基于功率方向的牽引供電異相短路保護(hù)研究

孔源

摘要 在歷年上海局管內(nèi)的接觸網(wǎng)跳閘信息中，電流增量保護(hù)動(dòng)作于多次異相短路故障。但該保護(hù)出口時(shí)間長(zhǎng)達(dá)500ms，巨大的電流造成故障點(diǎn)接觸線燒傷、吊弦燒斷等后果。對(duì)兩供電臂電氣量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)異相短路時(shí)功率方向發(fā)生了顯著的改變。根據(jù)該規(guī)律建立了基于功率方向的異相短路保護(hù)，對(duì)此類型故障有又快有準(zhǔn)確地識(shí)別。

關(guān)鍵詞 異相短路 電流增量 電氣變化 功率方向 故障識(shí)別

1背景

在牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，分相處由于吊弦斷裂、異物搭接、隔開誤合、動(dòng)車組雙弓運(yùn)行等原因容易造成異相短路，產(chǎn)生很大的故障電流。由于異相短路的電壓電流特性造成阻抗保護(hù)、過(guò)流保護(hù)等有可能無(wú)法識(shí)別出故障，往往導(dǎo)致接觸線燒傷等嚴(yán)重后果。在牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路故障時(shí)，電流增量保護(hù)的靈敏性比普通電流保護(hù)和距離保護(hù)要高。但在實(shí)際應(yīng)用中，電流增量保護(hù)時(shí)限長(zhǎng)達(dá)500ms，過(guò)長(zhǎng)的動(dòng)作時(shí)間導(dǎo)致接觸線燒傷、吊弦燒斷等嚴(yán)重后果。經(jīng)驗(yàn)表明，縮短增量保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限雖然可以加速切斷故障，但也大大增加該保護(hù)的誤動(dòng)的可能性。若采用功率方向判斷的方法，可以做到快速準(zhǔn)確識(shí)別異相短路故障且可靠性高，其他的故障類型及正常運(yùn)行時(shí)，保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)作。

2異相短路故障模型

本文取高速鐵路最常見的V/X接線形式，根據(jù)某牽引變電所實(shí)例建立理想模型來(lái)分析故障時(shí)兩供電臂的電壓、電流、功率的向量變化。

牽引供電系統(tǒng)中，動(dòng)車組功率因數(shù)接近100%，可以認(rèn)為是純電阻;接觸網(wǎng)呈阻抗性，電抗大于電阻。

經(jīng)驗(yàn)表明，在中大型變壓器中，短路電抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于短路電阻，所以主變的內(nèi)阻抗可以認(rèn)為是純電抗。外部阻抗 是供電線阻抗與電弧阻抗的總和，其中供電線阻抗接近純電抗，電弧阻抗為純電阻，一般為幾歐姆。

當(dāng) 從0向無(wú)窮大變化時(shí)，即異相短路由金屬性短路向非短路變化時(shí)，會(huì)發(fā)生下列變化：

1. 幅值增大， 從90°減小0°。

2. 幅值減小到0，角度從-30°增大60°。

3. 幅值減小到0，角度從60°增大150°。

4.饋線電壓 、 分別沿著圓弧變化，圓弧的直徑為 。 電壓值先增大后減小， 電壓值先減小后增大。最終兩者都變?yōu)楦髯缘碾妱?dòng)勢(shì)，對(duì)應(yīng)于非短路的情況。

考慮負(fù)荷電流的影響時(shí)，故障模型如圖3所示：

當(dāng)發(fā)生異相短路時(shí)，兩供電臂電壓幅值均較高，所以動(dòng)車組可以正常取流。如果將動(dòng)車組負(fù)荷電流計(jì)入系統(tǒng)，相當(dāng)于在211和213供電臂上并聯(lián)一個(gè)較大的電阻RL。正常動(dòng)車組負(fù)荷電流約幾百A，折算為阻抗大約幾十Ω。負(fù)荷阻抗的存在將使得流出211DL的電流增大，流入213DL的電流減小。具體由后文分析。

3.一次異相短路故障案例分析

3.1故障概況

某牽引所發(fā)生了一起異相短路故障，其報(bào)文如下：

211DL電流增量出口，重合閘成功，饋線電壓：51.58kV，饋線電流：3765A，阻抗角：354.4度。

212DL（滬昆高鐵924供電單元）電流增量出口，重合閘成功，饋線電壓：53.69kV，饋線電流：1755A，阻抗角：359.6度。

213DL（滬昆高鐵925供電單元）電流增量出口，重合閘成功，饋線電壓：44.34kV，饋線電流：3390A，阻抗角：161.9度。故障距離：0.80km，下行T-R故障。

由于同一行相鄰兩供電單元同時(shí)跳閘，所以很容易判斷這是一起牽引所分相處的異相短路故障。

3.2電氣量分析

該牽引所主變?yōu)閂/X接線形式，其基本參數(shù)如下：

額定容量 ：40000kVA/25000kVA/25000kVA

變比：? ? ?220kV/27.5kV/27.5kV

短路電壓： 10.35%

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得到，變壓器二次側(cè)短路阻抗為j3.13Ω。查詢?cè)摖恳ㄖ当淼弥?，供電線阻抗為j0.461Ω。

一般而言，電弧電阻只有幾歐姆，可以認(rèn)為 ，在此區(qū)間內(nèi) A，電流增量保護(hù)可以正確動(dòng)作并切除故障。

由于跳閘時(shí)，供電臂內(nèi)有動(dòng)車組運(yùn)行，動(dòng)車組消耗的功率可以認(rèn)為是純有功功率。而整個(gè)系統(tǒng)的有功功率全部由1#B提供，故而會(huì)增大流經(jīng)211DL的電流，減小流經(jīng)213DL的電流。

