李 輝，李 鋼，安 林，馬繼政，史耀政

0 引言

在單相交流電氣化鐵路牽引網(wǎng)中，電力機(jī)車(chē)不降弓通過(guò)牽引變電所出口處的電分相絕緣器時(shí)，很容易產(chǎn)生受電弓飛弧并最終導(dǎo)致異相高阻電弧短路故障。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，交流單相電氣化鐵路牽引網(wǎng)相鄰兩供電區(qū)接觸線間發(fā)生的異相短路是一種破壞性極大的近區(qū)故障。

本文針對(duì)牽引供電系統(tǒng)異相短路的特征，利用電壓向量圖法對(duì)兩供電臂電壓和供電臂相間電壓進(jìn)行定性分析?；诋愊喽搪窌r(shí)兩供電臂電壓和供電臂相間電壓之間關(guān)系的故障特征，提出了一種新的識(shí)別異相短路保護(hù)，它可以結(jié)合電流增量保護(hù)來(lái)構(gòu)成異相短路保護(hù)新方案。

1 異相短路故障分析（阻抗軌跡法）

本文以普遍采用的Y/Δ-11 接線的三相變壓器為例，其他接線形式的變壓器模型可類(lèi)似建立。牽引變壓器模型采用歸算到27.5 kV 三相三角形對(duì)稱(chēng)等效電路的參數(shù)，電弧電阻用Rg表示，等效電路圖如圖1 所示。在饋線保護(hù)中，b 供電臂引入的電壓為，電流為供電臂引入的電壓為電 流 為。其 中：

圖1 牽引變壓器異相短路等效電路示意圖

基于異相短路等效電路模型，在不考慮機(jī)車(chē)負(fù)荷情況下，利用電路原理分析，異相短路后各主要電氣量之間存在以下關(guān)系：

根據(jù)式（1）計(jì)算得出兩供電臂的測(cè)量阻抗：

利用阻抗軌跡法，根據(jù)式（1）在阻抗平面上畫(huà)出測(cè)量阻抗Zb和Zc的軌跡，如圖2 所示。

圖2 異相短路時(shí)測(cè)量阻抗在阻抗平面上的軌跡圖

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，如表1 數(shù)據(jù)，也與上述分析的結(jié)果一致。

表1 不同弧長(zhǎng)時(shí)兩供電臂測(cè)量阻抗比較表

可見(jiàn)，異相短路時(shí)兩供電臂的測(cè)量阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離現(xiàn)行饋線兩供電臂的方向阻抗繼電器的保護(hù)范圍，因此現(xiàn)行方向阻抗保護(hù)無(wú)法對(duì)異相短路起到可靠保護(hù)作用。

2 異相短路故障電壓分析（電壓向量圖法）

理論分析，由式（1）變換得式（3）：

由式（3）畫(huà)出異相短路時(shí)兩供電臂及其相間的電壓向量圖，如圖3，的軌跡是在的電壓上疊加一個(gè)以為弦的一個(gè)圓弧上，的軌跡是在的電壓上疊加一個(gè)以為弦的一個(gè)圓弧上，其圓周角都是（180°? θzbs）。當(dāng)Rg= 0 時(shí)，和落 到 同 一 點(diǎn) O′，此 時(shí)

圖3 異相短路時(shí)故障點(diǎn)的電壓向量全圖

對(duì)于Y/Δ-11 接線的三相變壓器，故障電壓有如下關(guān)系：

根據(jù)文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，如表2 數(shù)據(jù)，也與公式（4）相吻合。

表2 不同弧長(zhǎng)時(shí)故障測(cè)量電壓表

3 異相短路保護(hù)

由異相短路時(shí)故障電壓間的特征分析，結(jié)合電流增量保護(hù)，構(gòu)成如下動(dòng)作判據(jù)的異相短路保護(hù)：

Uba為超前相供電臂b 的故障電壓基波有效值；Uca為滯后相供電臂c 的故障電壓基波有效值；Ubc為兩供電臂的故障相間電壓基波有效值，該電壓可通過(guò)兩供電臂電壓向量計(jì)算獲得；k 為可靠系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取k = 1.2；Uzd為整定電壓值，文獻(xiàn)[5]根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取Uzd= 0.8UN= 22 kV，UN為供電臂線電壓；Idz為整定電流值，根據(jù)文獻(xiàn)[6]，結(jié)合一臺(tái)機(jī)車(chē)的啟動(dòng)電流，同時(shí)考慮異相短路時(shí)容許的最大電弧過(guò)渡電阻確定的最小電流值進(jìn)行整定。

