過仿真驗(yàn)證了分析的正確性。

1 微機(jī)距離保護(hù)選相元件的特點(diǎn)

選相元件是微機(jī)保護(hù)裝置的重要組成部分，其功能是在故障時(shí)判斷故障類型，選出故障所在相，并配合保護(hù)裝置與重合閘回路在發(fā)生故障時(shí)正確自動(dòng)重合閘。

按照采用不同的電氣量，選相元件主要有實(shí)測(cè)量選相元件和故障分量選相元件兩種，實(shí)測(cè)量選相元件有相電流選相元件、低電壓選相元件和距離選相元件；故障分量選相元件主要有相電流差突變量（簡(jiǎn)稱突變量）選相元件和序分量電流相位比較（簡(jiǎn)稱序分量）選相元件[3]。

目前，微機(jī)保護(hù)裝置普遍采用的基于相電流差突變量和序分量的選相原理，均根據(jù)占主導(dǎo)地位的特征量實(shí)現(xiàn)選相[4]，本文主要研究了電氣化鐵路對(duì)這兩種元件的影響。

2 PSCAD/EMTDC 數(shù)字仿真模型的建立

2.1 電力機(jī)車仿真模型

本文以HXD2C 型機(jī)車為例，在PSCAD 中搭建了該機(jī)車的仿真模型。其主要參數(shù)為：額定電壓25 kV，單軸功率1 200 kW，最大時(shí)速120 km/h，每一個(gè)動(dòng)力單元由牽引變流器和牽引電機(jī)組成，在PSCAD 中仿真模型如圖1所示。

圖1 電力機(jī)車仿真模型Fig.1 Simulation model of electric locomotive

牽引變流器主要分為整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變電路三部分，參數(shù)設(shè)置：整流器輸入側(cè)電感設(shè)為0.01 H，中間直流環(huán)節(jié)支撐電容設(shè)為8.5 mF。

整流電路采用瞬態(tài)電流控制，其優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靜態(tài)特性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快[5]，其數(shù)學(xué)模型為

式中：Kp為PI 調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)；Ki為PI 調(diào)節(jié)器積分時(shí)間常數(shù)；為整流電路直流側(cè)電壓比較值；Idc為整流電路直流側(cè)輸出電流；K為比例放大系數(shù)[6]。

根據(jù)上式在PSCAD 中建立瞬態(tài)電流控制策略的仿真模型如圖2所示。設(shè)置為2.8 kV，交流側(cè)電壓相位由 Three-Phase PI-Controlled Phase Locked Loop 獲取，PI 調(diào)節(jié)器選用PI Controller。

圖2 瞬態(tài)電流控制仿真模型Fig.2 Simulation model of transient current control

逆變電路觸發(fā)信號(hào)采用空間矢量脈寬調(diào)制法進(jìn)行調(diào)制，該法直流電壓損耗小，諧波含量低，較少的開關(guān)次數(shù)和功耗小等優(yōu)點(diǎn)。SVPWM 的基本原理是：在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，選擇合適的兩電平基本電壓矢量，代替旋轉(zhuǎn)參考矢量作用[7-8]。根據(jù)此原理，在仿真模型中部分元件通過Fortran 語言編程實(shí)現(xiàn)其功能，在PSCAD 中SVPWM 仿真模型如圖3所示。

圖3 SVPWM 仿真模型Fig.3 Simulation model of SVPWM

2.2 區(qū)域電網(wǎng)仿真模型

根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際參數(shù)，建立了該電網(wǎng)的PSCAD仿真模型。該地區(qū)電網(wǎng)如圖4所示，輸電線路TL1、TL3、TL4 為LGJ-2*300 型TL2 為LGJ-240 型，線路TL1、TL2、TL3、TL4 長度分別為134.5 km、10 km、3 km、30 km；1 號(hào)主變是一臺(tái)接線方式為YG/YG/D 的三繞組變壓器，變比為220 kV/110 kV/35 kV，容量為180 MVA；牽引變電站接入系統(tǒng)相序?yàn)镃AB，牽引變壓器為V/V 接線，牽引負(fù)荷為HDX 型電力機(jī)車。在仿真過程中0.5 s 時(shí)電鐵投入，1 s 時(shí)在K1 處發(fā)生故障。

圖4 某地區(qū)電網(wǎng)模型Fig.4 Electric primary system

當(dāng)K1 處發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)由主變低壓側(cè)供電，電鐵負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流可能會(huì)對(duì)TL1末端的微機(jī)保護(hù)裝置造成影響。

