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的直驅(qū)型機組,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△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)單相且隨機變化的負(fù)荷會影響其正負(fù)序阻抗比,進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△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)関v接線方式,單臂供電,0.6s時刻多臺電力機車（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△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（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△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△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。