藍智暉，徐永海

（1．黃巖供電局，浙江 臺州 318020；2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

電鐵負荷的沖擊特性及其所產(chǎn)生的諧波電流與負序電流，對線路微機保護的不利影響體現(xiàn)在多個方面。目前國內(nèi)外開展的諧波對繼電保護影響的研究較少[1-3]，且針對平衡的三相諧波進行，較少考慮電氣化鐵路諧波單相、具有沖擊性，在諧波含量上3次諧波最大，還有較大的5、7次諧波等特點。因此，由三相平衡系統(tǒng)所得出的結(jié)論并不能完全適用于電氣化鐵路諧波問題。

本文根據(jù)實際參數(shù)，通過電力系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計（PSCAD）建立地區(qū)電網(wǎng)模型與保護常用的三種啟動元件模型。對電鐵負荷的沖擊特性及其所產(chǎn)生的諧波電流與負序電流對線路微機保護啟動元件的影響進行了理論分析、仿真驗證。

1 微機保護啟動元件的特點

微機保護是對數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供的輸入電氣量的采樣數(shù)據(jù)進行分析、運算和判斷，構(gòu)成保護的動作特性方程，以實現(xiàn)其保護的功能。其主要元件包括：啟動元件、測量元件、時限元件、出口執(zhí)行元件。啟動元件的作用是反應(yīng)系統(tǒng)故障參數(shù)或故障分量，判別系統(tǒng)是否已經(jīng)發(fā)生了故障。正常運行時該元件不啟動，整套保護不投入工作，系統(tǒng)發(fā)生故障時，其立即使整套保護投入工作。啟動元件是微機保護的核心，算法種類較多。以下分別對相電流突變量啟動算法、相間電流突變量啟動算法及半周電流積分啟動算法受電鐵負荷特性的影響進行分析。

2 區(qū)域電網(wǎng)數(shù)字仿真模型的建立

根據(jù)某區(qū)域電網(wǎng)實際參數(shù)，運用PSCAD建立了該電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，如圖1所示。該區(qū)域電網(wǎng)為雙電源供電系統(tǒng)，電源為兩座220 kV變電站，通過110 kV線路與帶有電鐵負荷的110 kV變電站聯(lián)系。依據(jù)該電網(wǎng)某時刻的潮流，設(shè)置了一般負荷潮流（不含諧波與負序電流）PF1，其有功功率28 MW、無功功率4.3 MW，在仿真過程中始終保持不變；PF2為4臺SS6型電力機車負荷，其有功功率18 MW、無功功率8 MW，在仿真過程中0.8 s時投入；F點為線路故障點，仿真過程中設(shè)定在5.2 s時線路50%距離處發(fā)生A相直接接地短路故障。P點為仿真過程中保護的安裝地點，依據(jù)某區(qū)域電網(wǎng)參數(shù)，安裝保護處線路的實際額定線電流為400 A，一般啟動元件啟動整定值為額定電流的20%。

圖1 某區(qū)域電網(wǎng)接線圖

該數(shù)字仿真模型在公用電網(wǎng)向電鐵牽引變輸出的饋線處測得電流波形如圖2（a）所示，與實測波形相似，見圖2（b）。在圖1中P點處測得的仿真電流的基波及2-7次諧波含量如表1所示，同現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)相比，諧波含量較大。

電力機車在行駛過程中，每隔數(shù)十公里便會由一座牽引變過渡到另一座牽引變，每座牽引變均由鐵道沿線不同的公用變電站供電。也就是說，電力機車的行駛過程會頻繁地對鐵道沿線公用變電站造成沖擊性的影響，機車負荷通常較大，對保護啟動元件的影響尤為突出。為了單獨分析電鐵負荷諧波特性對啟動元件的影響，本文設(shè)定了一個與電鐵負荷功率及功率因數(shù)相等的普通負荷（不含諧波電流），在仿真過程中替代電鐵負荷，即圖1中的PF2，以下簡稱普通負荷，以便對比觀察在沒有諧波干擾下的電鐵負荷的沖擊性，及產(chǎn)生的負序電流對啟動元件的影響。

圖2 電流波形

表1 電流諧波含量A

3 電鐵負荷對啟動元件的影響

保護的故障處理程序在正常時是不啟動的，僅在系統(tǒng)故障、啟動元件動作后才停止自檢，并開始執(zhí)行故障處理程序。故障處理程序一般比較復(fù)雜，不可能在采樣間隔時間內(nèi)完成。而且保護的某些功能也需要啟動元件配合，所以啟動元件是微機保護必不可少的功能模塊。

3.1 對相電流突變量啟動算法的影響

保護裝置對啟動元件的基本要求之一是靈敏度高，因為循環(huán)寄存區(qū)有一定的存儲和記憶容量，可以方便地取得電流的突變量，微機保護通常采用突變量元件啟動，突變量Δi（n）為：

