采用地面开关自动过分相技术的牵引网馈线保护动作行为分析

秦晓宇，高仕斌

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

采用地面开关自动过分相技术的牵引网馈线保护动作行为分析

秦晓宇，高仕斌

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

摘要:针对地面开关自动过分相技术，对动车组过电分相时可能发生的暂态过程以及异相短路故障进行研究，得出常规原理的馈线保护无法正确动作的结论。提出基于两供电臂相间电压和超前相电流的距离保护和以高次谐波闭锁的电流速断保护方案，通过对正常负荷、牵引网常规故障等状态下的保护动作行为仿真，验证该保护方案的正确性和有效性，可以共同作为动车组过电分相时的保护策略。

关键词：地面开关自动过分相；暂态现象；异相短路；馈线保护

我国高速铁路主要采用锚段关节式电分相装置，通过分段换相在牵引变电所出口或者两变电所之间的分区所之间实现电气隔离，使电力系统三相负荷电流对称[1]。当电力机车或动车组过分相时需要采取合适的过分相方式，常见的有柱上式自动过分相、车载断电自动过分相以及地面开关自动过分相。其中地面过分相具有断电时间短、无供电死区和降低列车过分相的速度损失等优点，有利于满足高速列车的运行要求，目前我国也在推广使用[2]。但真空开关操作会造成暂态过电压过流现象，另外，如果地面开关自动切换失败，还会造成牵引网异相短路故障，这会导致传统馈线保护元件动作异常[3]，严重危害高速铁路的安全运行，因此对采用该种过分相技术的馈线保护动作行为进行分析具有重大的意义。

本文研究了地面开关过分相的暂态过程，在分析电力机车过分相时可能发生的暂态现象和异相故障的基础上，判断了常规原理馈线保护的动作行为，并提出了改进的保护方案。

1地面开关过分相的过程及现象

1.1供电臂出现合闸过电压和冲击电流

地面开关过分相是通过控制地面上的真空负荷开关来完成机车过分相的，如图1所示[4]。无车通过时K1和K2均断开，中性段无电；当机车到A位置时，K1闭合，中性段由α相供电；当车进入中性段达到B处还未到C处时，K1和K2均断开；当机车到达C处，K2随即闭合，中性段切换至β相供电；待机车离开D后，K2断开，恢复至初始状态，过分相结束。

图1　地面开关自动过分相示意图Fig.1 Schematic diagram of automatic phase-separation passing mode with switches on ground

电力机车过分相是一个振荡的暂态过程，电路上各点的响应是暂态分量与瞬态分量的叠加，在开关开断的过程中会出现暂态过电压、过电流的现象。文献[4]详细分析了机车进出过分相的暂态过程，但所用模型简化了牵引网和机车内部的结构。文献[5]提到，中性段由左臂切换到右臂供电的过程相当于机车主变压器进行了一次有载合闸，合闸过电压和中性段残压的共同作用使机车变压器产生励磁涌流，合闸侧会出现幅值较高且波形畸变的冲击电流。

1.2牵引变电所出口发生异相短路

地面开关自动过分相技术的应用虽然有利于高速行车，但是并不能保证机车完全安全通过电分相，如果出现地面开关自动切换失败的情况，则电分相两侧不同相的供电臂会经电弧短路，产生的电弧会造成接触网设备烧毁的严重后果[6]。

图2　锚段关节式电分相布置图Fig.2 Arrangement diagram of phase-separation Using anchor segment joint type

目前高速铁路采用的是锚段关节式电分相装置，如图2所示。当机车从α相过渡到中性段始端时会产生稳定的电弧，并短接供电臂和中性段，使中性段带α相电，而当机车接近中性段末端时，其与β相供电臂的电场逐渐增大，从而形成另一段电弧，该电弧会短接中性段和β相供电臂，所以这两段电弧最终使得α相供电臂和β相供电臂短接，造成异相短路。

2传统馈线保护的局限性分析

电力机车过分相是在牵引网上发生的，因此需要馈线保护装置来保障机车的安全运行。目前我国高速铁路基本沿用普速铁路的继电保护技术，其中馈线保护主要采取距离保护和以二次谐波闭锁的电流速断保护[7]。

2.1合闸冲击电流使电流速断保护误动

以α相为例，电流速断保护原理如下所示，β相的原理框图与之类似[7]。

图3　电流速断保护原理框图Fig.3 Schematic diagram of instantaneous trip current protection

图3中：Iset为电流整定值；I1和I2为电流基波和二次谐波的有效值。 过分相产生的冲击电流可能会达到负荷电流的9倍之多，因此会造成电流速断保护元件误动，列车会失去动力被迫停运，对铁路运营造成很大影响[3]。

