引言

隨著電氣化鐵路和風力發(fā)電的快速發(fā)展,兩者同區(qū)域接入電網的情況越來越多。電鐵牽引負荷是隨機變化的大功率單相非線性負荷,在移動用電的同時產生負序電流,影響接入系統(tǒng)的電能質量,進而影響同區(qū)域風電場的正常運行。本文基于方向元件的工作原理,研究了電鐵正常運行產生的負序對風電場集電線路方向元件的影響。

1風電場建模

選用抗干擾能力最強的直驅型機組,構建如圖1所示的包含風電場(總容量49.5MW）、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系來區(qū)分正方向和反方向故障,根據(jù)這些關系可以表示為:

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)對稱分量法與短路故障邊界條件,推導出相角差△θü與系統(tǒng)正負序阻抗比有關。由此可知,電鐵作為系統(tǒng)單相且隨機變化的負荷會影響其正負序阻抗比,進而影響方向元件的適應性。

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系來區(qū)分正方向和反方向故障,根據(jù)這些關系可表示為:

其中j=0、1、2,分別表示零序、正序、負序,令。當電鐵負荷特性導致其產生的負序電流變化時,根據(jù)對稱分量法可知其必將影響三序△θj的大小。

3電鐵負序對方向元件的影響

本文采用圖1所示的直驅風電場集電線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,當電鐵在0.6s經過時,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）,當負荷接入右臂時,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電場故障特性與電鐵負荷的雙重影響而不能正確判斷方向。

圖5為負序方向元件△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絡拓撲有關,風電系統(tǒng)的負序和零序阻抗應該較穩(wěn)定,但其負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結語

由上述分析可知,風電場集電線路發(fā)生短路故障時,電鐵隨機變化的大功率負荷特性及其負序對相量故障分量方向元件及序故障分量方向元件影響較大。