采用地面開關自動過分相技術的牽引網饋線保護動作行為分析

秦曉宇，高仕斌

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

采用地面開關自動過分相技術的牽引網饋線保護動作行為分析

秦曉宇，高仕斌

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

摘要:針對地面開關自動過分相技術，對動車組過電分相時可能發生的暫態過程以及異相短路故障進行研究，得出常規原理的饋線保護無法正確動作的結論。提出基于兩供電臂相間電壓和超前相電流的距離保護和以高次諧波閉鎖的電流速斷保護方案，通過對正常負荷、牽引網常規故障等狀態下的保護動作行為仿真，驗證該保護方案的正確性和有效性，可以共同作為動車組過電分相時的保護策略。

關鍵詞：地面開關自動過分相；暫態現象；異相短路；饋線保護

我國高速鐵路主要采用錨段關節式電分相裝置，通過分段換相在牽引變電所出口或者兩變電所之間的分區所之間實現電氣隔離，使電力系統三相負荷電流對稱[1]。當電力機車或動車組過分相時需要采取合適的過分相方式，常見的有柱上式自動過分相、車載斷電自動過分相以及地面開關自動過分相。其中地面過分相具有斷電時間短、無供電死區和降低列車過分相的速度損失等優點，有利于滿足高速列車的運行要求，目前我國也在推廣使用[2]。但真空開關操作會造成暫態過電壓過流現象，另外，如果地面開關自動切換失敗，還會造成牽引網異相短路故障，這會導致傳統饋線保護元件動作異常[3]，嚴重危害高速鐵路的安全運行，因此對采用該種過分相技術的饋線保護動作行為進行分析具有重大的意義。

本文研究了地面開關過分相的暫態過程，在分析電力機車過分相時可能發生的暫態現象和異相故障的基礎上，判斷了常規原理饋線保護的動作行為，并提出了改進的保護方案。

1地面開關過分相的過程及現象

1.1供電臂出現合閘過電壓和沖擊電流

地面開關過分相是通過控制地面上的真空負荷開關來完成機車過分相的，如圖1所示[4]。無車通過時K1和K2均斷開，中性段無電；當機車到A位置時，K1閉合，中性段由α相供電；當車進入中性段達到B處還未到C處時，K1和K2均斷開；當機車到達C處，K2隨即閉合，中性段切換至β相供電；待機車離開D后，K2斷開，恢復至初始狀態，過分相結束。

圖1　地面開關自動過分相示意圖Fig.1 Schematic diagram of automatic phase-separation passing mode with switches on ground

電力機車過分相是一個振蕩的暫態過程，電路上各點的響應是暫態分量與瞬態分量的疊加，在開關開斷的過程中會出現暫態過電壓、過電流的現象。文獻[4]詳細分析了機車進出過分相的暫態過程，但所用模型簡化了牽引網和機車內部的結構。文獻[5]提到，中性段由左臂切換到右臂供電的過程相當于機車主變壓器進行了一次有載合閘，合閘過電壓和中性段殘壓的共同作用使機車變壓器產生勵磁涌流，合閘側會出現幅值較高且波形畸變的沖擊電流。

1.2牽引變電所出口發生異相短路

地面開關自動過分相技術的應用雖然有利于高速行車，但是并不能保證機車完全安全通過電分相，如果出現地面開關自動切換失敗的情況，則電分相兩側不同相的供電臂會經電弧短路，產生的電弧會造成接觸網設備燒毀的嚴重后果[6]。

圖2　錨段關節式電分相布置圖Fig.2 Arrangement diagram of phase-separation Using anchor segment joint type

目前高速鐵路采用的是錨段關節式電分相裝置，如圖2所示。當機車從α相過渡到中性段始端時會產生穩定的電弧，并短接供電臂和中性段，使中性段帶α相電，而當機車接近中性段末端時，其與β相供電臂的電場逐漸增大，從而形成另一段電弧，該電弧會短接中性段和β相供電臂，所以這兩段電弧最終使得α相供電臂和β相供電臂短接，造成異相短路。

2傳統饋線保護的局限性分析

電力機車過分相是在牽引網上發生的，因此需要饋線保護裝置來保障機車的安全運行。目前我國高速鐵路基本沿用普速鐵路的繼電保護技術，其中饋線保護主要采取距離保護和以二次諧波閉鎖的電流速斷保護[7]。

