引言

隨著電氣化鐵路和風(fēng)力發(fā)電的快速發(fā)展,兩者同區(qū)域接入電網(wǎng)的情況越來(lái)越多。電鐵牽引負(fù)荷是隨機(jī)變化的大功率單相非線(xiàn)性負(fù)荷,在移動(dòng)用電的同時(shí)產(chǎn)生負(fù)序電流,影響接入系統(tǒng)的電能質(zhì)量,進(jìn)而影響同區(qū)域風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行。本文基于方向元件的工作原理,研究了電鐵正常運(yùn)行產(chǎn)生的負(fù)序?qū)︼L(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路方向元件的影響。

1風(fēng)電場(chǎng)建模

選用抗干擾能力最強(qiáng)的直驅(qū)型機(jī)組,構(gòu)建如圖1所示的包含風(fēng)電場(chǎng)(總?cè)萘?9.5MW）、電鐵牽引站的仿真模型。

2傳統(tǒng)方向元件的工作原理分析

2.1基于相量故障分量的方向元件

基于相量故障分量的方向元件是利用保護(hù)安裝處各相間或相故障分量電壓和電流之間的相位關(guān)系來(lái)區(qū)分正方向和反方向故障,根據(jù)這些關(guān)系可以表示為:

式(1）表示的是相故障分量的方向元件,其中i=A、B、C:式(2）表示的是相差故障分量的方向元件,其中?、?AB、BC、CA。

本文以相差故障分量方向元件為例,令,可根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法與短路故障邊界條件,推導(dǎo)出相角差△θü與系統(tǒng)正負(fù)序阻抗比有關(guān)。由此可知,電鐵作為系統(tǒng)單相且隨機(jī)變化的負(fù)荷會(huì)影響其正負(fù)序阻抗比,進(jìn)而影響方向元件的適應(yīng)性。

2.2基于序故障分量的方向元件

基于序故障分量的方向元件是利用保護(hù)安裝處的序故障分量電壓和電流之間的相位關(guān)系來(lái)區(qū)分正方向和反方向故障,根據(jù)這些關(guān)系可表示為:

其中j=0、1、2,分別表示零序、正序、負(fù)序,令。當(dāng)電鐵負(fù)荷特性導(dǎo)致其產(chǎn)生的負(fù)序電流變化時(shí),根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法可知其必將影響三序△θj的大小。

3電鐵負(fù)序?qū)Ψ较蛟挠绊?

本文采用圖1所示的直驅(qū)風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)A點(diǎn)發(fā)生單相接地與兩相接地短路故障方案,分析電鐵對(duì)保護(hù)1的方向元件的影響。

仿真案例:風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)A點(diǎn)0.5s時(shí)刻發(fā)生短路故障,持續(xù)時(shí)間0.2s,PCC點(diǎn)牽引站牽引變?yōu)関v接線(xiàn)方式,單臂供電,0.6s時(shí)刻多臺(tái)電力機(jī)車(chē)（負(fù)荷40MW）通過(guò)牽引站左臂。

案例1:集電線(xiàn)A點(diǎn)發(fā)生A相接地短路故障。圖2為保護(hù)1處相差故障分量方向元件相角差△θü波形,根據(jù)其判據(jù)式（2）可知,其不能正確判斷故障方向。

圖3為△θAB波形放大圖。

由圖3可知,當(dāng)電鐵在0.6s經(jīng)過(guò)時(shí),相角差會(huì)受到影響(圖中趨勢(shì)為角度增大,此時(shí)電鐵接入供電臂左臂）,當(dāng)負(fù)荷接入右臂時(shí),由電氣化鐵路輪流換相原理可知,相位差將減小,如圖4所示。

由圖4可知,相差故障分量方向元件可能會(huì)受到風(fēng)電場(chǎng)故障特性與電鐵負(fù)荷的雙重影響而不能正確判斷方向。

圖5為負(fù)序方向元件△θ2波形（零序的△θ0波形與此圖基本相同）。由圖5可知,根據(jù)其判據(jù)式（3）,故障發(fā)生時(shí)（電鐵接入前）負(fù)序方向元件不能正確判斷方向,電鐵在0.6s通過(guò)時(shí)對(duì)相角差也有影響。風(fēng)電系統(tǒng)主要對(duì)正序分量進(jìn)行控制,零序分量也僅與線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆嘘P(guān),風(fēng)電系統(tǒng)的負(fù)序和零序阻抗應(yīng)該較穩(wěn)定,但其負(fù)序回路會(huì)因控制的非線(xiàn)性存在一定波動(dòng),且故障電流還存在大量諧波,可能影響到方向元件的判斷穩(wěn)定性。

案例2:集電線(xiàn)A點(diǎn)發(fā)生AB相接地短路故障。

基于相差故障分量的方向元件相角差△θii波形如圖6所示,根據(jù)相差故障分量方向元件的原理式（2）可知,此類(lèi)方向元件不能正確判斷故障方向,電鐵對(duì)其影響較小。

負(fù)序分量方向元件△θ2波形如圖7所示。

零序方向元件△θ0波形圖與圖7基本相同,可知根據(jù)判據(jù)式（3）兩者均不能正確判斷故障方向,電鐵對(duì)相角差也有一定影響。

4結(jié)語(yǔ)

由上述分析可知,風(fēng)電場(chǎng)集電線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí),電鐵隨機(jī)變化的大功率負(fù)荷特性及其負(fù)序?qū)ο嗔抗收戏至糠较蛟靶蚬收戏至糠较蛟绊戄^大。