式中：i（n）為電流在時刻n的采樣值；N為保護在1個工頻周期內(nèi)的采樣點數(shù)；i（n-N）為比i（n）早1個周期的采樣值；Δi（n）為電流在時刻n的突變量。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，負荷電流是穩(wěn)定的，或者負荷雖時有變化，但不會在1個工頻周期短時間內(nèi)突然發(fā)生很大變化，因此這時i（n）與i（n-N）應(yīng)接近相等。如果在某一時刻發(fā)生短路，故障相電流突然增大，則在n點以后有突變量電流。

圖3（a）、（b）分別是電力機車負荷與普通負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)時，相電流突變量啟動元件所測電流突變量波形圖。對比圖3（a）、（b）可以看出，在0.8 s時負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)，引起承載負荷的A、C兩相相電流突變量在2個周波內(nèi)有較大的波動。只是由于受諧波的影響，圖3（a）中電流波形發(fā)生畸變，在過零點時刻電流變化率較大，而波峰處變化率較小，近似于梯形波。由式（1）可知，電力機車負荷在波峰處導(dǎo)致圖3中0.8 s-0.84 s內(nèi)相電流突變量測量值最高值沒有普通負荷高，而且波形復(fù)雜。

圖3 相電流突變量啟動算法測得的電流突變量測量值

從0.84 s開始，因負荷加入造成的沖擊性影響消失，測得普通負荷加入后A、C兩相相電流突變量在0～50 A波動。電力機車負荷受諧波影響，且電力系統(tǒng)負荷頻率不是恒定不變的值，導(dǎo)致在過零點附近的前一周期采樣值與后一周期的采樣值差異較大，即式（1）中或差異較大。因而測得電力機車負荷加入后A、C兩相相電流突變量在0～80 A波動，變化范圍較普通負荷的相電流突變量波動范圍（0～50 A）略大。

電力機車負荷、普通負荷加入后發(fā)生A相短路故障時電流突變量測量值分別如圖3（c）、（d）所示?？梢娫?.2 s發(fā)生A相短路故障后，由于短路電流較大，所得電流突變量測量值受諧波干擾的影響基本可以忽略。

綜上所述，相電流突變量啟動算法受負荷沖擊性影響嚴重，在負荷加入后的2個周波內(nèi)波動范圍很大，若按該線路實際額定線電流400 A計，啟動元件的整定值為80 A，由圖3（a）可知，此時啟動元件已啟動。穩(wěn)態(tài)時（即電力機車加入2個周波后），受諧波影響，所測相電流突變量的變化范圍稍大（0～80 A），但其影響有限尚不至于造成保護啟動元件誤啟動。當(dāng)故障時，由于短路電流較大，測得的電流突變量所受諧波干擾可以忽略，不會造成啟動元件的拒動。

3.2 對相間電流突變量啟動算法的影響

這種啟動方法原理與相電流突變量啟動算法類似，只是突變量選取的是相間電流而非相電流，突變量電流的計算一般按式（2）進行：

式中：φφ＝AB，BC，CA。

圖4是電力機車負荷加入電力系統(tǒng)后的相間電流的波形圖，近似于相電流波形。圖5（a）、（b）分別是電力機車負荷與普通負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)時，相間電流突變量啟動元件算法所測電流突變量波形圖。對比可知，在0.8 s負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)時，都會引起相間電流突變量在2個周波內(nèi)有較大波動，只是由于諧波的影響（影響原因同相電流突變量啟動算法），在0.8-0.84 s內(nèi)電力機車負荷加入時相間電流突變量最高測量值沒有普通負荷高，而且因為A，C兩相承載負荷，三相電流不平衡，故AC相間電流突變量值較AB，AC相間電流突變量值高一倍左右。

圖4 相間電流波形

圖5 相間電流突變量啟動算法測得的電流突變量

從0.84 s開始，因負荷加入造成的沖擊性影響消失，但是受諧波電流影響（影響原因同相電流突變量啟動算法），所測電力機車負荷加入后相間電流突變量波動范圍較所測普通負荷加入后的波動范圍略大。

電力機車負荷、普通負荷加入后發(fā)生A相短路故障時電流突變量測量值分別如圖5（c）、（d）所示?？梢娫?.2 s發(fā)生A相短路故障后，由于短路電流較大，AC，AB相電流突變量測量值所受諧波干擾基本可以忽略。

綜上所述，相間電流突變量啟動算法受負荷沖擊性影響較大，在負荷加入后的2個周波內(nèi)波動范圍很大，若按該線路實際額定線電流400 A計算，啟動元件的整定值為138 A，由圖5（a）可知，此時已經(jīng)引起啟動元件啟動。穩(wěn)態(tài)時（電力機車加入2個周波后），受諧波的影響，所測相電流突變量的變化范圍稍大（0～80 A），但其影響有限，尚不至于造成保護啟動元件誤啟動。當(dāng)故障時，由于短路電流較大，測得的電流突變量值所受諧波干擾可以忽略，不會造成啟動元件的拒動。

