CN113258579B - 混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法 - Google Patents

Abstract

混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，针对目前常用的Vv接线牵引变压器可精确计算系统短路电流。根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统牵引侧短路网络图，计算并分析牵引侧短路时短路点电流；根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路网络图，分析短路点电流为主故障回路和非主故障回路电流矢量和；根据非主故障回路短路阻抗特性和电流向量关系分析计算短路电流；根据主故障回路特性分别计算单相接地短路、两相短路、两相接地短路情况下的短路电流；最后计算进线电源侧单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路时短路点电流。

Description

混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电系统，特别涉及一种混合电源模式双边供电系统下的电气化铁路短路电流计算方法。

背景技术

对于电气化铁路牵引供电系统，从牵引负荷能量来源划分，可分为单边供电方式和双边供电方式。与单边供电方式相比，双边供电方式是指单个方向牵引网同时由相邻两座牵引变电所供电，相邻供电臂间不需要设置电分相进行电气隔离，此时牵引列车负荷能同时通过相邻两座牵引变电所获取电能。双边供电方式取消了相邻供电臂接触网上电分相，一方面改善了列车运行条件，避免了列车通过电分相无电区产生的功率损失和速度损失，另一方面改善了牵引网中电流分布，减少了牵引网电压和电能损失，提高了牵引供电系统供电能力。但是，采用双边供电方式，由于在27.5kV侧形成相邻电力系统间的环型供电网络，将在两相邻引变电所供电的外部电力系统间产生环流，此外，双边供电方式牵引供电系统结构、继电保护和自动化装置均较为复杂。

我国电气化铁路牵引供电系统采用公共电网供电，牵引负荷作为公用电网负荷的一部分以专用线路供电、单相负荷方式独立运行，牵引供电系统不承担铁路以外地方供电负荷，牵引变压器普遍采用Vv或单相接线，牵引网采用单边供电方式，因此我国整个系统为混合(公用电网为三相、牵引网络为单相)电源模式单边供电方式，基于我国电气化铁路现有总体供电体系构成，我国牵引网采用双边供电方式，将采用有别于德国和俄罗斯的混合(公用电网为三相、牵引网络为单相)电源模式双边供电系统。

对于混合电源模式(公用电网为三相、牵引网络为单相)双边供电系统，电气上对公用电网有可能造成较大影响，公用电网重点关注的问题是双边供电导致的系统环流和双边供电下的短路电流的电气特性。正常运行时存在的系统环流，在发生短路时，也将构成短路电流的一部分，因此，系统环流的计算也是短路电流计算的一部分内容。随着我国电气化铁路技术的发展，大坡道高标准重负荷电气化铁路开始在西部山区修建，这些项目普遍面临电分相对行车影响较大、设置非常困难，牵引负荷较重、外部电源较为薄弱等特点，为此，结合我国电气化铁路牵引供电系统特点，开展交流双边供电技术的研究和应用显得越发必要和紧迫。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，针对目前常用的Vv接线牵引变压器可精确计算系统短路电流，在此基础上可以进一步研究不同接线方式短路电流计算和整定保护配置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，其特征是：根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统牵引侧短路网络图，计算并分析牵引侧短路时短路点电流；根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路网络图，分析短路点电流为主故障回路和非主故障回路电流矢量和；根据非主故障回路短路阻抗特性和电流向量关系分析计算短路电流；根据主故障回路特性分别计算单相接地短路、两相短路、两相接地短路情况下的短路电流；最后计算进线电源侧单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路时短路点电流；

所述混合电源模式双边供电系统是公用电网为三相、牵引网络为单相的双边供电系统；

所述主故障回路为由电力系统侧在牵引变电所高压侧产生短路电流的故障回路，所述非主故障回路为流经牵引供电系统由另一相邻牵引变电所作为电源产生短路电流的故障回路。

本发明具体包括如下步骤：

(1)牵引侧短路电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统牵引侧短路网络图，分析计算短路点电流；

(2)进线电源侧短路电流分析，根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路网络图，分析短路点电流为双边供电系统主故障回路和非主故障回路电流矢量和；

(3)进线电源侧非主故障回路短路电流计算，根据非主故障回路短路阻抗特性和电流向量关系分析计算短路电流；

(4)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算单相接地短路情况下短路电流；

(5)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算两相短路情况下短路电流；

(6)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算两相接地短路情况下短路电流。

(7)进线电源侧短路电流计算，根据上述对主故障回路和非主故障回路的短路电流计算，分别计算单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路情况下短路点电流。

