牵引变电所相间短路保护

牵引变电所相间短路保护及其分析

张长梅1 楚振宇2

(成都铁路局成都供电段;铁道第二勘察设计院电化处 四川 成都610031)

摘 要:本文针对西南山区电气化铁路经常发生的牵引变电所相间短路现象进行了原理及特性分析,运用电路原理对牵引变电所在牵引、再生等多种负荷工况下发生相间短路时的电气参数进行了系统的仿真计算,对目前通行牵引网馈线保护在各种工况下对相间短路的响应进行了分析,得出在现行馈线保护中,距离保护无法保护牵引变电所相间短路、电流保护受变压器接线形式和整定方法影响较大;结合仿真计算结果和实际动作记录数据对现行保护配置下提高牵引变电所相间短路保护可靠性的措施进行了分析,并对增加阻抗保护范围等新的措施进行了初步探讨。 关键词:牵引变电所,相间短路,电弧,阻抗保护

1

2

Analysis on phase-to-phase fault for AC traction substation

Zhang Changmei1, Chuzhenyu2

(1 Chengdu Power Supply Segment of Chengdu Railway Bureau, Chengdu 610031, China;

2 The Second Survey and Design Institute of Railways, Chengdu 610031, China)

Abstract : Principle analysis on phase-to-phase faults for AC traction substation, which often arise in electrification railways of southwest China, are present, the simulation calculation on phase-to-phase faults considering many kinds of operation and the response characteristic of regular feeder protections are given in this paper. are discussed. And the new protection method on phase-to-phase faults are discussed. Key : traction substation, phase-to-phase fault, arc, impendence protection

1 引言

我段管内电气化铁路位于西南山区,由于气候潮湿多雾,分相装置污秽严重;受地形和线路条件影响,司机了望比较困难,经常出现电力机车带电通过电分相造成牵引变电所相间短路,部分所馈线电流保护动作,个别所馈线保护拒动并曾造成越级跳闸。本文对我段管内两种接线牵引变电所相间短路的电气特性、现行馈线保护的响应进行了分析,并对改进措施进行了初步探讨。

生沿面放电导致无电区带电;由于分相绝缘器表面附着物潮湿且富含导电金属颗粒,沿面放电可以持续相当一段时间;当电力机车继续带电前进通过分相绝缘器时,极易形成相间短路【1、2】。相间短路电流的巨大能量造成强烈的弧光放电现象,现场能看到巨大火球,分相绝缘器上有明显的烧灼痕迹。

国内外对电弧的研究表明,电弧阻抗呈阻性,其数值受电弧长度、电压等级、材质、环境(湿度、温度、风速)等诸多因素影响【3、4】。IEEE Std 1584TM -2002经过试验给出了208V ~15kV 间电弧电流和能量的估算公式,并表示理论上可推广至任何电压【3】。然而由于缺乏足够的实验数据支持,在研究15kV 以上中压配电系统时,电弧电阻R h 目前多采用著名的Warrington 公式进行估算【4、5】:

R h

8750I

1. 4

2 相间短路的形成及电弧电阻

我段管内采用器械式电分相装置,由三段采用合成绝缘材料、空气间隙0.5m 的分段绝缘器组

成;无电区长约30米,列车通过电分相的时间大约为1.8~3.6s 。由于分相绝缘器和接触线相连的接头线夹处存在硬点且空气潮湿多雾,机车受电弓与接触线磨擦产生的金属粉末极易附着在绝缘器件底部;空气中悬浮颗粒密度较大,介电系数下降较多。当机车受电弓在负载取流情况下由有电区行进至无电区时,极易在分相绝缘器表面产

*

L 0. 305

Ω

其中,L 为电弧长度(m ),I 为短路电流(A ); 将实际短路电流(见表4)带入并估取电弧长度为2~3米(电弧向上伸展长度增加)并带入上式,可计算得电弧电阻在2~5Ω左右,这与通过

实际保护记录推算出的电弧电阻基本相当。

归算到27.5kV 侧的等效电路;系统阻抗(Zs =jXs )和变压器阻抗(Zb=Rb+jXb) 采用归算到27.5kV 三相星形对称等效电路的参数;电弧电阻用R h 表示。两种不同变压器接线型式下在不考虑机车牵引负荷影响时,相间短路的计算原理图和各主要电气量的原理表达式见表1。

3 相间短路的电气分析与计算

3.1 原理分析

运用电路原理可以对我段管内Yn,d11接线和阻抗匹配Y/V平衡接线两种牵引变压器接线型式的相间短路进行分析计算,变电所数学模型采用

忽略负荷影响时两种变压器接线型式下相间短路的计算原理图和各主要电气量的原理表达式 表1

a 、b 、c 或α、β表示二次侧端口;I d (2)为牵引变电所相间短路电流,单位A 。

由表1,相间短路电流和测量阻抗的规律相当明显:

(1)Yn,d11接线变压器的相间短路电流I d

等于馈线出口处接地短路电流;Y/V平衡接线的

(2)

I d 等于馈线出口处接地短路电流的√2/2

(2)

倍(约

70.7%)

(2)测量阻抗的电阻分量由系统电抗Xs 、变

压器电抗X b 组成,电抗分量由R h 和变压器电阻R b 组成;由于X b 远大于R b 且R h 较小,电阻分量远大于电抗分量,测量阻抗贴近R 轴;

(3)滞后相测量阻抗总是分布在四象限;引前相测量阻抗从理论上看随R h 的增大从二象限延伸至一象限,而实际上R h 较小,实测中均分布在二象限;

(4)两种不同变压器接线型式下相间短路时的电压向量图见图1和图2,显然滞后相端口电压要高于引前相端口电压,实测数据也证明了这点(见表4)。

3.2 仿真计算

选取我段两座不同接线型式、经常发生相间短路的牵引变电所的实际电气参数,运用节点导

纳矩阵法并忽略各种负荷影响对相间短路时的各电气量进行了仿真计算,表2给出了端口电压向量的轨迹图、相间短路电流与馈线短路电流和电流保护整定值的比较示意图以及测量阻抗与阻抗保护整定范围的关系示意图(表中各电气量曲线中字符标示端为电弧电阻最大时的结果)。 表2

分析仿真结果可知:

(1)当电弧电阻R h 有限时,滞后相端口电压总是大于并引前于引前相端口电压,实测数据(见表1)均证明了此点;理论上随着R h 的增加,滞后相端口电压先增加后减小,引前相端口电压先减小后增加,当R h =∞时,各端口电压回归正常;Yn,d11接线的动作记录证明滞后相端口电压会出现高于27.5kV 的现象;

(2)相间短路电流I d (2)总是引前于滞后相端口电压和引前相端口电压;随着R h 的增加,I d 逐渐减小;相对于馈线出口处接地短路电流而言,Y/V平衡接线的I d (2)较小,只有馈线出口处接地短

(2)

路电流的70.7%,Yn,d11接线的I d 等于馈线出口处接地短路电流,相对较大;

(3)由于电阻分量远大于电抗分量,因此测量阻抗十分贴近R 轴,实测数据也证明了此点。

(2)

(1)由于山区电气化铁路外部电源条件较差、牵引变压器容量较小,系统阻抗和变压器阻抗较大,导致测量阻抗远离阻抗保护范围,因此不论Yn,d11接线还是Y/V平衡接线,现行馈线距离保护无法动作;

(2)对于Yn,d11接线牵引变电所,由于I d (2)

(2)

较大(等于馈线出口处接地短路电流),I d 通常大于馈线电流速断保护整定值,馈线电流速断保护一般都能正确动作切除故障;

(3)对于Y/V平衡接线,I d (2)相对较小,当电流速断按供电臂末端短路电流进行整定且供电臂

(2)

较短时,I d 总是小于该馈线电流速断保护整定值,造成馈线电流保护无法启动;当R h 较大致使引前相母线电压较低时,还会造成变电所27.5kV 引前相主变出口断路器低压跳闸,扩大了故障影响范围。

4.2 机车牵引负荷下相间短路对馈线保护响应行为的影响

实际运行中两供电臂电流速断保护动作时的电流测量值多数都存在150A 左右的差异。根据仿真结果,发生相间短路时接触网电压仍然较高,依然能向机车供电。以下以Yn,d11接线牵引变电所为例,将牵引负荷等效成感性阻抗,运用节点

4 各种负荷条件对馈线保护装置响应影响的分析

目前牵引网馈线设距离保护作为主保护,设电流速断保护消除死区并作为距离保护的近后备保护;阻抗保护多采用方向性四边形阻抗或偏移平行四边形特性,其整定方法为ab 边按线路阻抗整定,bc 边按最小负荷阻抗整定;电流速断保护按供电臂末端短路电流或最大负荷进行整定。

【7】

4.1 不计机车牵引负荷影响的馈线保护响应 导纳矩阵可对牵引负荷对相间短路的影响进行计

由表2中各图不难发现在现行馈线保护下: 算,结果见表3。

Yn,d11牵引变电所相间短路时牵引负荷对各端口电气量影响的仿真计算结果 表3

分析表3的仿真计算结果可知:

(1)在牵引工况下发生相间短路时,牵引负荷的存在使得两端口电压比无牵引负荷时均有所下降,但维持在较高的水平(接近20kV ),仍具有向机车供电的能力;这与实际动作记录数据规律相符;

(2)牵引负荷的存在使得两端口电流不再相

等,有150A 左右的差距且总是滞后相电流大于引前相电流,这与实际动作记录数据(见表4)也相符;该差异相比I d 比例较小,对电流保护的影响并不大;

