高速铁路10 kV 配电所继电保护的研究

2011-06-21樊祥叶北京交通大学电气工程学院上海铁路局机务处

上海铁道增刊 2011年3期

樊祥叶北京交通大学电气工程学院（上海铁路局机务处）

随着我国高速铁路的快速发展，安全是保证快捷便利的首要前提，作为给铁路沿线通信、信号等重要负荷供电的10 kV配电所，必须保证继电保护装置的灵敏、可靠，才能确保供电系统的稳定运行。

1 高速铁路10 kV 电力供电系统

高速铁路的10 kV 电力贯通供电系统主要由10 kV（35 kV）变配电所及电力贯通线路两部分组成。设置在铁路沿线，根据电源分布情况和方便检修的原则确定，一般为40～60 km；从配电所馈出2 条10 kV 电力线路，沿铁路敷设给铁路区间负荷点供电，分为一级负荷贯通线和综合负荷贯通线。贯通线两端的铁路变配电所通过贯通线高压开关柜内电压互感器与断路器联锁均能为其供电。为保证区间负荷的供电质量，铁路变配电所设有调压器，通过调压器向贯通线供电。

2 10 kV 配电所的保护设置

高速铁路10 kV 配电所应配置电流速断与过电流保护、零序电流速断与过电流保护、低电压与定时限低电压保护等三种保护方式。

2.1 电流速断及过电流保护

10 kV 线路电流速断保护装置的动作电流(应躲过线路末端短路时最大三相短路电流)：Iopk=KrelKjxI2k3maxA/nTA

灵敏度系数(按最小运行方式下线路始端两相短路电流I1k2min校验)：Ksen=I1k2min/Iopk≥2

Krel-可靠系数，一般取1.3；Kjx-接线系数，接于相电流时取1，接于相电流差时取；I2k3max-最大运行方式下线路末端三相短路超瞬态电流；nTA-电流互感器变比。

由多个断路器保护的多级线路，按公式计算出的电流速断整定值比较大，一般不能保护本线路的全长；而10 kV 贯通线路都是单独运行的，可采取减小整定值来扩大电流速断保护的范围和提高灵敏度，为防止误动作，通常将电流速断整定值取为过电流整定值的4～5 倍。

10 kV 线路的过电流保护装置的动作电流(应躲过线路的负荷电流)：Iop.k≤KrelKjxIghA/(KrnTA)

灵敏度系数（按最小运行方式下线路末端两相短路电流I2k2min校验）：Ksen=I2k2min/Iopk≥2

Igh-线路过负荷（包括电动机启动所引起的）电流，当有电动机时一般取2～3 倍的额度电流，当无电动机时一般取1.3～1.5 倍的额定电流；Kr-继电器返回系数，取0.85。

2.2 零序电流速断及过电流保护

高速铁路10 kV 贯通线路采用单芯电缆，绝大多数故障为单相接地故障。贯通线路供电系统中的某条线路发生接地故障时，故障线路上将流过上百安培的接地短路电流，这样就为零序电流保护的定值选择留有充分的余地。对于零序电流速断保护，线路发生单相接地故障时要有迅速灵敏的反应，及时开断故障线路。因此，尽管零序电流的保护整定值选择空间大，但其定值必须满足单相接地故障时灵敏度的要求：Iop.k≤Ijd/Ksen

式中Ijd代表故障线路的接地短路电流，Ksen为灵敏系数，在铁路贯通线电流保护中一般取1.5。

发生单相直接接地故障时，故障相的接地短路电流为：Ijd=3U/(X1∑+X2∑+X0∑+3R0)

X1∑、X2∑、X0∑分别为系统总的正序、负序、零序阻抗；R0为中性点接地电阻；U为线路的额定相电压。

装设零序速断保护是为了切断系统中发生单相直接接地短路故障线路。然而线路的接地故障并非只有直接接地一种，有时是经过一个过渡电阻接地的。这个过渡电阻的大小难以判断。以往为增大对过渡电阻的适应裕度，保证线路末端保护有足够的灵敏度，零序过流保护值要尽量取小，通常在30～80 A 不等。

