220 kV线路距离保护在VX接线牵引变压器短路时的测量阻抗分析

汤大海，严国平 ，易 新

（1.镇江供电公司，江苏 镇江 212001；2.江苏省电力公司，江苏 南京 210024）

0 引言

沪宁城际铁路、京沪高速铁路及其他目前国内设计的高速铁路220 kV供电的牵引变电所均由2回独立可靠的220 kV电源供电，接成线路变压器组；牵引变电所内220 kV牵引变压器均采用了2台单相牵引变压器接成V/X接线［1-2］，一台V/X接线的牵引变压器运行，另一台V/X接线的牵引变压器固定备用，共设置4台单相牵引变压器。220 kV线路故障时，由备自投装置完成牵引变压器供电的自动切换。2回220 kV供电线路均配置2套完整的线路保护［3-9］（沪宁城际的线路两侧保护为光纤分相电流差动保护和相间距离、接地距离、零序电流等保护，京沪高铁只在220 kV线路的电源侧配置了2套相间距离、接地距离、零序电流等保护）。V/X接线牵引变压器使得220 kV系统的供电负载不均衡，除正常运行时产生负序电流对线路距离保护产生影响［1，10-15］外，其低压侧短路时，对电源侧变电所的220 kV线路距离保护的测量阻抗和动作特性也有所影响。不同于电网中常规变压器相应的短路情况，对V/X接线牵引变压器进行220 kV线路距离保护整定计算非常困难，且无资料参考。分析表明对其进行保护定值整定时，不能按常规变压器进行整定处理，否则将产生整定错误。由于牵引变压器的V/X接线是由2个极性相反的V/V接线构成的，所以先对V/V接线变压器低压侧短路进行短路电流分析和220 kV线路距离保护进行测量阻抗分析，在此基础上进一步分析V/X接线变压器低压侧短路时220 kV线路距离保护的测量阻抗，为铁路牵引供电的220 kV线路保护整定计算提供理论依据。

1 V/V接线牵引变压器低压侧短路电流分析

首先分析V/V接线牵引变压器的短路电流及其对线路距离保护的测量阻抗的影响。图1是采用220 kV电源供电的V/V接线铁路牵引供电系统，其中220 kV铁路牵引变电所通过220 kV三相交流线路供电，由2台单相牵引变压器接成V/V接线构成1台完整的铁路牵引变压器运行。牵引变压器低压侧b相接地并接铁轨，a相接上行铁路电气化机车负载，c相接下行铁路电气化机车负载。

图1 V/V接线铁路牵引供电系统图Fig.1 Railway traction power supply system with V/V connection

图2是铁路牵引供电系统的等值电路图，图中所有的参数均折算至铁路牵引变压器高压侧。其中，Zxt为系统等值正序阻抗；ZL为220 kV线路正序阻抗；Z为单相变压器的正序阻抗（已折算至高压侧）；EA、EB、EC为电源电势；图中 A′、B′、C′与 a、b、c 之间对应牵引变压器的等值电路［8，16］。

图2 V/V接线铁路牵引供电系统的等值电路Fig.2 Equivalent circuit of railway traction power supply system with V/V connection

1.1 V/V接线牵引变压器低压侧两相短路

假设电源系统对称，系统等值阻抗和线路阻抗对称，根据图 2 有 EA=αEB=α2EC，其中 α=ej120°。以 ab两相短路为例，则220 kV线路电流为：IA=-IB，IC=0，即220 kV线路没有零序电流。根据回路电压，列出方程如下：

因为电源的中性点电位为0，则供电变电所220kV母线上电压分别为：

同理，可推导出牵引变压器低压侧bc、ca两相短路时的220 kV线路电流和供电变电所220 kV母线电压如式（7）—（10）所示，其中式（7）、（9）对应 bc两相短路，式（8）、（10）对应 ca 两相短路。

1.2 V/V接线牵引变压器低压侧三相短路

同样假设电源系统对称，根据回路电压，结合图2可列出方程如下：

由式（13）可知，牵引变压器低压侧三相短路时，220 kV线路没有零序电流。解式（11）—（13），可得：

因为电源的中性点电位为0，所以供电变电所220 kV母线电压分别为：

2 V/V接线牵引变压器短路时220 kV线路距离保护测量阻抗分析

2.1 V/V接线牵引变压器两相短路时测量阻抗分析

以ab两相短路为例，根据上述短路电流分析结果，推导出220 kV线路相间距离保护的AB相测量阻抗为：

同理可得BC相和CA相测量阻抗为：

按同样的分析方法可推导出220 kV线路接地距离保护的测量阻抗为：

其中，K=（Z0-Z1）/（3Z1），为 220 kV 线路零序补偿系数，Z1为220 kV线路正序阻抗，Z0为220 kV线路零序阻抗；I0为220 kV线路短路或牵引变压器低压侧短路时流过为牵引变压器供电的220 kV线路的零序电流（牵引变压器低压侧短路时220 kV供电线路的零序电流为0）。

