基于功率方向的牵引供电异相短路保护研究

孔源

摘要 在历年上海局管内的接触网跳闸信息中，电流增量保护动作于多次异相短路故障。但该保护出口时间长达500ms，巨大的电流造成故障点接触线烧伤、吊弦烧断等后果。对两供电臂电气量进行分析，发现异相短路时功率方向发生了显著的改变。根据该规律建立了基于功率方向的异相短路保护，对此类型故障有又快有准确地识别。

关键词 异相短路 电流增量 电气变化 功率方向 故障识别

1背景

在牵引供电系统运行过程中，分相处由于吊弦断裂、异物搭接、隔开误合、动车组双弓运行等原因容易造成异相短路，产生很大的故障电流。由于异相短路的电压电流特性造成阻抗保护、过流保护等有可能无法识别出故障，往往导致接触线烧伤等严重后果。在牵引供电系统发生异相短路故障时，电流增量保护的灵敏性比普通电流保护和距离保护要高。但在实际应用中，电流增量保护时限长达500ms，过长的动作时间导致接触线烧伤、吊弦烧断等严重后果。经验表明，缩短增量保护的动作时限虽然可以加速切断故障，但也大大增加该保护的误动的可能性。若采用功率方向判断的方法，可以做到快速准确识别异相短路故障且可靠性高，其他的故障类型及正常运行时，保护不会误动作。

2异相短路故障模型

本文取高速铁路最常见的V/X接线形式，根据某牵引变电所实例建立理想模型来分析故障时两供电臂的电压、电流、功率的向量变化。

牵引供电系统中，动车组功率因数接近100%，可以认为是纯电阻;接触网呈阻抗性，电抗大于电阻。

经验表明，在中大型变压器中，短路电抗远远大于短路电阻，所以主变的内阻抗可以认为是纯电抗。外部阻抗 是供电线阻抗与电弧阻抗的总和，其中供电线阻抗接近纯电抗，电弧阻抗为纯电阻，一般为几欧姆。

当 从0向无穷大变化时，即异相短路由金属性短路向非短路变化时，会发生下列变化：

1. 幅值增大， 从90°减小0°。

2. 幅值减小到0，角度从-30°增大60°。

3. 幅值减小到0，角度从60°增大150°。

4.馈线电压 、 分别沿着圆弧变化，圆弧的直径为 。 电压值先增大后减小， 电压值先减小后增大。最终两者都变为各自的电动势，对应于非短路的情况。

考虑负荷电流的影响时，故障模型如图3所示：

当发生异相短路时，两供电臂电压幅值均较高，所以动车组可以正常取流。如果将动车组负荷电流计入系统，相当于在211和213供电臂上并联一个较大的电阻RL。正常动车组负荷电流约几百A，折算为阻抗大约几十Ω。负荷阻抗的存在将使得流出211DL的电流增大，流入213DL的电流减小。具体由后文分析。

3.一次异相短路故障案例分析

3.1故障概况

某牵引所发生了一起异相短路故障，其报文如下：

211DL电流增量出口，重合闸成功，馈线电压：51.58kV，馈线电流：3765A，阻抗角：354.4度。

212DL（沪昆高铁924供电单元）电流增量出口，重合闸成功，馈线电压：53.69kV，馈线电流：1755A，阻抗角：359.6度。

213DL（沪昆高铁925供电单元）电流增量出口，重合闸成功，馈线电压：44.34kV，馈线电流：3390A，阻抗角：161.9度。故障距离：0.80km，下行T-R故障。

由于同一行相邻两供电单元同时跳闸，所以很容易判断这是一起牵引所分相处的异相短路故障。

3.2电气量分析

该牵引所主变为V/X接线形式，其基本参数如下：

额定容量 ：40000kVA/25000kVA/25000kVA

变比：     220kV/27.5kV/27.5kV

短路电压： 10.35%

经过计算可以得到，变压器二次侧短路阻抗为j3.13Ω。查询该牵引所定值表得知，供电线阻抗为j0.461Ω。

一般而言，电弧电阻只有几欧姆，可以认为 ，在此区间内 A，电流增量保护可以正确动作并切除故障。

由于跳闸时，供电臂内有动车组运行，动车组消耗的功率可以认为是纯有功功率。而整个系统的有功功率全部由1#B提供，故而会增大流经211DL的电流，减小流经213DL的电流。