為了分析不同運(yùn)行方式及功率下電鐵負(fù)荷特性對(duì)選相元件的影響，本文設(shè)定了如下四種工況：

（1）工況一（單站單臂）：正常運(yùn)行方式，牽引站單獨(dú)接入系統(tǒng)，單臂供電負(fù)荷11 MW；

（2）工況二（單站單臂）：正常運(yùn)行方式，牽引站單獨(dú)接入系統(tǒng)，單臂供電負(fù)荷41 MW；

（3）工況三（單站單臂）：制動(dòng)運(yùn)行方式，牽引站單獨(dú)接入系統(tǒng)，制動(dòng)反饋功率8 MW；

（4）工況四（單站單臂）：制動(dòng)運(yùn)行方式，牽引站單獨(dú)接入系統(tǒng)，制動(dòng)反饋功率32 MW。

3 電鐵負(fù)荷對(duì)選相元件的影響

作為微機(jī)保護(hù)裝置的重要元件，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能夠準(zhǔn)確判斷出故障類型并選出故障相，對(duì)于重合閘動(dòng)作行為和系統(tǒng)可靠性的提高，具有十分重要的意義?；谕蛔兞炕蛐蚍至吭淼倪x相元件被廣泛應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)裝置，以下將分析牽引供電系統(tǒng)故障特性并討論電鐵負(fù)荷對(duì)這兩種選相元件的影響。

3.1 故障特性分析

電力系統(tǒng)中，故障類型可分為不對(duì)稱故障和對(duì)稱故障。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)，系統(tǒng)中出現(xiàn)負(fù)序或零序故障分量，若故障發(fā)生在區(qū)外，線路兩側(cè)零序電流大小相等，方向相反；若故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)，線路兩側(cè)零序電流方向相同，大小取決于故障點(diǎn)兩側(cè)的系統(tǒng)零序阻抗和線路零序阻抗。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生對(duì)稱故障時(shí)，系統(tǒng)中零序分量幾乎為零，若故障發(fā)生在區(qū)外，線路兩側(cè)正序電流大小相等，方向相反；若故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)，線路兩側(cè)正序電流方向相同，大小取決于故障點(diǎn)兩側(cè)的系統(tǒng)正序阻抗和線路正序阻抗[9]。

微機(jī)保護(hù)裝置主要受電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流影響，故本文在研究其對(duì)選相元件的影響時(shí)只考慮負(fù)序電流。在PSCAD 仿真中，將一與電鐵負(fù)荷功率相同的對(duì)稱負(fù)荷代替電鐵負(fù)荷，故障時(shí)線路TL1 上測(cè)得的負(fù)序電流作為基準(zhǔn)值。當(dāng)系統(tǒng)接入電鐵負(fù)荷時(shí)，故障時(shí)測(cè)得各工況下線路TL1 上負(fù)序電流與基準(zhǔn)電偏差如表1所示。

表1 負(fù)序電流偏差Table 1 Deviation for negative sequence current

由表1知，在牽引供電系統(tǒng)中，發(fā)生故障時(shí)系統(tǒng)中負(fù)序電流偏差主要受電鐵負(fù)荷大小和發(fā)生故障相別影響，電鐵負(fù)荷越大故障時(shí)負(fù)序電流偏差越大，供電臂所在相或公共相發(fā)生故障時(shí)負(fù)序電流偏差較大。

3.2 對(duì)相電流差突變量選相元件的影響

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，相電流差突變量選相元件計(jì)算IA-IB、IB-IC、IC-IA的絕對(duì)值，即計(jì)算IAB、IBC、ICA的幅值并按一定的流程選出故障相。

利用對(duì)稱分量法，可將相電流差突變量表示為[10]

式中：Ig1、Ig2為故障點(diǎn)的正、負(fù)序故障分量電流；C1、C2為保護(hù)端的正、負(fù)序電流分布系數(shù)。

由此可知，單相短路時(shí)的幅值特征為非故障相電流差為零。

由此可知，兩相短路時(shí)的幅值特征是故障相電流差最大。

由此可知，三相短路時(shí)各相電流差相等。

由以上結(jié)論結(jié)合電鐵負(fù)荷特性可知，當(dāng)系統(tǒng)介入電鐵負(fù)荷時(shí)，雖然電鐵負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流改變了各相電流差值的大小，但其故障時(shí)的大小關(guān)系并沒有發(fā)生改變。在微機(jī)保護(hù)中，系統(tǒng)發(fā)生故障后將IAB、IBC、ICA進(jìn)行比較，分為大、中、小量，并分別命名為Imax、Imid、Imin，判斷條件如下：

條件1：Imax>Imin，且Imid>Imin

條件2：(Imax-Imid)>(Imid-Imin)

當(dāng)滿足條件1 時(shí)，判定故障為單相故障且Imin對(duì)應(yīng)的相別為故障相。若不滿足條件1，判定故障為相間故障，根據(jù)條件2 故障相為Imax對(duì)應(yīng)的相別[11]。故電鐵負(fù)荷不會(huì)對(duì)相電流差突變量選相元件造成影響，這在PSCAD 仿真中也得到了驗(yàn)證。