同理，可推出bc两相短路、ca两相短路时，220kV线路相间距离保护、接地距离保护的测量阻抗如式（26）—（37）所示，其中，式（26）—（31)对应 bc 两相短路，式（32）—（37）对应 ca两相短路。

2.2 V/V接线牵引变压器三相短路时测量阻抗分析

根据上述三相短路电流分析结果推导出220 kV线路相间距离保护AB相的测量阻抗为：

同理可得BC相、CA相的测量阻抗为：

用同样的分析方法可推导出220 kV线路接地距离保护的A相测量阻抗为：

同理可得到B相、C相的测量阻抗为：

2.3 220 kV线路距离保护的测量阻抗分析

由2.1节可以看出，在铁路牵引变压器低压侧发生ab两相或bc两相短路时，220 kV线路相间距离保护故障相之间阻抗元件的测量阻抗总是ZL+Z/2，且为最小值，其他2个相间阻抗元件的测量阻抗均大于该值；在铁路牵引变压器低压侧发生ca两相短路时，220 kV线路相间距离保护故障相之间阻抗元件的测量阻抗为ZL+Z，且为最小值，其他2个相间阻抗元件的测量阻抗均大于该值。在铁路牵引变压器低压侧发生两相短路时，由于系统阻抗Zxt一般远小于2ZL+Z，所以，此时220 kV线路接地距离保护的测量阻抗值约为相间距离保护阻抗元件的最小测量阻抗值的并有30°的角度偏移。

由于Zxt+ZL一般远小于Z，所以忽略Zxt+ZL，由式（38）、式（39）可得三相短路时AB相间和BC相间最小测量阻抗为：

所以，在铁路牵引变压器低压侧发生三相短路时，相间阻抗元件测量阻抗Z3AB、Z3BC均略大于ZL+Z/3，且小于ZL+Z。

由于Zxt+ZL一般远小于Z，所以忽略Zxt+ZL，由式（41）、式（43）可得三相短路时，A相和C相最小测量阻抗为：

所以，在铁路牵引变压器低压侧发生三相短路时，接地阻抗元件测量阻抗Z3A、Z3C均大于ZL+Z/3，接地阻抗元件测量阻抗Z3B=ZL+Z/3。

3 V/X接线牵引变压器短路时线路距离保护测量阻抗分析

3.1 V/X接线牵引变压器绕组分析

铁路牵引变电站变压器一般为2台，其中1台供电，1台备用。每台变压器各由2台接成V/X接线的单相变压器组成［2］（见图3），其中一台单相变压器的T和F接南京方向的上行和下行列车，另一台单相变压器的T′和F′接上海方向的上行和下行列车。每台单相变压器有1个一次绕组和2个二次绕组，一次绕组和2个二次绕组结构对称，出线T和F、出线T′和F′均为反极性，2个二次绕组的另一条出线连接在一起接地并接到铁轨，因此2个二次绕组参数对称。

图3 V/X接线牵引变压器接线图Fig．3 Wiring diagram of traction transformer with V/X connection

3.2 V/X接线牵引变压器短路类型

V/X接线牵引变压器短路类型主要有：

a.1台单相变压器的1个二次绕组或引线对地短路，如一个引线遭雷击，这是最常见的短路；

b.2台单相变压器各有1个二次绕组或引线同时对地短路，这种短路不常见；

c.1台单相变压器的2个二次绕组或引线对地同时短路（简称单相变短路），如跨越铁路的电力线、通信线等断线落在牵引线路和地上；

d.2台单相变压器的2个二次绕组或引线均对地短路（简称全部短路），这种情况主要发生在变压器检修结束忘记拆除接地线时；

e.1台单相变压器的2个二次绕组或引线之间短路（简称单相变引线间短路），如跨越铁路的电力线、通信线等断线落在牵引线路上但未落在地上；

f.2台单相变压器的2个二次绕组或引线之间均短路，这种短路不常见。

3.3 V/X接线牵引变压器短路分析

对于V/X接线牵引变压器短路类型a和b，等值电路如图2所示，分析结论同V/V接线牵引变压器。对于短路类型c，由于每台单相变压器的2个二次绕组参数对称，此时V/V接线牵引变压器的短路和220 kV线路距离保护测量阻抗的分析结论也适用于V/X接线牵引变压器，但牵引变压器的等值参数 Z 变为 Z′，而 Z′=Z1+Z2∥Z3（Z1、Z2、Z3分别为单相变压器一次绕组、2个二次绕组折算到高压侧的等值阻抗，其中Z2=Z3）。对于短路类型e，由于每台单相变压器的2个二次绕组参数对称，牵引变压器的等值参数 Z 变为 Z″，Z″=Z1+（Z2+Z3）×0.52（2 个二次绕组串联，电压为55 kV，即单相变压器一、二次变比标幺值为 0.5），可见 Z″=Z′，则 V/X 接线牵引变压器短路类型c和e的分析结果相同。同理可得V/X接线牵引变压器短路类型d和f的结果相同。