本发明的有益效果是，基于混合电源模式双边供电系统电气化铁路的系统结构，针对目前常用的Vv接线牵引变压器可精确计算系统短路电流，物理概念及推导过程清晰、明确；在此基础上，可以进一步研究不同接线方式短路电流计算和整定保护配置，为我国双边供电系统结构形式和主要系统工程方案的确定奠定坚实基础。

附图说明

本说明书包括如下六幅附图：

图1是混合电源模式双边供电系统牵引侧短路系统结构图；

图2是混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路系统结构图；

图3是进线电源侧单相接地短路系统结构图；

图4是进线电源侧两相短路系统结构图；

图5是进线电源侧两相接地短路系统结构图；

图6是实施例某电气化铁路系统结构及基础参数。

图中示出标记及含义：第1电源系统10、第1牵引变电所11、第二电源系统20、第2牵引变电所21、电网传输系统30、牵引网40。

具体实施方式

本发明提出了一种混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，该方法基于混合电源模式双边供电系统的系统结构。下面结合附图，详细阐述计算过程：

步骤1：牵引侧短路电流分析与计算

假定双边供电牵引侧短路时系统网络如图1所示，第1电源系统10和第2电源系统20采用AB相分别为第1牵引变电所11和第2牵引变电所21供电，同时两电源系统间通过三相电网传输系统连接。第1牵引变电所11和第2牵引变电所21共同为牵引网供电。

在双边供电情况下发生如图1所示的牵引侧短路时，短路电流由短路点两侧牵引网短路电流叠加构成，短路电流计算公式如式(1)和式(2)所示：

可知：式中U_ab1 U_ab2分别为两侧牵引变电所牵引变压器27.5kV侧电压，通常按26.25kV计；Z_b1 Z_b2分别为两侧牵引变压器阻抗；Z_q为牵引网单位长度阻抗；L₁ L₂分别为两侧供电臂长度；Z_X11 Z_X12分别为左侧牵引变电所外部电源系统正序和负序阻抗；Z_X21 Z_X22分别为右侧牵引变电所外部电源系统正序和负序阻抗。

步骤2：进线电源侧短路电流分析

假定双边供电进线电源侧短路时系统网络如图所示：短路电流由电力系统侧在牵引变电所高压侧产生的短路电流和流经牵引供电系统由另一相邻牵引变电所作为电源产生的短路电流叠加构成，前者在本发明中定义为主故障回路短路电流，后者定义为非主故障回路短路电流。按照叠加原理，短路点短路电流为两电流矢量之和。

步骤3：进线电源侧非主故障回路短路电流计算

假设第1电源系统10、第2电源系统20均采用AB相为牵引变电所供电，短路点发生在第1牵引变电所11进线电源侧，非主故障回路短路电流为

k为牵引变压器变比，需要强调的是，由于此时牵引供电系统为单相供电系统，非主故障回路短路电流流经牵引供电系统仅有唯一的模型结构。

此时，短路阻抗

短路阻抗由三部分构成：第2电源系统20短路阻抗，牵引供电系统阻抗(包括牵引变压器阻抗和牵引网阻抗)和第1牵引变电所11至短路点短路阻抗。第2电源系统20短路阻抗

由于该部分电路中三相电流不等，因此，按照序网结构开展计算，为此，将三相电流按零序正序和负序进行分解，按图2可知

则可得：

采用端口网络等效阻抗计算方法，将端口内部电源置零，外部输入电流源I_d2，按照序网计算端口电势、各相电压为：

式中

分别为短路电流在电源系统2上的三相电压，Z_X20 Z_X21 Z_X22分别为第2电源系统20零序、正序和负序阻抗，

分别为短路电流在第2电源系统20中三相电流的零序、正序和负序分量。

则第2电源系统20上AB相电压为：

则归算到牵引侧的短路阻抗为：

牵引供电系统阻抗为：Z_bq＝Z_b1+Z_b2+Z_q，式中Z_b1和Z_b2分别为两牵引变电所中牵引变压器阻抗，Z_q为两所间牵引网阻抗。

第1牵引变电所11至短路点短路阻抗与第2电源系统20短路阻抗推导及结果类似，为：

式中Z_X11Z_X12为第1牵引变电所11至短路点正序和负序短路阻抗。

因此归算到牵引侧的非主故障回路短路阻抗为：

归算到高压系统侧为：Z_D＝Z_x11+Z_x12+Z_x21+Z_x22+k²×(Z_b1+Z_b2+Z_q)。

通过上述推导分析可知，非主故障回路短路电流中零序分量为零，因此经由牵引供电系统的非主故障回路无法提供零序通路(零序阻抗为无穷大，为开路状态)，仅存在正序分量和负序分量，且短路阻抗为系统正序阻抗、负序阻抗与牵引供电系统阻抗之和，正序电流滞后于短路电流30°，负序电流引前于短路电流30°。