(3)牵引负荷的存在相当于在端口并联一个阻

抗,故各端口测量阻抗模值减小;滞后相测量阻抗位于四象限,电阻分量(绝对值,下同)和电

(2)

抗分量(绝对值,下同)均小幅减小向R 轴靠拢;引前相测量阻抗位于二象限,电阻分量减小而电抗分量增加且变化幅度大于滞后相测量阻抗并也向R 轴靠拢;由于机车等效阻抗远大于系统阻抗和变压器阻抗,因此总体上无论负荷如何分布,对测量阻抗的影响较小,测量阻抗的分布区域依然且远离保护范围,如图3中曲线2、3、4所示。

4.3 其它工况下牵引变电所相间短路对保护响应行为的影响

同样道理,我们还可对两个供电臂有再生负荷、牵引负荷及其组合等各种工况下牵引变电所相间短路时各电气量进行仿真计算,结果显示: (1)再生负荷使端口电压上升且使引前相电流大于滞后相电流;电流的差距对电流保护的影响同样较小;对测量阻抗的影响整体较小,测量阻抗的分布区域变化并不明显,如图3中曲线5、6、7所示;

(2)当一臂牵引、另一臂再生时,两端口电压和电流的差距均增加,测量阻抗的分布区域变化同样并不明显,如图3中曲线8、9所示。

将各种工况组合下牵引变电所相间短路时测量阻抗分布集中显示在一起(见图3),并与常规馈线距离保护在交—直型机车的牵引负荷、再生

负荷及其组合下的测量阻抗分布【6】

(见图4)对

比可知,对于交—直型电力机车,相间短路下的测量阻抗相对于馈线正常负荷时分布规律特征比较明显。

5 对相间短路保护的讨论

5.1 电流速断保护

山区电气化铁路供电臂一般为2~3个区间,长度多在15~25km 。由上述分析可知,Y/V平衡接线牵引变电所的I (2)d 相对较小,当电流速断按供电臂末端短路电流进行整定时,多数供电臂电流

速断保护整定值往往大于I (2)

d 从而无法保护相间短路,实际运行中造成断路器越级跳闸;对于

Yn,d11接线牵引变电所,I (2)

d 相对较大,基本上大于电流速断保护整定值;而当供电臂长度极短、系统阻抗极大时,电流速断保护依然难以保护相间短路。 为提高电流保护灵敏度,电流速断保护可按供电臂最大负荷电流进行整定【7】,则在两种变压器接线型式下均能保护相间短路,实际运行中保护动作实例见表4。

5.2 阻抗保护

根据上述分析,相间短路时测量阻抗远远偏离现行馈线阻抗保护的保护范围,因此现行阻抗保护无法对相间短路起到保护作用。

文献【8、9】提出在增设新的阻抗保护:阻抗继电器输入电压采用自由相电压(即端口间电

压),电流采用引前相电流,测量阻抗呈阻性。该方法在馈线供电线较短时能有效识别相间短路故障,但一套保护装置需要同时从两相母线取电压信号,检修中需加以注意。

对比图3和图4可知,在各种工况下相间短路时测量阻抗的分布范围特征非常明显,因此可以考虑建立新的阻抗保护或在现行馈线阻抗保护中增加相间短路的保护范围来保护相间短路。

5.3 电流增量(△I )保护

一般情况下山区电气化铁路一方面外部电源条件一般较差,而另一方面线路坡度大(个别线路达到24‰)使得牵引负荷较重,使得最大负荷电流已经接近供电臂末端短路电流;对于复线铁路还会出现经过分区所迂回供电的相间短路,此时电流速断保护依然难以对相间短路做出正确响应。通过计算易知,I (2)d 还是远远大于单个列车的牵引电流或启动电流,因此可以考虑设置电流增

量保护作为辅助保护。目前WKH 等微机馈线保护装置均已提供电流增量保护,可按供电范围内最大功率的列车启动电流整定,可靠系数取1.2,时限可取0.1~0.5s 。

我段牵引变电所相间短路保护装置动作实测数据

(均为电流速断保护动作)

表4

牵引变电所G :Y n,d11接线,W X B -63型微机保护装置

记录馈线电流电压阻抗角1滞后1848A 28350V 343.69引前1848A 22067V 157.892

滞后1928A 25595V 347.69引前1886A

22943V

160.29

牵引变电所L :Y/V平衡接线,WXB-71型微机保护装置

1滞后1064A 22.2kV ——引前1042A 16.1kV ——2

滞后引前

1370A

20.2kV

——

5.4 实践与应用

供电臂末端短路电流通常大于供电臂最大负荷电流,电流速断保护可按最大负荷电流进行整定以提高灵敏度【7】

。根据以上讨论我段对部分变电所馈线电流速断保护定值进行了调整,对原按照供电臂末端短路电流进行整定的调整为按照最大负荷电流进行整定。调整后馈线电流速断均能在相间短路时正确动作,未再出现越级跳闸现象,其中几次牵引变电所相间短路典型动作数据见表4。

