张 雷
(中铁十六局集团电气化工程有限公司，北京 100018)
电力系统正在大规模发展，其电压等级和容量都在增大，系统中的各种暂态过程更加严重，对电力系统元器件的保护造成了巨大的影响。由高压交流断路器开关操作引起的暂态过程更加严重。断路器动作的过程中触头间电弧连续熄灭和重燃过程引发的暂态过电压现象，其产生的高频暂态过程会对微机保护装置产生严重的干扰，特别是产生的电快速瞬变脉冲群，将引起母线上各相有过高的零序电压，引起中性点不接地变压器的间隙击穿。当变压器中性点被击穿，线路中会有零序电流通过，当此电流连续而且幅值达到了零序保护动作条件，零序电流保护动作，会造成非故障线路被切除，引发继电保护装置误动作的情况发生[1-4]。
当断路器断开故障电流时，因为断开线路功率较大，机械元件动作有延时等原因，当断路器断开线路时，电弧的燃熄引起了线路严重的不平衡电压，产生的电快速瞬变脉冲群因为具有不对称性和略微的不同步性，在中性点不接地的变压器中性点上产生了较高的过电压。当重合于永久性故障时在中性点产生的过电压更高，甚至可能是断开线路出现的过电压的2倍。如此高的电压，极有可能引起中性点不接地变压器的间隙击穿[5-8]。
若变压器中性点被击穿，则变压器运行方式在放电期间由不接地改为中性点直接接地，线路中有零序电流通过。当此电流连续而且幅值达到了零序保护动作条件，会导致线路中继电保护跳闸造成非故障线路被切除，影响系统的正常运行。
针对上述不足，本文提出抑制牵引供电系统继电保护装置误动作的方法，在考虑系统结构优化和控制精度的同时，在不同工况下实现励磁电流的灵活可调，结构简单易于实现，可以有效提升电压响应速度，稳定系统电压，保证较高要求的电能质量。
当某线路重合于永久性故障时，由于快速合、分产生的电快速瞬变脉冲群在母线上产生了较高的过电压，导致相邻线路变压器高压侧间隙放电。这种间隙放电会改变零序网络结构，产生零序电流。
当零序电流数值大且连续，由于线路中运行的是灵敏三段式零序电流保护，大于零序电流保护定值，相邻线路零序电流保护动作，继电保护跳闸造成非故障线路被切除，影响系统的正常运行。牵引供电典型末端配电网结构如图1所示。
图1 牵引供电典型末端配电网结构Fig.1 Typical terminal distribution network structure of traction power supply
该配电网两回电源为从同一变电站的不同段母线就近接入。经三绕组变压器供电，变压器高、中、低3个绕组运行方式为Yn/Yn/Yd11。2个三绕组变压器的引线，分别连接配电站的2条母线。2条母线各带部分负荷独立运行。其中母线Ⅰ主要有4条出线，1条备用，另外3条分别接3座地方电站。母线Ⅱ有5条出线，1条备用，另外4条分别接4座地方电站。
本文提出的改进的零序保护结构如图2所示。
图2 改进的零序保护结构Fig.2 Improved zero sequence protection structure diagram
当零序保护继电器检测到能够引发零序电流保护动作的零序电流时，并不立即动作，而是先进行判断检测。
接地距离保护系统为集成电路型阻抗继电器，原理结构如图3所示。阻抗继电器的动作方程为：
(1)
(2)
图3 集成电路型阻抗继电器的原理结构Fig.3 Principle structure of integrated circuit impedance relay
其中，UⅠ和UⅡ分别为由继电器输入的电压Um和电流Im形成的电压信号(电流信号经阻抗变换器变换而成)。将两信号进行比较，实现的条件是UⅠ和UⅡ瞬时值同为正的时间>5 ms。
本文利用PSCAD/EMTDC建立牵引供电系统仿真模型，仿真分析模拟带零序电流补偿的零度接线形式如图4所示。
图4 带零序电流补偿的零度接线方式仿真结构Fig.4 Simulation structure of zero-degree wiring mode with zero-sequence current compensation
将线路L118线路PT中A相电压UA与加入继电器电流(IJ=IA+K3I0)相比较，得到二者同时为正的时间如图5所示。
图5 反应接地故障的距离保护比相结果Fig.5 Phase comparison result of distance protection in response to ground fault
将图5局部波形进行放大，分别得到图6和图7。由图6、图7可知，电压生成信号同时为正的时间最长不到2.5 ms，因此不满足距离保护启动条件。由图2逻辑框图知，当距离保护未启动，零序保护无法达到跳闸条件，因此继电保护装置不动作。
图6 比相结果0.448～0.450 s放大波形Fig.6 Phase comparison results 0.448～0.450 s to zoom in the waveform
图7 比相结果0.08～0.09 s放大波形Fig.7 Phase comparison result 0.08～0.09 s to zoom in the waveform
由仿真结果可以看出，带有零度电流补偿的零度距离保护对加入继电器的电压和电流进行比较，所得到的结果电压与电流同时为正的时间均不超过5 ms。因此，距离保护不会动作。以距离保护Ⅱ段作为启动信号，则零序电流保护不会误动。
当断路器断开线路时过电压间隙放电引发零序电流时，继电器采集电压生成信号同时为正的时间最长不到2.5 ms，不满足距离保护启动条件。所以，当距离保护未启动，零序保护无法达到跳闸条件，继电保护装置不动作。
同时，加入方向性距离保护作为启动元件后，针对中性点过电压造成的零序通路，因未发生故障，方向性元件不动作，避免了保护误动；
而当被保护线路发生接地故障时，方向性元件启动，零序电流保护可以可靠动作，该方法可以在一定程度上提高配网末端输电线路的供电可靠性。
(1)论文提出了抑制牵引供电系统继电保护装置误动作的方法，对传统牵引供电系统继电保护装置进行了优化改进，通过加入方向性距离保护作为启动元件的方式，消除了断路器断开线路时过电压间隙放电引起的零序电流保护装置误动作，提高了配网末端输电线路的供电可靠性。
(2)设计了新型集成电路型阻抗继电器，验证了零序电流保护是否可靠动作，证明在一定程度上提高配网末端输电线路的供电可靠性。
(3)搭建了基于PSCAD/EMTDC的带零序电流补偿零度接线方式的牵引供电系统仿真结构模型，在不同工况下，对所提出的抑制牵引供电系统继电保护装置误动作方法和传统继电保护装置进行比较，仿真结果表明本文所提出的抑制牵引供电系统继电保护装置误动作方法在未发生故障时方向性元件不动作，避免了保护误动；
而当被保护线路发生接地故障时，方向性元件启动，零序电流保护可以可靠动作，该方法可以在一定程度上提高配网末端输电线路的供电可靠性。对于提高牵引供电系统继电保护可靠性研究具有良好的借鉴意义。