步骤4：进线电源侧主故障回路单相接地短路电流计算

考虑应用更为普遍和更具一般性的Vv接线牵引变压器，对于Vv接线牵引变压器，牵引变电所由高压系统侧引入三相电源，采用AB相向两侧供电臂供电，对于双边供电分析而言，不影响非主故障回路相关分析，但对于主故障回路需要考虑高压侧不同相短路的影响。

对于单相接地短路故障，短路系统结构图如图3所示。

当A相发生接地短路(B相发生接地短路同A相发生接地短路，C相发生接地短路按照对称三相系统单相短路进行计算)，A相电源通过电网系统产生短路电流，B相电源通过牵引变压器高压绕组也会产生入地电流，此时牵引变电所高压侧形成相电压供电单相变压器，单边供电方式时、如牵引侧空载，通过变压器高压侧形成的入地电流将大致为额定空载电流的

当有负载时，则大致为负载电流的

(当然，如果负载为牵引列车，由于此时牵引变压器电压降低至27.5/1.732＝15.88kV，低于牵引列车保护定值，列车保护动作，退出运行，则系统处于空载状态，因此，此时通过变压器高压侧形成的入地电流将仅大致为额定空载电流的

)，k为变压器变比。对于双边供电方式，根据步骤三中分析，第1牵引变电所11端口归算到高压侧等效阻抗为：

电网系统通常习惯以特殊相正序、负序和零序列写序网回路方程，绘制序网等效电路，当采用AB相供电时，A相和B相流过短路电流，C相短路电流为零，则C相为有别与其余两相的特殊相。

以C相列写序网电压方程为：

式中

分别为短路点C相零序、正序和负序电压，

分别为C相零序、正序和负序电流，Z_XC0 Z_XC1 Z_XC2分别为C相零序、正序和负序阻抗，

为C相电源电压。可以得到边界条件为：

式中

分别为短路点A相和B相电压，Z_f为短路点D位置对应B相O点至短路点D的过渡阻抗、其值为OD段阻抗(通常为线路阻抗)与第1牵引变电所11端口归算到高压侧等效阻抗Z_D之和。

根据边界条件得：

整理上述两等式，并考虑边界条件：

可得到方程组为：

通过求解上述方程组，可以得到C相正、负、零序电流，进而可以得到A相和B相短路电流。

步骤5：进线电源侧主故障回路两相短路电流计算

对于两相短路故障，短路系统结构图如图4所示。

此时边界条件为：

由于没有接地，零序电流为零。

BC相短路时，则A相为特殊相，可列写方程组：

整理得方程组为：

通过求解上述方程组，可以得到A相正、负序电流，进而可以得到C相和B相短路电流。

步骤6：进线电源侧主故障回路两相接地短路电流计算

对于两相接地短路故障，短路系统结构图如图5所示。

此时边界条件为：

BC相短路时，则A相为特殊相，可列写方程组：

整理得方程组为：

通过求解上述方程组，可以得到A相正、负、零序电流，进而可以得到B相和C相短路电流。

步骤7：进线电源侧短路电流计算

牵引变电所进线电源侧发生短路可分为单相接地短路、三相短路、两相短路和两相接地短路几种形式，步骤2至步骤6对相关形式和公式进行了分析和推导，对上述步骤加以总结，可得出不同短路形式主故障回路和非主故障回路电流，进而可得到短路电流计算方法。下述假定Z₁₁ Z₁₂ Z₁₀为主故障回路高压系统侧正序、负序和零序阻抗。