为了提高线路发生经过渡性电阻接地故障时保护动作的灵敏性，并防止发生误动，可以根据实际情况计算出每条馈线上的电容电流，零序过流保护的整定值需躲过其他线路发生金属性接地故障时本线路所通过的电容电流。所以保护装置的动作电流按躲过被保护线路外部单相接地故障时，从被保护元件流出的电容电流ICX来整定。

Iop.k≥KrelICX

此时，Krel一般取1.5～2；ICX为非故障线路的电容电流。根据电缆线路的电容模型，输电电缆的正（负）序电容为：

C=3C2+C1

C2-单位长度电缆导体之间的部分电容，对于高铁贯通线路C2=0；C1-导体与电缆外皮之间的部分电容。

于是非故障线路的电容电流为：

ICX=ωC1UL

U-线路的额定相电压；L-线路长度。

2.3 低电压与定时限低电压保护

按躲过正常运行时可能出现的最低工作电压整定，保护装置的动作电压：Uopk=UminV/(KrelKrnTA)

Krel-可靠系数，一般取1.2；Kr-继电器返回系数，取1.15；Umin-运行中可能出现的最低工作电压，一般取0.5～0.7 倍的额定电压；nTA-电压互感器变比。

低电压保护一般用于贯通馈线回路，作为电流保护的后备保护。由于贯通馈线距离较长，负荷容量也随铁路运营情况和环境温度而变化。根据实际经验，一般其二次侧整定值取25 V，动作时限为0 s。

定时限低电压保护的整定方法同低电压一致，只是在取Umin时可能有一些差别。在铁路10 kV 配电所中，电源进线回路一般设定时限低电压保护，Umin一般取0.7 倍的额定电压。由于配电所设的电压互感器的二次额定电压为100 V，所以其整定值一般为70 V，动作时间一般整定为1 s。

3 系统仿真

根据上述分析，可以通过建立10 kV 贯通线路系统仿真模型来分析保护装置的设置是否合理：系统阻抗为Z=0.5677Ω，调压器采用400 kVA，短路电压百分比为4%，零序阻抗为ZT0=11.25 Ω，将其等效为电源内阻抗。中性点采用10 Ω 小电阻接地，贯通线路为单芯YJV22-8.7/10 kV 的全电缆线路，电缆截面为95mm2，长60 km，电缆电容为C1=0.223μF/km,C0=0.223μF/km；交流电阻为R0=0.296 Ω/km；电感为L1=0.326 mH/km,L0=0.593 mH/km；线路阻抗的正序和零序参数分别为Z1=0.31+j0.101 Ω/km，Z0=0.296+j0.186 Ω/km。两端线路区间中每隔10 km 或20 km 距离分别带有容量为30 kVA、50 kVA 的负荷。

首先，计算出此线路的额定电流9.24 A，计算出过电流保护的整定值28 A；选取电流速断保护的整定值112 A。当线路末端发生单相直接接地故障时的故障电流约为178 A，零序过电流整定值取36.3 A。

假设线路发生单相接地短路故障，设定不同的故障位置和不同的过渡电阻，由线路始端保护侧测得故障相的短路电流和零序电流（电流速断一），铁路贯通线特点整定的电流速断（电流速断二），详见表1、表2。

表1 Rf=0 单相接地故障分析结果

表2 线路末端单相接地故障分析结果

从表1、2 中可以看出，以往的电流速断保护不能保护到线路的末端，而采用针对铁路贯通线特点整定的电流速断则对线路末端发生的短路故障均能动作，并且还有一定的耐过渡电阻性；零序电流保护在发生线路末端的不对称短路时均能动作，但是零序故障电流受过渡电阻的影响较大，当过渡电阻较大时，保护的灵敏度下降。由于本文仿真结果未考虑贯通线路电抗器补偿作用，在有电抗器补偿的情况下，零序保护的整定值可适当减小以增加零序保护的灵敏度。