2.1合閘沖擊電流使電流速斷保護誤動

以α相為例，電流速斷保護原理如下所示，β相的原理框圖與之類似[7]。

圖3　電流速斷保護原理框圖Fig.3 Schematic diagram of instantaneous trip current protection

圖3中：Iset為電流整定值；I1和I2為電流基波和二次諧波的有效值。 過分相產生的沖擊電流可能會達到負荷電流的9倍之多，因此會造成電流速斷保護元件誤動，列車會失去動力被迫停運，對鐵路運營造成很大影響[3]。

2.2異相短路使距離保護拒動

我國高速鐵路饋線距離保護普遍采用四邊形特性以獲得更好的穩定性和靈敏度，通過測量阻抗落入保護區的范圍來判斷并動作[8]。傳統的饋線距離保護是利用式(1)，利用2個供電臂的母線電壓和相電流來計算短路阻抗[9-10]。

考慮到我國高速客運專線目前多采用V/x接線變壓器，本文以此為例，分析保護在牽引變電所出口處發生異相短路時的動作情況，圖4為歸算至低壓側的變壓器等值電路圖。

圖4　歸算到負荷端口的變壓器等值電路Fig.4 Equivalent circuit of traction substation seen from 27.5 kV

圖4中Eα和Eβ分別為歸算到負荷側的等值電源；Zs和Zarc表示中性線電阻和電弧電阻。在不考慮機車負荷情況下，假定電弧電阻為線性的，按照等效電路圖搭建簡單模型并仿真，得出如下的關系圖：

圖5　異相短路時電壓電流和電弧電阻的關系Fig.5 Relationship between voltage current and arc resistance when the arc wrong phase short circuit occurs

由圖5可知：隨著電弧電阻的增大，超前相母線電壓Uba(UTβ)變大，滯后相電壓Uca(UTα)降低，故障電流Id減小，兩臂測量阻抗往往落在動作區以外，距離保護拒動，當電弧電阻更大時，電流速斷保護也將拒動。

3仿真驗證

以往的仿真研究都簡化了牽引網和機車的結構，不能準確反映真實的過分相過程[11]。本文在Matlab/Simulink中搭建了電源—牽引網—動車組的仿真系統來驗證理論分析的正確性

圖6　牽引供電系統仿真模型Fig.6 Simulation model

動車組模塊的原型為CRH380，采用的是兩電平PWM整流，內部具體結構如下所示，機車主變壓器的容量是5MVA，變比為27.5kV/1.5kV。

圖7　動車組模型Fig.7 Train model

3.1合閘過電壓和沖擊電流的仿真

假設動車組已經進入中性段，中性段由α臂供電，0.02s時刻開關K2合閘，中性段切換至β相供電臂供電，此時感應到牽引變壓器二次側的電壓電流變化情況如下所示。

(a)α相供電臂電壓波形；(b)β相供電臂電壓波形圖8　K2閉合時兩供電臂電壓波形圖Fig.8 Waveforms of the voltage in two power supply sections when K2 switches off

可以看出：中性段從由α臂供電切換到由β臂供電的過程中，兩個供電臂均出現了暫態過電壓，其中α相供電臂牽引變壓器二次側的暫時過電壓最大值為48.5 kV，是正常供電電壓的1.24倍，β相供電臂的最大電壓值為59.6 kV，為正常供電電壓的1.53倍。

在K2閉合時，機車主變壓器合閘側電流波形如圖9(a)所示，由于非周期分量的存在，合閘側涌流波形發生明顯的畸變，并會注入到β相牽引變壓器的低壓側，如圖(b)所示，但是沖擊電流的二次諧波含量相較于其他高次諧波較小，使得二次諧波閉鎖條件作用不大，電流速斷保護元件將會誤動。

3.2異相短路的仿真

考慮到線性電阻不能反應出異相電弧短路時各個點電壓電流的動態特性，因此本文建立了Cassie電弧模型[12-14]，并設置在中性線與2個供電臂的相連處，電弧內部結構如下所示。

在此模型下，得到電弧長度是60cm時保護安裝處的電壓電流波形。可以看出測量電壓UTα和UTβ之間的幅值和相位接近，測量電流Ig為正弦波，各測量量的波形均有一定的畸變，而相間電壓Uαβ畸變最嚴重，波形近似呈方波。

(a)α臂電流波形；(b)諧波情況圖9　機車主變合閘側電流波形圖及諧波情況Fig.9 Waveform of the current on the transformer closing side of the train and the harmonic situation

圖10　Cassie電弧仿真模塊內部具體結構Fig.10 Internal structure of Cassie arc simulation model

圖11　電弧長度為60 cm時電壓電流波形Fig.11 Waveforms of the voltage and current when the length of the arc is 60 cm