2.2异相短路使距离保护拒动

我国高速铁路馈线距离保护普遍采用四边形特性以获得更好的稳定性和灵敏度，通过测量阻抗落入保护区的范围来判断并动作[8]。传统的馈线距离保护是利用式(1)，利用2个供电臂的母线电压和相电流来计算短路阻抗[9-10]。

考虑到我国高速客运专线目前多采用V/x接线变压器，本文以此为例，分析保护在牵引变电所出口处发生异相短路时的动作情况，图4为归算至低压侧的变压器等值电路图。

图4　归算到负荷端口的变压器等值电路Fig.4 Equivalent circuit of traction substation seen from 27.5 kV

图4中Eα和Eβ分别为归算到负荷侧的等值电源；Zs和Zarc表示中性线电阻和电弧电阻。在不考虑机车负荷情况下，假定电弧电阻为线性的，按照等效电路图搭建简单模型并仿真，得出如下的关系图：

图5　异相短路时电压电流和电弧电阻的关系Fig.5 Relationship between voltage current and arc resistance when the arc wrong phase short circuit occurs

由图5可知：随着电弧电阻的增大，超前相母线电压Uba(UTβ)变大，滞后相电压Uca(UTα)降低，故障电流Id减小，两臂测量阻抗往往落在动作区以外，距离保护拒动，当电弧电阻更大时，电流速断保护也将拒动。

3仿真验证

以往的仿真研究都简化了牵引网和机车的结构，不能准确反映真实的过分相过程[11]。本文在Matlab/Simulink中搭建了电源—牵引网—动车组的仿真系统来验证理论分析的正确性

图6　牵引供电系统仿真模型Fig.6 Simulation model

动车组模块的原型为CRH380，采用的是两电平PWM整流，内部具体结构如下所示，机车主变压器的容量是5MVA，变比为27.5kV/1.5kV。

图7　动车组模型Fig.7 Train model

3.1合闸过电压和冲击电流的仿真

假设动车组已经进入中性段，中性段由α臂供电，0.02s时刻开关K2合闸，中性段切换至β相供电臂供电，此时感应到牵引变压器二次侧的电压电流变化情况如下所示。

(a)α相供电臂电压波形；(b)β相供电臂电压波形图8　K2闭合时两供电臂电压波形图Fig.8 Waveforms of the voltage in two power supply sections when K2 switches off

可以看出：中性段从由α臂供电切换到由β臂供电的过程中，两个供电臂均出现了暂态过电压，其中α相供电臂牵引变压器二次侧的暂时过电压最大值为48.5 kV，是正常供电电压的1.24倍，β相供电臂的最大电压值为59.6 kV，为正常供电电压的1.53倍。

在K2闭合时，机车主变压器合闸侧电流波形如图9(a)所示，由于非周期分量的存在，合闸侧涌流波形发生明显的畸变，并会注入到β相牵引变压器的低压侧，如图(b)所示，但是冲击电流的二次谐波含量相较于其他高次谐波较小，使得二次谐波闭锁条件作用不大，电流速断保护元件将会误动。

3.2异相短路的仿真

考虑到线性电阻不能反应出异相电弧短路时各个点电压电流的动态特性，因此本文建立了Cassie电弧模型[12-14]，并设置在中性线与2个供电臂的相连处，电弧内部结构如下所示。

在此模型下，得到电弧长度是60cm时保护安装处的电压电流波形。可以看出测量电压UTα和UTβ之间的幅值和相位接近，测量电流Ig为正弦波，各测量量的波形均有一定的畸变，而相间电压Uαβ畸变最严重，波形近似呈方波。

(a)α臂电流波形；(b)谐波情况图9　机车主变合闸侧电流波形图及谐波情况Fig.9 Waveform of the current on the transformer closing side of the train and the harmonic situation

图10　Cassie电弧仿真模块内部具体结构Fig.10 Internal structure of Cassie arc simulation model

图11　电弧长度为60 cm时电压电流波形Fig.11 Waveforms of the voltage and current when the length of the arc is 60 cm

结合实际情况，将电弧长度分别设为60，80，100和120cm，得出不同长度的电弧异相短路时两个供电臂上距离保护装置测得的阻抗值，如表2所示。

表2不同电弧长度时两供电臂距离保护测量阻抗

Table2Impedancemeasuredbydistanceprotection

电弧长度60cm80cm100cm120cmUTα/kV)22.7722.5222.2522.01ZTα/(Ω)5.3195.2685.2175.172φTα/(°)172.79171.6170.44169.21UTβ/(kV)24.6224.8825.1425.42ZTβ/(Ω)5.7515.8205.8945.973φTβ/(°)-14.8-15.69-16.79-17.811933247030113549ITα/(A)4281427542654256

由表中数据可知，异相短路发生时，α相供电臂上的测量阻抗ZTα(Ω)和落在第二象限，β相供电臂上的测量阻抗ZTβ(Ω)落在第四象限，使得传统四边形特性距离保护不能正确动作，因此需要对原有保护加以改进。