6 结论

本文对我段管内Yn,d11和Y/V平衡两种接线牵引变电所相间短路及其影响因素进行了分析和仿真计算,并且得出:

(1)对于相间短路较为频繁的山区单线电气化铁路,供电臂电流速断保护取供电臂最大负荷电流进行整定,多数情况下能够在相间短路时正确动作;

(2)现行馈线阻抗保护无法保护牵引变电所相间短路;根据测量阻抗特征可考虑增设新型阻抗保护或对现行馈线阻抗保护增加保护范围; (3)在电流速断保护对相间短路灵敏度不足时,可采用电流增量(△I )保护作为辅助保护。

参考文献 1、席春堂 郭力 关于分相绝缘器性能的探讨与对比[J] 电气化铁道 2002,(4), pp.29-31

2、赵朝蓬 分相绝缘器在运营中存在的问题及采

取的措施[J] 电气化铁道 2000,(4), pp.31-33

3、IEEE Std 1584TM

-2002 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations[S],2002 4、Pirjo Heine etc A Method for Estimating the Frequency and Cost of V oltage Sags[J] IEEE Transactions on Power System, VOL. 17, No.2, May 2002, pp.290-296

5、Seppo Pettissalo etc A new application for fault location in distribution networks[R] TESLA REPORT No.34/2000 6、李汝军 吴树强 浅谈电力机车再生制动对馈线保护的影响[J] 电气化铁道 2000,(2), pp5-8 7、贺威俊 张淑琴等 晶体管与计算机继电保护原理[M] 成都:西南交通大学出版社,1990

8、贺威俊 电力牵引异相短路保护动作特性分析[J] 铁道学报 1986,8(1)

9、高仕斌 王毅非 张劲 牵引变电所异相短路故障及常规馈线保护动作行为分析[J] 铁道学报 2000,22(4), pp24-27

作者简介:张长梅 成都铁路局成都供电段,工程师,四川 成都610031 电话:(028)86422260 通讯地址:四川成都北站东一路9号成都供电段 邮政编码 610031

电子信箱:[email protected]

作者简介:楚振宇 铁道第二勘察设计院电化处,高级工程师,成都610031,电话:(028)86445343 通讯地址:四川成都通锦路3号铁二院电化处 邮政编码 610031

电子信箱:[email protected]

Analysis on phase-to-phase fault for AC traction

substation

Zhang Changmei1, Chuzhenyu2

(1 Chengdu Power Supply Segment of Chengdu Railway

Bureau, Chengdu 610031, China;

2 The Second Survey and Design Institute of Railways,

Chengdu 610031, China)

8、HE Weijun Analysis on Operating Features against Phase-to-phase Short Circuit for Electric Traction [J] JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY , 1986,8(1), pp36-46 9、Gao Shibin,WANG Yifei,ZHANG Jin Analysis on Fault and Operating Features of Feeder Protection against Wrong-phase Short Circuit for AC Traction Substation [J] JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY, 2000,22(4), pp24-27

Abstract : Principle analysis on phase-to-phase faults for AC traction substation, which often arise in electrification railways of southwest China, are present, the simulation calculation on phase-to-phase faults considering many kinds of operation and the response characteristic of regular feeder protections are given in this paper. are discussed. And the new protection method on phase-to-phase faults are discussed.

Key : traction substation, phase-to-phase fault, arc, impendence protection

REFERENCES

1、XI Chuntang GUO Li Comparation and Discussion on Section Insulators[J] ELECTRIC RAILWAY 2002,(4), pp.29-31 2、ZHAO Zhaopeng Measurements for the Problems Existing in Operation of Section Insulators[J] ELECTRIC RAILWAY 2000,(4), pp.31-33 3、IEEE Std 1584-2002 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations[S],2002 4、Pirjo Heine etc A Method for Estimating the Frequency and Cost of V oltage Sags[J] IEEE Transactions on Power System, VOL. 17, No.2, May 2002, pp.290-296

5、Seppo Pettissalo etc A new application for fault location in distribution networks[R] TESLA REPORT No.34/2000

6、LI Rujun WU Shuqiang Brief Discussion on Regenerated braking of Electric Locomotives on Feeder Line Protection [J] ELECTRIC RAILWAY 2000,(2), pp5-8 7、HE Weijun ZHANG Shuqin Principle of Thyrisister Protection and Computer Protection[M] Chengdu :Press of Southwest Jiaotong University,1990

