220 kV两相式电铁牵引站供电线路的短路故障计算及其保护整定原则分析

邱建，曾耿晖，李一泉，杨韵，屠卿瑞，朱峥

（广东电网电力调度控制中心，广东 广州 510600）

220 kV两相式电铁牵引站供电线路的短路故障计算及其保护整定原则分析

邱建，曾耿晖，李一泉，杨韵，屠卿瑞，朱峥

（广东电网电力调度控制中心，广东 广州 510600）

在电铁牵引站供电模式中，采用单相牵引变压器的两相供电模式中牵引变的容量利用率最高，但其对电网影响较大［1-2］。随着电网的发展，电网容量迅速增大，这一制约条件已不存在。因此，随着我国高速铁路的快速发展，两相供电模式的牵引站大量接入220 kV电压等级电网［3-7］，如近两年接入广东电网220 kV电压等级的厦深铁路、贵广铁路等。

由于两相供电模式与电网三相对称输电的差异及单相牵引变压器与普通三相变压器在结构等方面的差异，其短路故障计算、保护配置及整定等方面与电网常规线路存在较大差异。而电网继电保护人员对这一领域的相关技术还缺乏了解，如果仍然按照电网常规短路故障计算方法进行计算，按照电网内的常规线路保护整定原则进行整定，就有可能造成保护的不正确动作，从而影响到电网的安全稳定运行。因此对两相供电模式的系统等值模型、短路故障计算及其保护整定原则进行分析十分必要。

虽然有些文献对此内容进行了一些研究，如文献［8-9］对220 kV两相输电线路短路电流计算、继电保护定值计算进行了分析，文献［10-14］对V-V、V-X接线等电铁线路的短路故障计算及保护整定原则进行了论述，但这些文献大多只是针对短路故障计算方面，而对保护整定原则方面，特别是距离一段和重合闸方式的分析则显笼统与粗略。随着电网保护配置的变化以及大电网对稳定性的要求提高，原有规程［15］以及前述文献里提出的电铁供电线路保护整定原则已不能适应新形势下的电网保护整定要求。

基于此，本论文结合实际工程中两相式电铁牵引站供电线路的保护配置和电网稳定性要求等情况对保护主要整定原则进行了深入分析，提出了差异化的距离保护、零序（和流）保护、TV断线过流保护整定原则。分析了各种重合闸方式的利弊，给出了推荐的重合闸方式整定原则。

1 两相式供电特点分析

在两相供电模式中，接入牵引站的线路为两相，采用单相变压器作为牵引变压器。单相牵引变压器根据绕组接法可分为纯单相接法和组合单相接法［16］。

如图1（a）所示，纯单相牵引变高压绕组AX接三相电源中的某两相（如图中为A、C相）电压为220 kV，低压绕组ax，首端a接至牵引母线上，末端x与钢轨地连接，输出电压27.5 kV，同时给列车左右两侧的供电臂供电。纯单相牵引变的短路阻抗十分简单，与传统的双绕变短路阻抗一样，只有一个短路阻抗值，不同的是三相变压器的短路阻抗为以三相容量为基准的每相标么值，单相变压器则以本身的单相容量为基准。

图1 单相牵引变压器Fig.1 Single-phase traction transformer

如图1（b）所示为组合单相接法牵引变压器。根据机车运行工况，某些220 kV单相牵引变压器的高压绕组由两路并联组成，低压绕组由两路输出且由多路串联组成。该种组合单相接法型式变压器的一种典型参数（D11-QY-40000/220）如下［16］：额定容量为40 000/2×25 000 kV·A、高压电压为231 kV、联结组别为Ii0/Ii0（i6）、频率为50 Hz、低压电压为±27.5（2×27.5）kV。它的一种绕组联接如图2所示。

图2 组合单相接法绕组接线图Fig.2 Connection diagram of combinedsingle-phase winding

对于组合单相接法牵引变压器，其短路阻抗有3个值，分别对应TN短路、FN短路、TF（TFN）短路，对应的一种典型短路阻抗百分比一般分别为10%（25 MW）、10%（25 MW）、15%（40 MW），全部换算成40 MW容量下的值分别为16%、16%、15%，换算成基准容量为100 MW，基准电压为230 kV下的对应有名值分别为212 Ω、212 Ω、198 Ω。对于不同容量和结构的组合单相接法牵引变压器的短路阻抗值可能不同，但是均存在一个共同特点：即换算成有名值时，3个短路阻抗值差异并不是很大，对应TN短路、FN短路的短路阻抗值基本相等，TF（TFN）短路时的短路阻抗值最小。

