基于电压比较的牵引供电系统异相短路保护

李辉，李钢，安林，马继政

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京210061）

在单相交流电气化铁路牵引网中，电力机车不降弓通过牵引变电所出口处的电分相绝缘器时，很容易产生受电弓飞弧并最终导致异相高阻电弧短路故障。根据文献[1]，交流单相电气化铁路牵引网相邻两供电区接触导线间发生的异相短路，是一种破坏性极大的近区故障。

对于常规的方向距离保护，本文用线性电阻代替电弧实际电阻，对异相短路时测量阻抗轨迹进行了定性分析，得出常规的方向距离保护在牵引供电系统发生异相短路时，不能可靠动作的结论。文献[2]通过对异相短路故障详细分析，提出了电流速断保护和特殊阻抗保护相配合的方案，但电弧电阻较大时，电流速断不能有效识别异相短路而拒动，此外即使能够动作，其动作时间的不同，最终导致电弧异相短路故障不能断开，这是不允许的。文献[3]提出的通过检测两供电臂相间电压的方法鉴别异相短路的保护方案和文献[4]提出的自适应电压增量保护，都存在灵敏度低、难于整定等缺陷。文献[5]提出了两供电臂相间电压幅值变化及其3次谐波含量比较高这一特点提出的保护方案，因增加了电压互感器提高了经济成本。

1 异相短路故障分析（阻抗轨迹法）

本文以普遍采用的Y/△-11接线的三相变压器为例，其他接线形式的变压器模型可类似建立。牵引变压器模型采用归算到27.5kV三相三角形对称等效电路的参数，电弧电阻用Rg表示，等效电路如图1所示。在馈线保护中，b供电臂引入的电压为，电流为I˙b；c供电臂引入的电压为，电流为其中

图1 牵引变压器异相短路等效电路示意图

基于图1异相短路等效电路模型，在不考虑机车负荷情况下，利用电路原理分析，异相短路后各主要电气量之间存在以下关系：

根据式(1)计算得出两供电臂的测量阻抗式(2)：

利用阻抗轨迹法，根据式(2)在阻抗平面上画出测量阻抗Zb和Zc的轨迹，如图2所示。

图2 异相短路时测量阻抗在阻抗平面上的轨迹

其中当Rg=0时当Rg≠0时并且随着Rg的增大，P点的轨迹是沿着直线在第四象限内远离R轴，Q点的轨迹是沿着直线从第二象限进入第一象限(实际上电弧电阻远小于系统阻抗和变压器阻抗，实测中Q点均分布在第二象限内)。

比较文献[5]的仿真结果，如表1所示数据，也与上述分析的结果一致。

表1 不同弧长时两供电臂测量阻抗

可见，异相短路时两供电臂的测量阻抗远远偏离现行馈线两供电臂的方向阻抗继电器的保护范围，因此现行方向阻抗保护无法对异相短路起到保护作用。

2 异相短路故障电压分析

理论分析，由式(1)变换得式(3)：

由式(3)画出异相短路时两供电臂及其相间的电压向量图，见图3。的轨迹是在的电压上叠加一个以为弦的一个圆弧上，的轨迹是在的电压上叠加一个以为弦的一个圆弧上，其圆周角都是（180°-θZbs）。当Rg=0时和落到同一点O'，此时

图3 异相短路时故障点的电压向量全图

对于Y/△-11接线的三相变压器，故障电压有如下关系：

比较文献[5]的仿真结果，如表2所示数据，也与式（4）相吻合。

表2 不同弧长时故障测量电压

3 异相短路保护

由异相短路时故障电压之间的特征分析，结合电流增量保护，构成其如下动作判据的异相短路的保护：

式中：Uba为超前相供电臂b的故障电压基波有效值；Uca为滞后相供电臂c的故障电压基波有效值；Ubc为两供电臂的故障相间电压基波有效值，此电压可通过两供电臂电压向量计算获得；k为可靠系数，根据经验取k=1.2；Uzd为整定电压值，文献[5]根据经验值取Uzd=0.8Un=22kV，Un为供电臂线电压；Idz为整定电流值，根据文献[6]，结合一台机车的启动电流，同时考虑异相短路时容许的最大电弧过渡电阻确定的最小电流值来进行整定。

此异相短路保护的供电臂相间Ubc电压是通过两馈线保护装置互相引入对方电压计算得出。当异相短路发生时，当式(4)满足条件后，识别到异相短路故障，两供电臂馈线保护装置根据自身的电流增量保护能可靠动作切除故障。

针对本文提出的基于电压比较的异相短路保护，利用文献[3]仿真数据和现场故障数据对该保护进行了动作情况分析，结果见表3、表4，其分析结果可以得出此保护方案是可靠的、灵敏的。

表3 异相短路保护的动作情况

表4 合武线金寨牵引变电所发生异相短路的实测数据

4 结束语

通过对牵引供电系统异相短路故障特征的分析，提出了一种借助于两供电臂电压以及相间电压的异相短路识别方法，结合仿真和实测数据分析表明，该方案对异相短路具有较好的识别能力。在馈线保护装置中引入这种异相短路识别信号，结合馈线保护装置中已有的电流增量判据构成的异相短路保护方案，能够可靠地判别异相短路故障，克服了传统方向阻抗保护的缺陷。此异相短路识别方法也适合其他接线方式牵引变压器。该保护方案在传统保护装置的基础上，不需要增加额外的硬件设备，只需在软件上增加异相短路识别逻辑就可实现，具有很好的可靠性、经济性。

[1] 贺威俊.电力牵引网异相短路保护动作特性分析[J].铁道学报，1986，8（1）：36-46.

[2] 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）：24-27.

[3] 李冀昆.牵引供电系统异相短路保护原理的研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[4] 高仕斌.高速铁路牵引供电系统新型保护原理研究[D].成都：西南交通大学，2004.

[5] 张艳霞，周营营，陈鸿雁.牵引供电系统异相短路保护的新方案[J].电力系统自动化，2008，32（7）：53-56.

[6] 林国松，高仕斌，李群湛.基于故障分量相关分析的供电牵引网异相短路保护[J].电力系统自动化，2007，31（6）：82-85.