3.3故障时阻抗、过流保护没有动作的原因

以该牵引所为例，其馈线保护整定值如表6：

在AT供电系统中，保护装置计算的馈线阻抗是T线和F线之间的阻抗，由于故障发生在两相T线之间，所以流过F线的电流很小可以忽略不计，阻抗值近似为

经过计算，在本文所分析的模型中，  Ω时，211保护装置测得的阻抗值最小，折算到二次侧为63.55∠2.27°Ω，在阻抗保护动作区外。随着 增大，该阻抗值随之增大，且角度减小，越来越远离阻抗保护的动作区，因此阻抗保护不动作。同时，由于电压幅值始终大于23.83kV，其低压启动过流保护不启动。

同时，对于213馈线， ，213馈线保护装置测得的阻抗角始终在第二象限，且最小值为56.24Ω，因此阻抗保护不动作。当 时，电压从20.074kV降低到18.713kV，电流从3878.7A降低到3015.3A。在此區间内，低压启动过流保护动作可以正确判断故障， 超出范围时无法识别。

而由于动车组可以正常取流，负荷电流的存在使得流经211DL的电流增大，测量阻抗降低，有可能落入阻抗保护范围内;流经213DL的电流减小，使其低压启动过流保护的范围进一步降低。因此，异相短路故障经常出现只有电压超前相阻抗动作，而另一供电臂不动作的情况，增大了异相短路故障判别的难度。

4牵引供电异相短路保护

经过对牵引供电系统发生异相短路时各电压、电流、阻抗角向量进行分析，提出基于以下判据的异相短路保护：

其中 为滞后相电压， 为滞后相电流。为提高保护的可靠性以及与其他保护的配合，加入电压电流判据， 可整定为异相短路时可能出现的最低电压18.5kV， 可整定为 时的电流2046A。保护时限整定为0.1s。

正常情况下，牵引供电系统同方向上下行供电臂由同一台变压器提供电源，不存在外电源;同时，动车组的再生制动功能出于电力系统稳定性的考虑并不投入运行，所以对于牵引变压器，除异相短路的情况外不可能向系统吸收有功。

此保护方法通过测量两相邻供电臂电压滞后相的电压电流角度差，当发现电压超前电流90°以上，小于180°时，此时该变压器在通过馈线吸收有功，输出无功，说明出现了异相短路。

当馈线保护装置发出异相短路跳闸信号时，牵引所上下行4个供电臂均应同时跳闸，尽快熄灭电弧。若重合于瞬时故障，则4个供电臂恢复供电，同时通知设备管理单位前往分相处检查，通知列车调度员后续列车在分相处降弓通过;若重合于永久性故障，由于分区所、AT所已解环，则非故障行别恢复供电，通知设备管理单位前往故障行别的分相处抢修。

上海局调度所供电调度室根据多年的运行经验，得出了当同一行两供电臂同时跳闸，若其中一个供电臂阻抗角在第二象限，另一个供电臂阻抗角在0°附近，则可判定为异相短路故障的规律。基于功率方向的异相短路保护就是根据这一经验拓展而来。某些情况下的瞬时性异相短路，只有电压超前相的供电臂保护动作，后续的故障分析一般判断为过负荷等原因。此保护的应用将使供电调度及时察觉分相处异常情况，并立即作出处置。

6结束语

通过研究牵引供电系统异相短路故障时的各电气量变化情况，结合牵引变电所设备阻抗特性，提出了基于功率方向判别的异相短路保护。该保护利用现有保护装置采集的电流电压向量，不需要增加额外设备也不需要大量更改接线，只需要在保护装置内部计算向量差，结合电压电流定值，即可起到对异相短路故障的可靠保护。

参考文献

1. 陈小川。铁路供电继电保护与自动化【M】。北京：中國铁道出版社，2010.

2. 李辉，李钢，安林，马继政。基于电压比较的牵引供电系统异相短路保护【J】。江苏电机工程。2011，30（2）。