TM

牵引变电所相间短路保护及其分析

张长梅1 楚振宇2

(成都铁路局成都供电段;铁道第二勘察设计院电化处 四川 成都610031)

摘 要:本文针对西南山区电气化铁路经常发生的牵引变电所相间短路现象进行了原理及特性分析,运用电路原理对牵引变电所在牵引、再生等多种负荷工况下发生相间短路时的电气参数进行了系统的仿真计算,对目前通行牵引网馈线保护在各种工况下对相间短路的响应进行了分析,得出在现行馈线保护中,距离保护无法保护牵引变电所相间短路、电流保护受变压器接线形式和整定方法影响较大;结合仿真计算结果和实际动作记录数据对现行保护配置下提高牵引变电所相间短路保护可靠性的措施进行了分析,并对增加阻抗保护范围等新的措施进行了初步探讨。 关键词:牵引变电所,相间短路,电弧,阻抗保护

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Analysis on phase-to-phase fault for AC traction substation

Zhang Changmei1, Chuzhenyu2

(1 Chengdu Power Supply Segment of Chengdu Railway Bureau, Chengdu 610031, China;

2 The Second Survey and Design Institute of Railways, Chengdu 610031, China)

Abstract : Principle analysis on phase-to-phase faults for AC traction substation, which often arise in electrification railways of southwest China, are present, the simulation calculation on phase-to-phase faults considering many kinds of operation and the response characteristic of regular feeder protections are given in this paper. are discussed. And the new protection method on phase-to-phase faults are discussed. Key : traction substation, phase-to-phase fault, arc, impendence protection

1 引言

我段管内电气化铁路位于西南山区,由于气候潮湿多雾,分相装置污秽严重;受地形和线路条件影响,司机了望比较困难,经常出现电力机车带电通过电分相造成牵引变电所相间短路,部分所馈线电流保护动作,个别所馈线保护拒动并曾造成越级跳闸。本文对我段管内两种接线牵引变电所相间短路的电气特性、现行馈线保护的响应进行了分析,并对改进措施进行了初步探讨。

生沿面放电导致无电区带电;由于分相绝缘器表面附着物潮湿且富含导电金属颗粒,沿面放电可以持续相当一段时间;当电力机车继续带电前进通过分相绝缘器时,极易形成相间短路【1、2】。相间短路电流的巨大能量造成强烈的弧光放电现象,现场能看到巨大火球,分相绝缘器上有明显的烧灼痕迹。

国内外对电弧的研究表明,电弧阻抗呈阻性,其数值受电弧长度、电压等级、材质、环境(湿度、温度、风速)等诸多因素影响【3、4】。IEEE Std 1584TM -2002经过试验给出了208V ~15kV 间电弧电流和能量的估算公式,并表示理论上可推广至任何电压【3】。然而由于缺乏足够的实验数据支持,在研究15kV 以上中压配电系统时,电弧电阻R h 目前多采用著名的Warrington 公式进行估算【4、5】:

R h

8750I

1. 4

2 相间短路的形成及电弧电阻

我段管内采用器械式电分相装置,由三段采用合成绝缘材料、空气间隙0.5m 的分段绝缘器组

成;无电区长约30米,列车通过电分相的时间大约为1.8~3.6s 。由于分相绝缘器和接触线相连的接头线夹处存在硬点且空气潮湿多雾,机车受电弓与接触线磨擦产生的金属粉末极易附着在绝缘器件底部;空气中悬浮颗粒密度较大,介电系数下降较多。当机车受电弓在负载取流情况下由有电区行进至无电区时,极易在分相绝缘器表面产

*

L 0. 305

Ω

其中,L 为电弧长度(m ),I 为短路电流(A ); 将实际短路电流(见表4)带入并估取电弧长度为2~3米(电弧向上伸展长度增加)并带入上式,可计算得电弧电阻在2~5Ω左右,这与通过

实际保护记录推算出的电弧电阻基本相当。

归算到27.5kV 侧的等效电路;系统阻抗(Zs =jXs )和变压器阻抗(Zb=Rb+jXb) 采用归算到27.5kV 三相星形对称等效电路的参数;电弧电阻用R h 表示。两种不同变压器接线型式下在不考虑机车牵引负荷影响时,相间短路的计算原理图和各主要电气量的原理表达式见表1。

3 相间短路的电气分析与计算

3.1 原理分析

运用电路原理可以对我段管内Yn,d11接线和阻抗匹配Y/V平衡接线两种牵引变压器接线型式的相间短路进行分析计算,变电所数学模型采用

忽略负荷影响时两种变压器接线型式下相间短路的计算原理图和各主要电气量的原理表达式 表1

a 、b 、c 或α、β表示二次侧端口;I d (2)为牵引变电所相间短路电流,单位A 。

由表1,相间短路电流和测量阻抗的规律相当明显:

(1)Yn,d11接线变压器的相间短路电流I d

等于馈线出口处接地短路电流;Y/V平衡接线的

(2)

I d 等于馈线出口处接地短路电流的√2/2

(2)

倍(约

70.7%)

(2)测量阻抗的电阻分量由系统电抗Xs 、变

压器电抗X b 组成,电抗分量由R h 和变压器电阻R b 组成;由于X b 远大于R b 且R h 较小,电阻分量远大于电抗分量,测量阻抗贴近R 轴;

(3)滞后相测量阻抗总是分布在四象限;引前相测量阻抗从理论上看随R h 的增大从二象限延伸至一象限,而实际上R h 较小,实测中均分布在二象限;

(4)两种不同变压器接线型式下相间短路时的电压向量图见图1和图2,显然滞后相端口电压要高于引前相端口电压,实测数据也证明了这点(见表4)。

3.2 仿真计算

选取我段两座不同接线型式、经常发生相间短路的牵引变电所的实际电气参数,运用节点导

纳矩阵法并忽略各种负荷影响对相间短路时的各电气量进行了仿真计算,表2给出了端口电压向量的轨迹图、相间短路电流与馈线短路电流和电流保护整定值的比较示意图以及测量阻抗与阻抗保护整定范围的关系示意图(表中各电气量曲线中字符标示端为电弧电阻最大时的结果)。 表2

分析仿真结果可知:

(1)当电弧电阻R h 有限时,滞后相端口电压总是大于并引前于引前相端口电压,实测数据(见表1)均证明了此点;理论上随着R h 的增加,滞后相端口电压先增加后减小,引前相端口电压先减小后增加,当R h =∞时,各端口电压回归正常;Yn,d11接线的动作记录证明滞后相端口电压会出现高于27.5kV 的现象;

(2)相间短路电流I d (2)总是引前于滞后相端口电压和引前相端口电压;随着R h 的增加,I d 逐渐减小;相对于馈线出口处接地短路电流而言,Y/V平衡接线的I d (2)较小,只有馈线出口处接地短

(2)

路电流的70.7%,Yn,d11接线的I d 等于馈线出口处接地短路电流,相对较大;

(3)由于电阻分量远大于电抗分量,因此测量阻抗十分贴近R 轴,实测数据也证明了此点。

(2)

(1)由于山区电气化铁路外部电源条件较差、牵引变压器容量较小,系统阻抗和变压器阻抗较大,导致测量阻抗远离阻抗保护范围,因此不论Yn,d11接线还是Y/V平衡接线,现行馈线距离保护无法动作;

(2)对于Yn,d11接线牵引变电所,由于I d (2)

(2)

较大(等于馈线出口处接地短路电流),I d 通常大于馈线电流速断保护整定值,馈线电流速断保护一般都能正确动作切除故障;

(3)对于Y/V平衡接线,I d (2)相对较小,当电流速断按供电臂末端短路电流进行整定且供电臂

(2)

较短时,I d 总是小于该馈线电流速断保护整定值,造成馈线电流保护无法启动;当R h 较大致使引前相母线电压较低时,还会造成变电所27.5kV 引前相主变出口断路器低压跳闸,扩大了故障影响范围。

4.2 机车牵引负荷下相间短路对馈线保护响应行为的影响

实际运行中两供电臂电流速断保护动作时的电流测量值多数都存在150A 左右的差异。根据仿真结果,发生相间短路时接触网电压仍然较高,依然能向机车供电。以下以Yn,d11接线牵引变电所为例,将牵引负荷等效成感性阻抗,运用节点

4 各种负荷条件对馈线保护装置响应影响的分析

目前牵引网馈线设距离保护作为主保护,设电流速断保护消除死区并作为距离保护的近后备保护;阻抗保护多采用方向性四边形阻抗或偏移平行四边形特性,其整定方法为ab 边按线路阻抗整定,bc 边按最小负荷阻抗整定;电流速断保护按供电臂末端短路电流或最大负荷进行整定。

【7】

4.1 不计机车牵引负荷影响的馈线保护响应 导纳矩阵可对牵引负荷对相间短路的影响进行计

由表2中各图不难发现在现行馈线保护下: 算,结果见表3。

Yn,d11牵引变电所相间短路时牵引负荷对各端口电气量影响的仿真计算结果 表3

分析表3的仿真计算结果可知:

(1)在牵引工况下发生相间短路时,牵引负荷的存在使得两端口电压比无牵引负荷时均有所下降,但维持在较高的水平(接近20kV ),仍具有向机车供电的能力;这与实际动作记录数据规律相符;

(2)牵引负荷的存在使得两端口电流不再相

等,有150A 左右的差距且总是滞后相电流大于引前相电流,这与实际动作记录数据(见表4)也相符;该差异相比I d 比例较小,对电流保护的影响并不大;