3.3 對半周電流積分啟動算法的影響

半周電流積分啟動算法的依據(jù)是：1個正弦量在任意半個周期內(nèi)絕對值的積分是1個常數(shù)S， 如式（3）所示：

而積分值S可以用梯形法近似求出：

式中：ik為第k次電流采樣值；N為1個電流周波的采樣次數(shù)；i0為k＝0時的采樣值；iN/2為k＝N/2時的采樣值。由式4求出積分值S后，可得電流有效值

圖6（a）、（b）分別是電力機車與普通負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)時，半周電流積分啟動元件所測電流突變量波形圖。對比可知，在0.8 s即負荷加入公用電網(wǎng)系統(tǒng)后，兩種負荷引起電流突變量值的波動都較小。

圖6 半周電流積分啟動算法測得的電流突變量測量值

由于疊加在基頻成份上幅度不大的高頻分量在半周期積分中對稱的正負半周互相抵消，具有一定的濾除高次諧波的能力，特別是電力機車產(chǎn)生的諧波主要是3、5、7次諧波，因此半周電流積分啟動算法所得電流突變量基本不受電力機車產(chǎn)生的諧波影響。

電力機車負荷、普通負荷分別加入后發(fā)生A相短路故障時電流突變量測量值如圖6（c）、（d）所示。由于半周電流積分啟動算法具有一定的濾除高次諧波的能力，所得電流突變量基本不受電力機車所產(chǎn)生的諧波影響。只是半周電流積分啟動算法需要的數(shù)據(jù)窗長度為10 ms，顯然較長。

4 RTDS仿真試驗

實時數(shù)字仿真器 （Real Time Digital Simula-tor，簡稱RTDS），是一種專門用于研究電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)現(xiàn)象的裝置。由于RTDS模擬器是實時的，因此能被直接連接到電力系統(tǒng)控制和保護裝置上。RTDS仿真實驗中采用四方公司CSC-103（B）型線路保護裝置，其啟動元件采用相電流突變量啟動算法，測量元件采用解微分方程算法，且測量元件前置了獨立的濾波模塊。

同PSCAD仿真結(jié)果一樣，由于電鐵負荷的沖擊特性及啟動定值設(shè)置較小，導(dǎo)致線路保護的啟動元件頻繁啟動，只能通過提高啟動元件整定值才能避免，但這又嚴重影響了保護裝置的PT斷線判別。由于保護裝置采用了較好的濾波元件，實驗中未發(fā)現(xiàn)保護測量元件有誤動作，說明線路保護裝置若采用濾波效果較好的濾波措施，能夠保證保護測量元件的正常工作。

5 結(jié)語

通過上述分析可知，相電流突變量啟動算法及相間電流突變量啟動算法受負荷沖擊性影響較大，在負荷加入后的2個周波內(nèi)波動范圍很大，極易引起啟動元件的誤啟動。穩(wěn)態(tài)時（即電力機車加入2個周波以后），受諧波的影響，電力機車負荷加入后相電流突變量和相間電流突變量的變化范圍較普通負荷略大，但尚不至于引起啟動元件誤動作。可見這兩種算法在電鐵負荷占總負荷比重較大的地區(qū)使用時，需將保護啟動定值適當(dāng)放大，以避免電鐵負荷沖擊性影響。

半周電流積分啟動算法所受負荷沖擊性影響較小，且具有一定的濾除高次諧波的能力，因電力機車產(chǎn)生的諧波主要是3、5、7次諧波，半周電流積分啟動算法所得電流突變量基本不受電力機車所產(chǎn)生的諧波影響?？梢娫撍惴m然靈敏度不如其它兩種算法，但應(yīng)用于電鐵負荷占總負荷比重較大的地區(qū)時可靠性較好。

[1]張直平.城市電網(wǎng)諧波手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

[2]吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].北京：中國電力出版社，1998.

[3]胡玉峰，尹項根，陳德樹，等.TCSC的繼電保護數(shù)字仿真研究[J].電力系統(tǒng)自動化，2002.26（16）：39-44.

[4]楊奇遜，黃少鋒.微型機繼電保護基礎(chǔ)（第2版）[M].北京∶水利電力出版社，2005.

[5]王梅義.電網(wǎng)繼電保護應(yīng)用[M].北京∶中國電力出版社，1999.

[6]楊奇遜，劉建飛，張濤，等.現(xiàn)代微機保護技術(shù)的發(fā)展與分析[J].電力設(shè)備，2003，4（5）∶10-14.

[7]許正亞.輸電線路新型距離保護[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[8]陳皓.微機保護原理及算法仿真[M].北京：中國電力出版社，2007.

[9]郭征，賀家李，楊洪平，等.電力系統(tǒng)故障時繼電保護裝置動態(tài)特性的數(shù)字仿真[J].電力系統(tǒng)自動化,2003，27（11）∶38-40.