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)的情況越來越多。電鐵牽引負(fù)荷是隨機(jī)變化的大功率單相非線性負(fù)荷,在移動用電的同時產(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)電場的正常運行。本文基于方向元件的工作原理,研究了電鐵正常運行產(chǎn)生的負(fù)序?qū)︼L(fēng)電場集電線路方向元件的影響。

1風(fēng)電場建模

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(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ii=AB、BC、CA。

本文以相差故障分量方向元件為例,令

可根據(jù)對稱分量法與短路故障邊界條件,推導(dǎo)出相角差A(yù)9ii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,根據(jù)對稱分量法可知其必將影響三序A9j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)電場集電線A點發(fā)生單相接地與兩相接地短路故障方案,分析電鐵對保護(hù)1的方向元件的影響。

仿真案例·風(fēng)電場集電線A點0.5s時刻發(fā)生短路故障,持續(xù)時間0.2s,PCC點牽引站牽引變?yōu)閂V接線方式,單臂供電,0.6s時刻多臺電力機(jī)車（負(fù)荷40Mw）通過牽引站左臂。

案例1·集電線A點發(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A(yù)9ii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)過時,相角差會受到影響(圖中趨勢為角度增大,此時電鐵接入供電臂左臂）,當(dāng)負(fù)荷接入右臂時,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受到風(fēng)電場故障特性與電鐵負(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A92波形（零序的A90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（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通過時對相角差也有影響。風(fēng)電系統(tǒng)主要對正序分量進(jìn)行控制,零序分量也僅與線路網(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)序回路會因控制的非線性存在一定波動,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A點發(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A(yù)9ii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,此類方向元件不能正確判斷故障方向,電鐵對其影響較小。

負(fù)序分量方向元件A92波形如圖7所示。

零序方向元件A90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,電鐵對相角差也有一定影響。

4結(jié)語

由上述分析可知,風(fēng)電場集電線路發(fā)生短路故障時,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。