(3)牵引负荷的存在相当于在端口并联一个阻

抗,故各端口测量阻抗模值减小;滞后相测量阻抗位于四象限,电阻分量(绝对值,下同)和电

(2)

抗分量(绝对值,下同)均小幅减小向R 轴靠拢;引前相测量阻抗位于二象限,电阻分量减小而电抗分量增加且变化幅度大于滞后相测量阻抗并也向R 轴靠拢;由于机车等效阻抗远大于系统阻抗和变压器阻抗,因此总体上无论负荷如何分布,对测量阻抗的影响较小,测量阻抗的分布区域依然且远离保护范围,如图3中曲线2、3、4所示。

4.3 其它工况下牵引变电所相间短路对保护响应行为的影响

同样道理,我们还可对两个供电臂有再生负荷、牵引负荷及其组合等各种工况下牵引变电所相间短路时各电气量进行仿真计算,结果显示: (1)再生负荷使端口电压上升且使引前相电流大于滞后相电流;电流的差距对电流保护的影响同样较小;对测量阻抗的影响整体较小,测量阻抗的分布区域变化并不明显,如图3中曲线5、6、7所示;

(2)当一臂牵引、另一臂再生时,两端口电压和电流的差距均增加,测量阻抗的分布区域变化同样并不明显,如图3中曲线8、9所示。

将各种工况组合下牵引变电所相间短路时测量阻抗分布集中显示在一起(见图3),并与常规馈线距离保护在交—直型机车的牵引负荷、再生

负荷及其组合下的测量阻抗分布【6】

(见图4)对

比可知,对于交—直型电力机车,相间短路下的测量阻抗相对于馈线正常负荷时分布规律特征比较明显。

5 对相间短路保护的讨论

5.1 电流速断保护

山区电气化铁路供电臂一般为2~3个区间,长度多在15~25km 。由上述分析可知,Y/V平衡接线牵引变电所的I (2)d 相对较小,当电流速断按供电臂末端短路电流进行整定时,多数供电臂电流

速断保护整定值往往大于I (2)

d 从而无法保护相间短路,实际运行中造成断路器越级跳闸;对于

Yn,d11接线牵引变电所,I (2)

d 相对较大,基本上大于电流速断保护整定值;而当供电臂长度极短、系统阻抗极大时,电流速断保护依然难以保护相间短路。 为提高电流保护灵敏度,电流速断保护可按供电臂最大负荷电流进行整定【7】,则在两种变压器接线型式下均能保护相间短路,实际运行中保护动作实例见表4。

5.2 阻抗保护

根据上述分析,相间短路时测量阻抗远远偏离现行馈线阻抗保护的保护范围,因此现行阻抗保护无法对相间短路起到保护作用。

文献【8、9】提出在增设新的阻抗保护:阻抗继电器输入电压采用自由相电压(即端口间电

压),电流采用引前相电流,测量阻抗呈阻性。该方法在馈线供电线较短时能有效识别相间短路故障,但一套保护装置需要同时从两相母线取电压信号,检修中需加以注意。

对比图3和图4可知,在各种工况下相间短路时测量阻抗的分布范围特征非常明显,因此可以考虑建立新的阻抗保护或在现行馈线阻抗保护中增加相间短路的保护范围来保护相间短路。

5.3 电流增量(△I )保护

一般情况下山区电气化铁路一方面外部电源条件一般较差,而另一方面线路坡度大(个别线路达到24‰)使得牵引负荷较重,使得最大负荷电流已经接近供电臂末端短路电流;对于复线铁路还会出现经过分区所迂回供电的相间短路,此时电流速断保护依然难以对相间短路做出正确响应。通过计算易知,I (2)d 还是远远大于单个列车的牵引电流或启动电流,因此可以考虑设置电流增

量保护作为辅助保护。目前WKH 等微机馈线保护装置均已提供电流增量保护,可按供电范围内最大功率的列车启动电流整定,可靠系数取1.2,时限可取0.1~0.5s 。

我段牵引变电所相间短路保护装置动作实测数据

(均为电流速断保护动作)

表4

牵引变电所G :Y n,d11接线,W X B -63型微机保护装置

记录馈线电流电压阻抗角1滞后1848A 28350V 343.69引前1848A 22067V 157.892

滞后1928A 25595V 347.69引前1886A

22943V

160.29

牵引变电所L :Y/V平衡接线,WXB-71型微机保护装置

1滞后1064A 22.2kV ——引前1042A 16.1kV ——2

滞后引前

1370A

20.2kV

——

5.4 实践与应用

供电臂末端短路电流通常大于供电臂最大负荷电流,电流速断保护可按最大负荷电流进行整定以提高灵敏度【7】

。根据以上讨论我段对部分变电所馈线电流速断保护定值进行了调整,对原按照供电臂末端短路电流进行整定的调整为按照最大负荷电流进行整定。调整后馈线电流速断均能在相间短路时正确动作,未再出现越级跳闸现象,其中几次牵引变电所相间短路典型动作数据见表4。