2 两相式供电等值模型及其短路故障计算

2.1 等值模型

由于单相牵引变压器直接入系统中的两相，其在系统中的等值阻抗模型可看成在两相（如AC）之间跨接一个阻抗，见图3。图中ZS为线路单相自阻抗；Zm为相间互阻抗；XT为单相牵引变压器阻抗。

两相式供电线路虽然只用两相，但是考虑到未来扩容需要，实际一般为三相架设，其中一相并不接入牵引站内。如果为三相架设时，其线路参数及参数测试与现行常规线路一样。但如果两相供电线路只架设两相，则不能按照常规三相线路参数描述及测量。如图3所示，两相线路参数有2个，一是每相线路的自阻抗ZS，另一个是两相线路之间的互阻抗Zm，这与常规线路参数有所区别。文献［9］介绍了两相式线路参数实测方法。测得两相输电参数后，按照如下公式则可转化为三相输电参数：

其中，Z1、Z2、Z0分别为三相输电线路的正序、负序、零序阻抗。

图3 两相式供电等值模型Fig.3 The system equivalent model of two-phase power supply

2.2 短路电流计算分析

2.2.1 牵引站供电线路上发生短路故障时

短路电流计算与常规线路一样，区别在于如果线路参数为两相输电参数时（即已知每相线路的自阻抗ZS和两相线路之间的互阻抗Zm），则需转化为三相输电线路参数（即转化为Z1和Z0）。

2.2.2 牵引变压器低压侧母线发生短路故障时由图3根据基尔霍夫电压定律可知：

又因为IA=－IC=IT，Z1=ZS－Zm，所以，

得到式中，ZG为归算到牵引线路电网侧母线的系统等值阻抗；EA为系统基准相电压。由式（3）可知线路上没有零序电流。

2.3 测量阻抗分析

2.3.1 牵引站供电线路上发生故障时

根据短路电流计算分析结论可知测量阻抗与常规线路一样。

2.3.2 牵引变压器低压侧母线发生短路故障时

图3等值模型中牵引变压器的阻抗即为单相牵引变压器的短路阻抗。

由式（2）可得到AC相间测量阻抗为：

从式（4）可知，当单相牵引变压器低压侧母线发生短路故障时，系统侧感受到的阻抗为线路正序阻抗加上0.5倍单相牵引变压器短路阻抗。

2.3.3 负荷阻抗计算

由于正常运行时，两相的电流大小相等方向相反，因此在计算负荷阻抗时，其公式与AC相间测量阻抗一样，即ZAC=UAC/（2IA），而普通三相对称线路的负荷阻抗计算公式为。由此可见，两相式供电线路的负荷阻抗应在普通三相对称线路的负荷阻抗的基础上乘以0.866的折算系数。

3 两相式供电线路保护主要整定原则分析

按照保护双重化原则，220 kV电铁牵引站供电线路系统侧一般配置双套保护，每套保护均配置有三段式接地相间距离保护、两段或四段零序过流（和流）保护以及两段过流保护的后备保护，对于两相式供电线路，一般不配置接地距离保护。随着光纤电流差动保护的广泛应用，而且牵引线路长度一般较短，有些220 kV电铁牵引站供电线路还配置有双套光纤电流差动保护［17］。对于220 kV两相式供电线路，未配置光纤电流差动保护时，零序过流（和流）保护、相间距离保护作为线路金属性接地和相间故障时的主保护，否则作为后备保护。两段过流保护作为TV断线距离保护退出时的保护，正常情况下时退出运行。

随着电网的发展，尤其是交直流互联大电网的形成，电网对稳定性的要求越来越高，一些220 kV线路短路故障如果不能快速切除，将会导致直流换向失败，严重的会危机到电网的稳定运行［18-24］。