综上，V/V接线牵引变压器的短路和220 kV线路距离保护测量阻抗的分析结论同样适用于V/X接线牵引变压器，但此时Z变为Z′或Z″。

4 仿真试验

在MATLAB中搭建仿真模型，利用2个单相变压器元件模拟V/X接线牵引变压器，通过改变变压器低压侧出线的连接方式设置各种类型的短路故障。仿真模型中根据测量点的短路电流和电压经傅里叶变换元件变换后得到的测量电流、电压的幅值和相位，计算出测量阻抗。

为验证上述推导和结论，需进行ab两相、ca两相短路和abc三相短路试验（bc两相短路与ab两相短路的推导相同，故未进行验证）。为了验证V/X牵引变压器的2个二次绕组或引线对地同时短路时存在Z变为Z′现象，三相短路试验考虑该短路情况。试验参数如下：Zxt=0.44+j5.97 Ω，ZL=0.33+j2.13 Ω；Z1=j18.15 Ω，Z2=Z3=j102.85 Ω，Z=j121 Ω，Z′=Z ″=j69.575 Ω。仿真试验和理论推导结果比较如下。

1台单相变压器（接系统AB相）的1个二次绕组对地短路，理论表达式见式（20）—（25），结果比较见表1。

2台单相变压器各有1个二次绕组或引线同时对地短路，理论表达式见式（32）—（37），结果比较见表2。

2台单相变压器2个二次绕组均对地短路，理论表达式见式（38）—（43），其中 Z 变为 Z′，结果比较见表3。

表1 ab两相短路时理论推导和仿真结果的比较Tab.1 Comparison of measured impedance between theoretical analysis and simulative experiment for a-b inter-phase short circuit

表2 ca两相短路时理论推导和仿真结果的比较Tab.2 Comparison of measured impedance between theoretical analysis and simulative experiment for c-a inter-phase short circuit

表3 三相短路结果比较Tab.3 Comparison of measured impedance between theoretical analysis and simulative experiment for three-phase short circuit

由表1—3可见，理论推导结果和仿真结果是一致的。

5 220 kV线路距离保护整定注意事项

V/X铁路牵引变压器的低压侧单相变短路时，220 kV线路相间距离保护最小测量阻抗为ZL+Z′/2；而牵引变压器低压侧全部短路时，220 kV线路相间距离保护最小测量阻抗均大于ZL+Z′/3，所以为可靠起见，相间距离Ⅰ段或Ⅱ段若按躲过铁路牵引变压器低压侧短路故障整定，建议按式（48）整定，同时相间距离Ⅱ段应保证全线有大于1.5的灵敏度［3-5］。

其中，Zzd为整定阻抗；KK、KKb为可靠系数，一般取0.7～0.8。

同样在铁路牵引变低压侧发生三相短路时，总有一相接地阻抗元件测量阻抗等于ZL+Z′/3，所以接地距离Ⅰ段或Ⅱ段若按躲过铁路牵引变压器低压侧短路故障整定时，也建议按式（48）整定，同时接地距离Ⅱ段应保证全线有大于1.5的灵敏度［3-5］。

6 结语

理论分析和仿真试验表明，若铁路牵引变压器采用V/X接线，则电源侧变电所220 kV线路距离保护在铁路牵引变压器发生短路故障时，该保护相间、接地阻抗元件的测量阻抗不同于电网中常规变压器发生短路故障时的测量阻抗，应引起各继电保护整定计算人员的重视，从而防止继电保护误整定和220 kV线路距离保护越级跳闸事故的发生。该整定结论已运用在沪宁城际铁路（2010年5月投运）和京沪高速铁路牵引变电所（2011年2月投运）的220 kV铁路牵引供电线路保护上，保护运行正常，并已在江苏省内220 kV铁路牵引供电线路保护上推广。由于目前国内设计的牵引变电所内220 kV牵引变压器均采用了V/X接线，该推导结论对国内的220 kV高速铁路牵引线路距离保护的整定具有指导意义。