該異相短路保護(hù)的供電臂相間Ubc電壓是通過(guò)兩饋線保護(hù)裝置互相引入對(duì)方電壓計(jì)算得出。異相短路發(fā)生時(shí)，當(dāng)式（4）滿(mǎn)足條件后，識(shí)別到異相短路故障，兩供電臂饋線保護(hù)裝置根據(jù)自身的電流增量保護(hù)能可靠動(dòng)作切除故障。

針對(duì)本文提出的基于電壓比較的異相短路保護(hù)，利用文獻(xiàn)[3]仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)故障數(shù)據(jù)對(duì)該保護(hù)進(jìn)行了動(dòng)作情況分析，結(jié)果見(jiàn)表3、表4，其分析結(jié)果可以得出該保護(hù)方案是可靠的、靈敏的。

表3 合武線金寨牽引變電所發(fā)生異相短路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)牽引供電系統(tǒng)異相短路故障特征的分析，提出了一種借助于兩供電臂電壓以及相間電壓相比較的異相短路保護(hù)，結(jié)合仿真和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，該保護(hù)對(duì)異相短路故障具有較好的識(shí)別能力。在饋線保護(hù)裝置中引入該異相短路識(shí)別信號(hào)，結(jié)合饋線保護(hù)裝置中已有的電流增量判據(jù)構(gòu)成的異相短路保護(hù)方案，能夠可靠地判別異相短路故障，克服了傳統(tǒng)方向阻抗保護(hù)的缺陷。該異相短路識(shí)別方法也適合其他接線方式牽引變壓器。該保護(hù)方案在傳統(tǒng)保護(hù)裝置的基礎(chǔ)上，不需要增加額外的硬件設(shè)備，只需在軟件上增加異相短路識(shí)別邏輯就可實(shí)現(xiàn)，具有很好的可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

表4 異相短路保護(hù)的動(dòng)作情況表

各種運(yùn)行情況 Uba/kV Uca/kV Ubc/kV ∠Uba?∠Uca 保護(hù)動(dòng)作情況ba 臂空載ca 臂接地出口10 km 處 23.42 13.52 26.02 85.29° 不動(dòng)作ba 臂空載供ca 臂接地出口0 km 處 23.81 0 23.81 90.15° 不動(dòng)作電臂ba 臂空載電流551 A發(fā)ca 臂接地出口10 km 處 21.66 0 21.66 82.69° 不動(dòng)作生接ca 臂空載地ba 臂接地出口10 km 處 13.49 26.01 23.46 64.04° 不動(dòng)作短路ca 臂空載ba 臂接地出口0 km 處 0 23.82 23.82 30.00° 不動(dòng)作ca 臂負(fù)載電流464 A ba 臂接地出口0 km 處 0 21.83 21.83 35.89° 不動(dòng)作異相短電bc a a弧臂臂長(zhǎng)空負(fù)度載載電1 2流00 5 c3m 8 A 28.01 21.31 18 37.80° 不動(dòng)作路故障 c電baa 弧 臂臂長(zhǎng) 負(fù)負(fù)度 載載電電1 2流流0 027 c63m72 AA 25.35 19.75 18 42.53° 不動(dòng)作

[1] 賀威俊.電力牽引網(wǎng)異相短路保護(hù)動(dòng)作特性分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，1986，8（1）：36-46.

[2] 高仕斌，王毅非，張勁.牽引變電所異相短路故障及常規(guī)饋線保護(hù)動(dòng)作行為分析[J].鐵道學(xué)報(bào)，2000，22（4）：24-27.

[3] 李冀昆.牽引供電系統(tǒng)異相短路保護(hù)原理的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2004.

[4] 高仕斌.高速鐵路牽引供電系統(tǒng)新型保護(hù)原理研究[M].成都：西南交通大學(xué)，2004.

[5] 張艷霞，周營(yíng)營(yíng)，陳鴻雁.牽引供電系統(tǒng)異相短路保護(hù)的新方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（7）：53-56.

[6] 林國(guó)松，高仕斌，李群湛.基于故障分量相關(guān)分析的供電牽引網(wǎng)異相短路保護(hù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31（6）：82-85.