因此，220 kV两相式电铁牵引站供电线路保护的整定原则应综合考虑供电线路的保护配置情况和电网的稳定性要求，进行差异化的整定。

3.1 距离保护整定原则

为简化距离保护计算，相间距离保护定值取各种短路情况下的接地和相间最苛刻的测量阻抗进行计算，若配置有接地距离和相间距离保护时，接地距离保护和相间距离保护定值取相同值。正常情况下接地距离和相间距离同时投入运行。

3.1.1 距离一段

1）对于未配置可靠光差保护的220 kV供电线路及存在保护死区（如牵引站内有母线但未配置母差保护）的情况下：

①为了确保电网稳定性，220 kV系统的故障要求快速切除，此时距离一段作为全线速动主保护，应按照保线路末端故障有足够灵敏度整定，并可靠躲过变压器低压侧故障，同时躲过正常最大负荷阻抗，时间为整定0 s。即：式（5）中，Z1为距离一段定值；ZL为电铁线路的正序阻抗；ZT为牵引变压器阻抗；KK、KT为可靠系数；k为变压器阻抗折算系数；Klm为灵敏度系数。由于电铁牵引站供电线路一般较短，而单相牵引变压器阻抗较大，因此在无法获得牵引变压器准确参数的情况下，为简单计，可直接按保线路末端故障有一较高的灵敏度整定。

需要注意的是，对于单相牵引变两相供电时，变压器阻抗折算系数k=2，对于组合单相牵引变压器，ZT应为3个短路阻抗的最小值，即低压侧TF短路时的短路阻抗。

按照此原则整定时，存在主变故障时，电铁线路距离一段保护亦可能存在跳闸的风险。

②经过计算确认电铁牵引站供电线路短路故障对电网稳定性的影响不大时，其定值按①原则整定，时间则可整定为0.15 s～稳定极限切除时间，这样在时间上与牵引变压器的主保护有一定配合。

2）对于配有可靠的光差保护的220 kV线路且无保护死区情况时，光差保护作为电铁牵引站供电线路的全线快速主保护，距离一段按现行相应整定规程要求整定，即按可靠躲线路末端故障整定。

3.1.2 距离二段

按照现有整定规程进行整定，即按照保护线路末端故障有灵敏度，同时躲过牵引变低压侧母线故障整定。当保护范围因为保灵敏度伸出牵引变低压侧母线时，应与铁路方面沟通协调好配合要求，确定好定值限额。

3.1.3 距离三段

在满足现有规程整定的基础上，为防止牵引站内故障不能可靠切除时，需依靠距离三段来切除故障，保证系统安全稳定，即距离三段兼顾考虑作为远后备时，宜尽可能提高距离三段取值，此时若躲不过最小负荷阻抗时，应投入负荷限制曲线。

3.2 零序保护整定原则

牵引变低压侧短路故障时，高压侧没有零序电流。对于为终端站的牵引站，牵引变压器侧无中性点接地，因此线路零序过流（和流）保护可不带方向。

由于220 kV两相式电铁牵引站供电线路一般不配置接地距离保护，因此对于未配置光纤电流差动保护的220 kV线路以及存在保护死区的情况下，零序（和流）保护作为替代接地距离作用的保护，应保证有一段零序（和流）保护作为接地故障时的快速主保护，时间整定为0 s～稳定极限切除时间，定值应确保对全线有足够灵敏度。此种情况下，还需考虑与上级线路的接地距离保护之间的配合。

对于配有可靠的光差保护的220 kV线路，零序（和流）过流保护的整定原则与一般线路相同。

3.3 过流保护整定原则

两段式过流保护正常运行时退出，当TV断线自动退出距离保护时自动投入，TV断线过流保护担负着TV断线时刻的距离保护作用，因此，其整定原则考虑与距离保护相似。当牵引站为终端站时，过流保护可不带方向。由于牵引铁路负荷的特殊性，整定前应与铁路部门沟通协商，由铁路部门提供书面的最大负荷电流及牵引变过流保护定值。

3.3.1 过流一段

1）对于未配置可靠光差保护的220 kV电铁牵引供电线路及存在保护死区的情况下，当电网稳定性要求故障快速切除时，过流一段作为TV断线时的全线速动主保护，按照保护线路末端故障有足够灵敏度整定，并可靠躲过变压器低压侧短路故障整定，同时躲过正常最大负荷电流，时间整定为0 s，经确认满足电网稳定性要求时，时间可整定为0.15 s～稳定极限切除时间，使得在时间上与牵引变压器的主保护有一定配合。