4保护配置及验证

根据测量电压电流波形畸变的特点，对不同长度电弧下各保护测量量进行谐波分析，将各个量三次谐波有效值与基波有效值之比列于表3，进行了如下对比：

表3不同电弧长度时测量电压电流3次谐波含量

Table3Tripleharmoniccontentofvoltageandcurrentwithdifferentarclength

电弧长度/cm6080100120UTα(3)/UTα(1)(%)3.213.744.184.41UTβ(3)/UTβ(1)(%)2.893.423.834.25Uαβ(3)/Uαβ(1)(%)26.2126.5926.2525.53Ig(3)/Ig(1)(%)3.654.314.975.61

表3数据显示两供电臂相电压和电流的3次谐波含量不超过10%，但是故障相间电压的3次谐波与基波有效值的比值在25%以上。因此可以利用3次谐波在相间电压中含量高这一特点，作为保护的动作判据之一。

综上所述，本论文提出了基于两供电臂相间电压和超前相电流的距离保护方案：

图12　保护原理框图Fig.12 Schematic diagram of the protection

为了验证保护的准确性，对Uαβ和ITα在正常负荷、异相短路时的相位关系进行分析。

(a)正常状态时；(b)异相短路图13　正常情况和异相短路时的电压电流相量图Fig.13 Voltage /current phasor diagram under normal state and wrong-phase short-circuit condition

图13表明正常运行时两供电臂对地电压相位差为60°，电压Uαβ滞后负荷电流的角度为60°-φα；当发生异相短路时，两供电臂对地电压相位差很小，且Uαβ和故障电流Id基本同相。

同时为了保证保护方案能够在其他故障发生时可靠不误动，此处以α相供电臂发生牵引网常规故障为例进行保护原理的验证，并得出了这两种状态下测量阻抗在复平面的示意图。

图14　不同状态下的测量阻抗Fig.14 Impedance measured by developed protection under different conditions

分析图14得出：异相短路时阻抗值较小，由于电压电流基本同相，所以电抗值近似为0；当牵引网不同位置处发生故障时，测量阻抗值较大，并且电阻值为负，电抗值为正，可见此时相间电压超前电流的角度大于90°。

因此用电压Uαβ和电流ITα作为输入电压和电流的阻抗继电器，测得的阻抗模值、阻抗角有较大区别，能够区分正常负荷、异相短路以及牵引网常规故障这3种情况。

在此基础上，本文进一步对保护方案在各种运行状态下的动作情况进行仿真，结果如表4所示。证明了提出的保护方案是可靠灵敏的。

对于电流速断保护，则根据冲击电流高次谐波丰富的特点，在过电流的基础上附加高次谐波闭锁条件，保证动车过分相时保护不误动。

表4　基于两臂相间电压和超前相电流的保护测量阻抗

5结论

1)采用地面开关自动过分相技术，可能会导致牵引变电所出口发生异相短路故障，此时两供电臂对地电压很高，导致传统的馈线距离保护元件测出的阻抗值很大，并且阻抗角使得测量阻抗落在动作区以外，保护无法正确动作。

2)机车过分相的过程伴随开关的操作，使得牵引变压器低压侧出现幅值较高的冲击电流，且二次谐波含量相比于高次谐波较少，导致馈线电流速断保护误动。

3)本文提出了基于两供电臂相间电压和超前相电流的距离保护，发现在正常负荷运行、供电臂发生常规故障和异相短路这三种状态下，测量阻抗的模值、阻抗角以及相间电压三次谐波含量方面有着较大的差别，改进后的保护方案能够区分上述不同情况。

4)在电流速断保护的基础上附加机车主变合闸侧电流高次谐波含量判据作为闭锁条件，和改进的距离保护共同作为动车组过电分相时的保护策略。

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Analysis on operating features of traction electricnetwork feeder protection using ground switch automaticpassing phase-separation device

QIN Xiaoyu，GAO Shibin

(SchoolofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:The transient process and wrong phase short-circuit may occur when EMU passing through the electrical phase-splitter by using the Ground Switch Automatic Passing Phase-separation Device, and the mis-operation of traditional feeder protection in this case was proved. The paper put forward a distance protection based on phase-to-phase voltage between the two supply arms and the leading phase current, and the current instantaneous trip protection with higher harmonic restraint. The correctness and effectiveness of the protection principle were verified by simulations in the conditions of normal state and conventional fault in traction network, indicating the combined protection can be used as the complete protection strategy for passing phase-separation.

Key words:ground switch automatic passing phase-separation device; transient process; wrong-phase short-circuit; feeder protection

收稿日期：2015-11-27

通讯作者：高仕斌(1964-),男,湖北随州人,教授,博士,从事继电保护与变电站综合自动化方面研究；E-mail: gaoshibin@swjtu.cn

中图分类号：TM771

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0971-07