6 结论

本文对我段管内Yn,d11和Y/V平衡两种接线牵引变电所相间短路及其影响因素进行了分析和仿真计算,并且得出:

(1)对于相间短路较为频繁的山区单线电气化铁路,供电臂电流速断保护取供电臂最大负荷电流进行整定,多数情况下能够在相间短路时正确动作;

(2)现行馈线阻抗保护无法保护牵引变电所相间短路;根据测量阻抗特征可考虑增设新型阻抗保护或对现行馈线阻抗保护增加保护范围; (3)在电流速断保护对相间短路灵敏度不足时,可采用电流增量(△I )保护作为辅助保护。

参考文献 1、席春堂 郭力 关于分相绝缘器性能的探讨与对比[J] 电气化铁道 2002,(4), pp.29-31

2、赵朝蓬 分相绝缘器在运营中存在的问题及采

取的措施[J] 电气化铁道 2000,(4), pp.31-33

3、IEEE Std 1584TM

-2002 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations[S],2002 4、Pirjo Heine etc A Method for Estimating the Frequency and Cost of V oltage Sags[J] IEEE Transactions on Power System, VOL. 17, No.2, May 2002, pp.290-296

5、Seppo Pettissalo etc A new application for fault location in distribution networks[R] TESLA REPORT No.34/2000 6、李汝军 吴树强 浅谈电力机车再生制动对馈线保护的影响[J] 电气化铁道 2000,(2), pp5-8 7、贺威俊 张淑琴等 晶体管与计算机继电保护原理[M] 成都:西南交通大学出版社,1990

8、贺威俊 电力牵引异相短路保护动作特性分析[J] 铁道学报 1986,8(1)

9、高仕斌 王毅非 张劲 牵引变电所异相短路故障及常规馈线保护动作行为分析[J] 铁道学报 2000,22(4), pp24-27

作者简介:张长梅 成都铁路局成都供电段,工程师,四川 成都610031 电话:(028)86422260 通讯地址:四川成都北站东一路9号成都供电段 邮政编码 610031

电子信箱:[email protected]

作者简介:楚振宇 铁道第二勘察设计院电化处,高级工程师,成都610031,电话:(028)86445343 通讯地址:四川成都通锦路3号铁二院电化处 邮政编码 610031

电子信箱:[email protected]

Analysis on phase-to-phase fault for AC traction

substation

Zhang Changmei1, Chuzhenyu2

(1 Chengdu Power Supply Segment of Chengdu Railway

Bureau, Chengdu 610031, China;

2 The Second Survey and Design Institute of Railways,

Chengdu 610031, China)

8、HE Weijun Analysis on Operating Features against Phase-to-phase Short Circuit for Electric Traction [J] JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY , 1986,8(1), pp36-46 9、Gao Shibin,WANG Yifei,ZHANG Jin Analysis on Fault and Operating Features of Feeder Protection against Wrong-phase Short Circuit for AC Traction Substation [J] JOURNAL OF THE CHINA RAILWAY SOCIETY, 2000,22(4), pp24-27

Abstract : Principle analysis on phase-to-phase faults for AC traction substation, which often arise in electrification railways of southwest China, are present, the simulation calculation on phase-to-phase faults considering many kinds of operation and the response characteristic of regular feeder protections are given in this paper. are discussed. And the new protection method on phase-to-phase faults are discussed.

Key : traction substation, phase-to-phase fault, arc, impendence protection

REFERENCES

1、XI Chuntang GUO Li Comparation and Discussion on Section Insulators[J] ELECTRIC RAILWAY 2002,(4), pp.29-31 2、ZHAO Zhaopeng Measurements for the Problems Existing in Operation of Section Insulators[J] ELECTRIC RAILWAY 2000,(4), pp.31-33 3、IEEE Std 1584-2002 IEEE Guide for Performing Arc-Flash Hazard Calculations[S],2002 4、Pirjo Heine etc A Method for Estimating the Frequency and Cost of V oltage Sags[J] IEEE Transactions on Power System, VOL. 17, No.2, May 2002, pp.290-296

5、Seppo Pettissalo etc A new application for fault location in distribution networks[R] TESLA REPORT No.34/2000

6、LI Rujun WU Shuqiang Brief Discussion on Regenerated braking of Electric Locomotives on Feeder Line Protection [J] ELECTRIC RAILWAY 2000,(2), pp5-8 7、HE Weijun ZHANG Shuqin Principle of Thyrisister Protection and Computer Protection[M] Chengdu :Press of Southwest Jiaotong University,1990

TM


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