进线电源侧单相短路电流计算：

双边供电牵引供电系统高压侧发生单相短路时，经由牵引供电系统构成的非主故障回路零序阻抗为无穷大，短路电流为零；主故障回路短路电流按照步骤四中分析方法进行计算。

进线电源侧两相短路电流计算：

双边供电牵引供电系统高压侧采用AB相供电，三相电网系统发生两相不接地短路时，当BC相发生短路(AC相发生短路同BC相短路)非主故障回路短路电流为零；主故障回路短路电流按照步骤五中分析方法进行计算；当供电电源AB相发生短路时，非主故障回路符合步骤三中分析，其短路阻抗为第1牵引变电所11端口归算到高压侧等效阻抗Z_D，主故障回路短路电流按照对称三相系统相间短路进行计算。主故障回路和非主故障回路短路电流计算公式如下：

进线电源侧两相接地短路电流计算：

双边供电牵引供电系统高压侧采用AB相供电，三相电网系统发生两相接地短路时，当BC相发生接地短路(AC相发生接地短路同BC相接地短路)非主故障回路短路电流为零；主故障回路短路电流按照步骤六中分析方法进行计算；当供电电源AB相发生短路时，非主故障回路符合步骤三中分析，其短路阻抗为第1牵引变电所11端口归算到高压侧等效阻抗Z_D，主故障回路短路电流按照对称三相系统相间接地短路进行计算。主故障回路和非主故障回路短路电流计算公式如下：

主故障回路特殊相C相正序、负序和零序短路电流分别为：

进线电源侧三相短路电流计算：

双边供电牵引网高压侧采用三相电源供电，当发生三相短路时，非主故障回路符合步骤三中分析，其短路阻抗为第1牵引变电所11端口归算到高压侧等效阻抗Z_D，主故障回路短路电流按照对称三相系统进行计算。主故障回路和非主故障回路短路电流计算公式如下：

实施例：

某电气化铁路供电系统结构和相关基础数据如图6所示，第1电源系统10、第2电源系统20分别为第1牵引变电所11、第2牵引变电所21提供220kV外部电源，第1电源系统10大方式/小方式短路容量为3112/983MVA，第2电源系统20大方式/小方式短路容量为6029/1746MVA；电网传输系统30的线路长度为116km，单位长度阻抗为0.31Ω/km；第1电源系统10距离第1牵引变电所11的线路长度为72km，单位长度阻抗为0.4Ω/km；第2电源系统20距离第2牵引变电所21的线路长度为17km，单位长度阻抗为0.4Ω/km；第1牵引变电所11和第2牵引变电所21的牵引变压器安装容量均为16MVA，阻抗电压10.5％，变比8；牵引网40的线路长度为47km，单位长度阻抗为0.376Ω/km。根据本发明内容，计算结果如表1～表5所示。

表1高压侧单相接地短路电流

表2高压侧两相不接地短路电流

表3高压侧两相接地短路电流

表4高压侧三相接地短路电流

表5低压侧短路电流表

Claims (2)

1.混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，其特征是：根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统牵引侧短路网络图，计算并分析牵引侧短路时短路点电流；根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路网络图，分析短路点电流为主故障回路和非主故障回路电流矢量和；根据非主故障回路短路阻抗特性和电流向量关系分析计算短路电流；根据主故障回路特性分别计算单相接地短路、两相短路、两相接地短路情况下的短路电流；最后计算进线电源侧单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路时短路点电流；

所述混合电源模式双边供电系统是公用电网为三相、牵引网络为单相的双边供电系统；

所述主故障回路为由电力系统侧在牵引变电所高压侧产生短路电流的故障回路，所述非主故障回路为流经牵引供电系统由另一相邻牵引变电所作为电源产生短路电流的故障回路。

2.如权利要求1所述的混合电源模式双边供电系统电气化铁路短路电流计算方法，具体包括如下步骤：

(1)牵引侧短路电流分析与计算，根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统牵引侧短路网络图，分析计算短路点电流；

(2)进线电源侧短路电流分析，根据电气化铁路混合电源模式双边供电系统进线电源侧短路网络图，分析短路点电流为双边供电系统主故障回路和非主故障回路电流矢量和；

(3)进线电源侧非主故障回路短路电流计算，根据非主故障回路短路阻抗特性和电流向量关系分析计算短路电流；

(4)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算单相接地短路情况下短路电流；

(5)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算两相短路情况下短路电流；

(6)进线电源侧主故障回路短路电流计算，根据主故障回路特性计算两相接地短路情况下短路电流；

(7)进线电源侧短路电流计算，根据上述对主故障回路和非主故障回路的短路电流计算，分别计算单相接地短路、两相短路、两相接地短路和三相短路情况下短路点电流。

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