3.3故障時(shí)阻抗、過(guò)流保護(hù)沒有動(dòng)作的原因

以該牽引所為例，其饋線保護(hù)整定值如表6：

在AT供電系統(tǒng)中，保護(hù)裝置計(jì)算的饋線阻抗是T線和F線之間的阻抗，由于故障發(fā)生在兩相T線之間，所以流過(guò)F線的電流很小可以忽略不計(jì)，阻抗值近似為

經(jīng)過(guò)計(jì)算，在本文所分析的模型中，? Ω時(shí)，211保護(hù)裝置測(cè)得的阻抗值最小，折算到二次側(cè)為63.55∠2.27°Ω，在阻抗保護(hù)動(dòng)作區(qū)外。隨著 增大，該阻抗值隨之增大，且角度減小，越來(lái)越遠(yuǎn)離阻抗保護(hù)的動(dòng)作區(qū)，因此阻抗保護(hù)不動(dòng)作。同時(shí)，由于電壓幅值始終大于23.83kV，其低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)流保護(hù)不啟動(dòng)。

同時(shí)，對(duì)于213饋線， ，213饋線保護(hù)裝置測(cè)得的阻抗角始終在第二象限，且最小值為56.24Ω，因此阻抗保護(hù)不動(dòng)作。當(dāng) 時(shí)，電壓從20.074kV降低到18.713kV，電流從3878.7A降低到3015.3A。在此區(qū)間內(nèi)，低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)流保護(hù)動(dòng)作可以正確判斷故障， 超出范圍時(shí)無(wú)法識(shí)別。

而由于動(dòng)車組可以正常取流，負(fù)荷電流的存在使得流經(jīng)211DL的電流增大，測(cè)量阻抗降低，有可能落入阻抗保護(hù)范圍內(nèi);流經(jīng)213DL的電流減小，使其低壓?jiǎn)?dòng)過(guò)流保護(hù)的范圍進(jìn)一步降低。因此，異相短路故障經(jīng)常出現(xiàn)只有電壓超前相阻抗動(dòng)作，而另一供電臂不動(dòng)作的情況，增大了異相短路故障判別的難度。

4牽引供電異相短路保護(hù)

經(jīng)過(guò)對(duì)牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路時(shí)各電壓、電流、阻抗角向量進(jìn)行分析，提出基于以下判據(jù)的異相短路保護(hù)：

其中 為滯后相電壓， 為滯后相電流。為提高保護(hù)的可靠性以及與其他保護(hù)的配合，加入電壓電流判據(jù)， 可整定為異相短路時(shí)可能出現(xiàn)的最低電壓18.5kV， 可整定為 時(shí)的電流2046A。保護(hù)時(shí)限整定為0.1s。

正常情況下，牽引供電系統(tǒng)同方向上下行供電臂由同一臺(tái)變壓器提供電源，不存在外電源;同時(shí)，動(dòng)車組的再生制動(dòng)功能出于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的考慮并不投入運(yùn)行，所以對(duì)于牽引變壓器，除異相短路的情況外不可能向系統(tǒng)吸收有功。

此保護(hù)方法通過(guò)測(cè)量?jī)上噜徆╇姳垭妷簻笙嗟碾妷弘娏鹘嵌炔?，?dāng)發(fā)現(xiàn)電壓超前電流90°以上，小于180°時(shí)，此時(shí)該變壓器在通過(guò)饋線吸收有功，輸出無(wú)功，說(shuō)明出現(xiàn)了異相短路。

當(dāng)饋線保護(hù)裝置發(fā)出異相短路跳閘信號(hào)時(shí)，牽引所上下行4個(gè)供電臂均應(yīng)同時(shí)跳閘，盡快熄滅電弧。若重合于瞬時(shí)故障，則4個(gè)供電臂恢復(fù)供電，同時(shí)通知設(shè)備管理單位前往分相處檢查，通知列車調(diào)度員后續(xù)列車在分相處降弓通過(guò);若重合于永久性故障，由于分區(qū)所、AT所已解環(huán)，則非故障行別恢復(fù)供電，通知設(shè)備管理單位前往故障行別的分相處搶修。

上海局調(diào)度所供電調(diào)度室根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，得出了當(dāng)同一行兩供電臂同時(shí)跳閘，若其中一個(gè)供電臂阻抗角在第二象限，另一個(gè)供電臂阻抗角在0°附近，則可判定為異相短路故障的規(guī)律?；诠β史较虻漠愊喽搪繁Ｗo(hù)就是根據(jù)這一經(jīng)驗(yàn)拓展而來(lái)。某些情況下的瞬時(shí)性異相短路，只有電壓超前相的供電臂保護(hù)動(dòng)作，后續(xù)的故障分析一般判斷為過(guò)負(fù)荷等原因。此保護(hù)的應(yīng)用將使供電調(diào)度及時(shí)察覺分相處異常情況，并立即作出處置。

6結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究牽引供電系統(tǒng)異相短路故障時(shí)的各電氣量變化情況，結(jié)合牽引變電所設(shè)備阻抗特性，提出了基于功率方向判別的異相短路保護(hù)。該保護(hù)利用現(xiàn)有保護(hù)裝置采集的電流電壓向量，不需要增加額外設(shè)備也不需要大量更改接線，只需要在保護(hù)裝置內(nèi)部計(jì)算向量差，結(jié)合電壓電流定值，即可起到對(duì)異相短路故障的可靠保護(hù)。

參考文獻(xiàn)

1. 陳小川。鐵路供電繼電保護(hù)與自動(dòng)化【M】。北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

2. 李輝，李鋼，安林，馬繼政。基于電壓比較的牽引供電系統(tǒng)異相短路保護(hù)【J】。江蘇電機(jī)工程。2011，30（2）。