相電流差突變量選相流程圖如圖5所示。

圖5 相電流差突變量選相流程圖Fig.5 Phase current difference phase selector diagram

由于相電流差突變量選相元件不反映穩(wěn)態(tài)量，故在全相或非全相運(yùn)行的負(fù)荷狀態(tài)下不會(huì)誤動(dòng)作，即該選相元件不會(huì)受到電鐵接入方式的影響。本文在PSCAD 中根據(jù)上述原理搭建了相電流差突變量的模型，設(shè)置故障發(fā)生在1 s 時(shí)。在不同工況不同故障下，相電流差突變量選相元件選出的故障相如表2所示。

表2是在不同工況下TL1 發(fā)生不同故障時(shí)，相電流差突變量選相元件實(shí)際動(dòng)作情況。由表2可知，相電流差突變量選相元件在各工況下都可以準(zhǔn)確選出系統(tǒng)故障相。

表2 相電流差突變量選相元件動(dòng)作情況Table 2 Phase selector act of difference phase current

通過上述分析可以證明相電流差突變量選相元件不僅不受電鐵負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的影響，亦不受電鐵負(fù)荷大小的影響，故電鐵負(fù)荷不會(huì)對(duì)相電流差突變量選相元件產(chǎn)生影響。

3.3 對(duì)序分量電流相位比較選相元件的影響

序分量選相是根據(jù)對(duì)稱分量法得到故障時(shí)正、負(fù)、零序故障分量，通過各分量相位關(guān)系來進(jìn)行故障類型的判別。分區(qū)的基本原理主要有利用零序、負(fù)序電流分量比相以及正序故障分量和負(fù)序分量比相兩種[12]。本文在PSCAD 中以正序故障分量和負(fù)序分量比相原理搭建了序分量選相元件模型。

在系統(tǒng)發(fā)生各種不對(duì)稱故障時(shí)正序電流IA1與負(fù)序電流IA2的相位關(guān)系可以作為微機(jī)保護(hù)裝置判斷故障相別的依據(jù)，具體關(guān)系為A 相單相接地(-60°，60°)；B 相單相接地(-180°，-60°)；C 相單相接地(60°，180°)；AB 兩相和AB 兩相接地故障(-120°，0°)；BC 兩相和BC 兩相接地故障(120°，240°)；CA 兩相和CA 兩相接地故障(0°，120°)。

根據(jù)上述判據(jù)，其相區(qū)劃分如圖6所示。

圖6 不對(duì)稱故障時(shí) IA1與 IA2比相的相區(qū)劃分Fig.6 Partition of IA1 and IA2 phase plane with asymmetry fault

該法的主要原理是利用零序電流是否大于門檻電流判斷故障類型（接地故障或相間故障），然后根據(jù)正序電流與負(fù)序電流絕對(duì)值差判斷故障是單相故障還是兩相接地故障。由圖6可知，正序故障分量和負(fù)序分量比相法存在兩相短路和兩相接地故障特性相同且單相短路和相間短路相區(qū)劃分有重疊部分的特點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)中接入電鐵負(fù)荷時(shí)，電鐵負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流足夠大時(shí)必然影響故障時(shí)正序電流和負(fù)序電流的絕對(duì)值差，使選相元件無法正確判定故障為單相接地還是兩相接地，這一點(diǎn)由PSCAD 仿真結(jié)果得到了證明。

電鐵負(fù)荷功率越大，產(chǎn)生的負(fù)序電流越大，故工況二與工況四下選相元件會(huì)受到較大影響。在不同工況不同故障下，序分量選相元件選出的故障相如表3所示。

表3 序分量選相元件動(dòng)作情況Table 3 Phase selector act of sequence components

表3是在不同工況下TL1 發(fā)生不同故障時(shí)，序分量選相元件實(shí)際動(dòng)作情況。當(dāng)電鐵處于工況一和工況三時(shí)，序分量選相元件可以正確判定故障類型并準(zhǔn)確選出故障所在相；當(dāng)電鐵處于工況二和工況四時(shí)，序分量選相元件在發(fā)生單相接地故障時(shí)不可以準(zhǔn)確選出故障所在相。

通過上述分析可以證明序分量選相元件不受電鐵負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)的影響，但會(huì)受到電鐵負(fù)荷大小的影響，較大負(fù)荷時(shí)會(huì)導(dǎo)致序分量選相元件無法準(zhǔn)確判斷單相故障相別。

4 結(jié)語

通過對(duì)比分析可知，電力機(jī)車運(yùn)行工況不會(huì)影響微機(jī)保護(hù)裝置中的相電流差突變量選相元件，同時(shí)電力機(jī)車的功率大小也不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)該元件能夠準(zhǔn)確選出故障相；序分量選相元件基本不受電力機(jī)車運(yùn)行工況的影響，但電力機(jī)車負(fù)荷大小對(duì)其影響較大，在發(fā)生單相故障時(shí)，不能夠正確選出故障相。

由于220 kV 及以上輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障類型往往為單相接地故障，故在電鐵負(fù)荷較重地區(qū)宜選用相電流差突變量選相元件作為微機(jī)距離保護(hù)的選相元件。

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