結合實際情況，將電弧長度分別設為60，80，100和120cm，得出不同長度的電弧異相短路時兩個供電臂上距離保護裝置測得的阻抗值，如表2所示。

表2不同電弧長度時兩供電臂距離保護測量阻抗

Table2Impedancemeasuredbydistanceprotection

電弧長度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

由表中數據可知，異相短路發生時，α相供電臂上的測量阻抗ZTα(Ω)和落在第二象限，β相供電臂上的測量阻抗ZTβ(Ω)落在第四象限，使得傳統四邊形特性距離保護不能正確動作，因此需要對原有保護加以改進。

4保護配置及驗證

根據測量電壓電流波形畸變的特點，對不同長度電弧下各保護測量量進行諧波分析，將各個量三次諧波有效值與基波有效值之比列于表3，進行了如下對比：

表3不同電弧長度時測量電壓電流3次諧波含量

Table3Tripleharmoniccontentofvoltageandcurrentwithdifferentarclength

電弧長度/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數據顯示兩供電臂相電壓和電流的3次諧波含量不超過10%，但是故障相間電壓的3次諧波與基波有效值的比值在25%以上。因此可以利用3次諧波在相間電壓中含量高這一特點，作為保護的動作判據之一。

綜上所述，本論文提出了基于兩供電臂相間電壓和超前相電流的距離保護方案：

圖12　保護原理框圖Fig.12 Schematic diagram of the protection

為了驗證保護的準確性，對Uαβ和ITα在正常負荷、異相短路時的相位關系進行分析。

(a)正常狀態時；(b)異相短路圖13　正常情況和異相短路時的電壓電流相量圖Fig.13 Voltage /current phasor diagram under normal state and wrong-phase short-circuit condition

圖13表明正常運行時兩供電臂對地電壓相位差為60°，電壓Uαβ滯后負荷電流的角度為60°-φα；當發生異相短路時，兩供電臂對地電壓相位差很小，且Uαβ和故障電流Id基本同相。

同時為了保證保護方案能夠在其他故障發生時可靠不誤動，此處以α相供電臂發生牽引網常規故障為例進行保護原理的驗證，并得出了這兩種狀態下測量阻抗在復平面的示意圖。

圖14　不同狀態下的測量阻抗Fig.14 Impedance measured by developed protection under different conditions

分析圖14得出：異相短路時阻抗值較小，由于電壓電流基本同相，所以電抗值近似為0；當牽引網不同位置處發生故障時，測量阻抗值較大，并且電阻值為負，電抗值為正，可見此時相間電壓超前電流的角度大于90°。

因此用電壓Uαβ和電流ITα作為輸入電壓和電流的阻抗繼電器，測得的阻抗模值、阻抗角有較大區別，能夠區分正常負荷、異相短路以及牽引網常規故障這3種情況。

在此基礎上，本文進一步對保護方案在各種運行狀態下的動作情況進行仿真，結果如表4所示。證明了提出的保護方案是可靠靈敏的。

對于電流速斷保護，則根據沖擊電流高次諧波豐富的特點，在過電流的基礎上附加高次諧波閉鎖條件，保證動車過分相時保護不誤動。

表4　基于兩臂相間電壓和超前相電流的保護測量阻抗

5結論

1)采用地面開關自動過分相技術，可能會導致牽引變電所出口發生異相短路故障，此時兩供電臂對地電壓很高，導致傳統的饋線距離保護元件測出的阻抗值很大，并且阻抗角使得測量阻抗落在動作區以外，保護無法正確動作。

2)機車過分相的過程伴隨開關的操作，使得牽引變壓器低壓側出現幅值較高的沖擊電流，且二次諧波含量相比于高次諧波較少，導致饋線電流速斷保護誤動。

3)本文提出了基于兩供電臂相間電壓和超前相電流的距離保護，發現在正常負荷運行、供電臂發生常規故障和異相短路這三種狀態下，測量阻抗的模值、阻抗角以及相間電壓三次諧波含量方面有著較大的差別，改進后的保護方案能夠區分上述不同情況。

4)在電流速斷保護的基礎上附加機車主變合閘側電流高次諧波含量判據作為閉鎖條件，和改進的距離保護共同作為動車組過電分相時的保護策略。

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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

通訊作者：高仕斌(1964-),男,湖北隨州人,教授,博士,從事繼電保護與變電站綜合自動化方面研究；E-mail: gaoshibin@swjtu.cn

中圖分類號：TM771

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)05-0971-07