2）对于配有可靠光差保护的220 kV电铁牵引供电线路且无保护死区时，过流一段可退出或者按照躲线路末端故障整定，同时躲过正常最大负荷电流。时间取0.15 s及以上。

3.3.2 过流二段

按照躲过正常最大负荷电流整定，或者按照考虑与牵引变的过流保护配合整定。时间可取距离三段时间。

3.4 重合闸整定原则利弊分析

3.4.1 三相跳闸、退出重合闸方式

由于两相式电铁牵引站供电线路不存在非全相运行状态。退出重合闸可以减少重合于故障时对电网的冲击性。而且牵引站主变按照一主一备模式设计，主备变压器可通过备自投切换，退出重合闸并不会明显降低电铁牵引站供电的可靠性。

对于未配置可靠光纤电流差动保护的线路，由于线路的距离保护范围伸至牵引变压器内部，当牵引变压器内部故障时，如果因开关失灵等原因而未跳开牵引变压器的高压侧开关，将造成线路重合于故障，有可能加剧牵引变压器的损坏，退出重合闸则可避免这一情况。

重合闸退出后，不用考虑牵引站内备自投与重合闸的配合关系，与铁路方面的配合关系简单明析。

但是由于电铁牵引站供电线路多为终端线路，如果能够快速重合，可以避免牵引站内依靠备自投动作来切换供电线路，而且电网的大部分故障是瞬时性故障，重合成功率较高。退出重合闸后，则在一定程度上降低了供电可靠性，而且对于运行不方便，故障开关跳开后需要人为再合上开关。

3.4.2 三跳三重方式

由于电铁牵引站供电线路多为终端线路，而且电网的大部分故障是瞬时性故障，重合成功率较高，因此如果能够快速重合，可以避免牵引站内依靠备自投动作来切换供电线路，这有利于提高供电可靠性及故障后的运行恢复。

但是对于两相供电方式，实际电网中的线路为三相接线，只是有一相在牵引站外面而没有进站。当未接入牵引站的那相线路从系统侧充电运行情况下故障时，如果采用三相跳闸方式，则影响了牵引站的供电，尤其是在永久故障情况下，也不能重合闸成功。但是如果未用的该相线路也没有接入系统侧站内，或者接入了但是该相开关是断开的，即未用相线路并不是处于充电状态，则不存在该相线路故障问题，前面所述的三相跳闸带来的影响牵引站供电的问题也就不存在了。

采用三重方式时，牵引站内备自投需要考虑与重合闸的配合关系。

3.4.3 单跳单重方式

未接入牵引站的那相线路从系统侧充电运行情况下故障时，采用单跳单重方式可以只跳开故障相，此时并不影响对牵引站的供电。但是如果未用相线路并不是处于充电状态，单跳单重方式这一优势也就不存在了。

如果牵引站侧没有线路开关时，或有开关但未配置保护，或配置了保护但不跳牵引侧开关等情况下，线路单相故障时，系统侧开关跳开单相后，系统可以通过未跳开相和牵引变继续对短路点提供短路电压，导致接地点不能熄弧，会影响到单相重合闸的成功率。

相间故障不重合，同样会影响牵引站的供电可靠性。

采用单重方式时，牵引站内备自投同样需要考虑与重合闸的配合关系。

3.4.4 综合重合闸方式

综合重合闸方式集中了单重和三重的优势，而且没有三重情况下的缺点，但同样存在单相故障情况下可能不能熄弧的问题。

采用综合重合闸方式时，牵引站内备自投同样需要考虑与重合闸的配合关系。

3.4.5 重合闸推荐整定原则

根据上述分析，重合闸整定原则推荐如下：1）综合考虑用户与运行方式的要求。

电铁牵引站作为大用户站，而重合闸方式又关系到电网运行稳定，因此确定重合闸方式时应优先综合考虑大用户的需求与电网运行方式部门的要求。

2）如果距离一段保护伸入主变整定时，当牵引变压器内部故障时，如果开关失灵等原因而未跳开牵引变压器的高压侧开关，将造成线路三相重合于故障的牵引变压器，有可能加剧牵引变压器的损坏，如用户不能接受这一风险，则退出重合闸，利用牵引站的备自投来保证供电可靠性。

