李輝，李鋼，安林，馬繼政

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

在單相交流電氣化鐵路牽引網(wǎng)中，電力機(jī)車不降弓通過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)接觸導(dǎo)線間發(fā)生的異相短路，是一種破壞性極大的近區(qū)故障。

對于常規(guī)的方向距離保護(hù)，本文用線性電阻代替電弧實(shí)際電阻，對異相短路時(shí)測量阻抗軌跡進(jìn)行了定性分析，得出常規(guī)的方向距離保護(hù)在牽引供電系統(tǒng)發(fā)生異相短路時(shí)，不能可靠動(dòng)作的結(jié)論。文獻(xiàn)[2]通過對異相短路故障詳細(xì)分析，提出了電流速斷保護(hù)和特殊阻抗保護(hù)相配合的方案，但電弧電阻較大時(shí)，電流速斷不能有效識(shí)別異相短路而拒動(dòng)，此外即使能夠動(dòng)作，其動(dòng)作時(shí)間的不同，最終導(dǎo)致電弧異相短路故障不能斷開，這是不允許的。文獻(xiàn)[3]提出的通過檢測兩供電臂相間電壓的方法鑒別異相短路的保護(hù)方案和文獻(xiàn)[4]提出的自適應(yīng)電壓增量保護(hù)，都存在靈敏度低、難于整定等缺陷。文獻(xiàn)[5]提出了兩供電臂相間電壓幅值變化及其3次諧波含量比較高這一特點(diǎn)提出的保護(hù)方案，因增加了電壓互感器提高了經(jīng)濟(jì)成本。

1 異相短路故障分析（阻抗軌跡法）

本文以普遍采用的Y/△-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似建立。牽引變壓器模型采用歸算到27.5kV三相三角形對稱等效電路的參數(shù)，電弧電阻用Rg表示，等效電路如圖1所示。在饋線保護(hù)中，b供電臂引入的電壓為，電流為I˙b；c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

基于圖1異相短路等效電路模型，在不考慮機(jī)車負(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量阻抗式(2)：

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

圖2 異相短路時(shí)測量阻抗在阻抗平面上的軌跡

其中當(dāng)Rg=0時(shí)當(dāng)Rg≠0時(shí)并且隨著Rg的增大，P點(diǎn)的軌跡是沿著直線在第四象限內(nèi)遠(yuǎn)離R軸，Q點(diǎn)的軌跡是沿著直線從第二象限進(jìn)入第一象限(實(shí)際上電弧電阻遠(yuǎn)小于系統(tǒng)阻抗和變壓器阻抗，實(shí)測中Q點(diǎn)均分布在第二象限內(nèi))。

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

表1 不同弧長時(shí)兩供電臂測量阻抗

可見，異相短路時(shí)兩供電臂的測量阻抗遠(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)無法對異相短路起到保護(hù)作用。

2 異相短路故障電壓分析

理論分析，由式(1)變換得式(3)：

由式(3)畫出異相短路時(shí)兩供電臂及其相間的電壓向量圖，見圖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

對于Y/△-11接線的三相變壓器，故障電壓有如下關(guān)系：

比較文獻(xiàn)[5]的仿真結(jié)果，如表2所示數(shù)據(jù)，也與式（4）相吻合。

表2 不同弧長時(shí)故障測量電壓

3 異相短路保護(hù)

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

式中：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，此電壓可通過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=22kV，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)容許的最大電弧過渡電阻確定的最小電流值來進(jìn)行整定。

此異相短路保護(hù)的供電臂相間Ubc電壓是通過兩饋線保護(hù)裝置互相引入對方電壓計(jì)算得出。當(dāng)異相短路發(fā)生時(shí)，當(dāng)式(4)滿足條件后，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)場故障數(shù)據(jù)對該保護(hù)進(jìn)行了動(dòng)作情況分析，結(jié)果見表3、表4，其分析結(jié)果可以得出此保護(hù)方案是可靠的、靈敏的。

表3 異相短路保護(hù)的動(dòng)作情況

表4 合武線金寨牽引變電所發(fā)生異相短路的實(shí)測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

通過對牽引供電系統(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的異相短路識(shí)別方法，結(jié)合仿真和實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，該方案對異相短路具有較好的識(shí)別能力。在饋線保護(hù)裝置中引入這種異相短路識(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。此異相短路識(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。

[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[D].成都：西南交通大學(xué)，2004.

[5] 張艷霞，周營營，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.