3）电缆线路故障一般为永久性故障，故电缆线路退出重合闸。

4）除开上述第2）、3）所述情况，重合闸方式整定原则如下：

①采用三相跳闸方式。

②对于非电缆线路，采用三相重合闸方式。

如果故障时只跳系统侧开关，则系统侧投入三相重合闸方式，单相故障三跳三重，相间故障三跳三重，投检无压方式或不检定。

如果故障时纵联保护跳两侧开关，则两侧投入三相重合闸方式，单相故障三跳三重，相间故障三跳三重。系统侧投检无压方式，系统侧先合，牵引站侧投不检定方式，后合。

采用三相重合闸时注意牵引站内备自投应与重合闸方式配合。

③带延时后备保护闭锁重合闸。

另外为了避免采用三跳三重方式的缺点，可把未用相不接入系统侧站内，即未用相不充电运行。

4 结论

本论文分析了单相牵引变压器短路阻抗特点，并根据两相式电铁线路系统等值模型，分析了两相式供电电铁线路短路故障计算及测量阻抗，结合电铁线路保护配置和电网稳定性要求等情况对保护主要整定原则进行了深入分析，主要结论如下：

1）两相式供电电铁线路牵引变低压侧故障时，短路电流与测量阻抗分析计算中，与普通三相变压器的区别在于单相牵引变压器阻抗应乘以0.5的折算系数。

2）在充分考虑电铁线路保护配置和电网稳定性要求的基础上，提出了差异化的距离一段、零序（和流）保护、过流一段保护整定原则。

3）结合两相式供电电铁线路特点，分析了各种重合闸方式的考虑及可能存在的问题，给出了推荐的重合闸整定原则。

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HUANG Yanyan，LONG Lilan，QIU Wenjun，et al.Development of dynamic balance-compensation equipment used on the traction test line of high-speed railway［J］.Power Capacitor&Reactive Power Compensation，2014（3）：1-5（in Chinese）.

（编辑 冯露）

Analysis on the Short Circuit Fault Calculation and the Protection Setting Principles of 220 kV Two-Phase Power Supply Lines of Electrified Railway

QIU Jian，ZENG Genghui，LI Yiquan，YANG Yun，TU Qingrui，ZHU Zheng
（Electric Power Dispatching and Control Center of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510600，Guangdong，China）

分析了单相牵引变压器短路阻抗的特点，并根据系统等值模型，对两相式电铁牵引站供电线路的短路故障计算进行了分析。结果表明，与一般三相电网相比，短路故障分析中单相牵引变压器的短路阻抗应乘以0.5的折算系数；两相式供电线路的负荷阻抗应乘以0.866的折算系数。结合实际工程中两相式电铁牵引站供电线路的保护配置和电网稳定性要求等情况对保护主要整定原则进行了深入分析，提出了差异化的距离保护、零序（和流）、保护TV断线过流保护整定原则。分析了各种重合闸方式的利弊，给出了推荐的重合闸方式整定原则。

两相式电铁供电线路；单相牵引变压器；短路故障计算；保护整定原则

This paper analyzes the characteristic of the short circuit impedance of single-phase traction transformer，and calculates the short circuit fault of the two-phase power supply line of the electrified railway based on the system equivalent model.The result of the analysis suggests that compared with the common three-phase power network，the impedance of single-phase traction transformer should multiply 0.5 as a conversion factor in the short circuit fault calculation and the load impedance of the two-phase power supply lines should multiply 0.866 as a conversion factor.Considering both the protection configuration of the electrified railway line and the requirement of power system stability，this paper presents an in-depth analysis on the main protection setting principles and puts forward the differentiated setting principles of distance protection，zero-sequence current protection and TV break-up over-current protection.The paper also analyzes the advantages and disadvantages of different reclosing modes and recommends the setting principles for the reclosing.

two-phase power supply lines of electrified railway；single-phase traction transformer；short circuit fault calculation；protection setting principles

1674-3814（2015）04-0047-07

TM744

A

2015-01-22。

邱建（1982—），男，硕士，工程师，主要从事电力系统继电保护整定工作；

曾耿晖（1977—），男，博士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护整定运行与管理工作；

李一泉（1979—），男，博士，高级工程师，主要从事电力系统继电保护整定运行与管理工作。