论文部分内容阅读
摘要：铁路电力系统在不正常运行状态下，会出现三相电压不平衡或（和）不对称现象。因此，分析其各种电压值及其它相关信息，对正确、及时地处理故障有着积极的现实意义。
关键词：铁路；电力；故障；分析
Abstract: there will be three-phase voltage unbalance or asymmetry when the railway power system not in the normal operation state. Therefore, to analyze its various voltage values 愠渀搀 other relevant information will have a positive and practical significance for deal with the fault accurately and timely.Key words: railway; electricity; failure; analysis
中图分类号：U223.6 文献标识码：A文章编号：
1. 引言
一般情况下，铁路电力供电系统的电源直接来自电力系统，三相电能是对称和平衡的，即无负序和零序电量。但是由于电网故障以及结构、负荷等的变化，特别是发生故障时，会引起系统出现异常：三相电压电流不对称、不平衡。铁路电力供电系统出现不正常或故障运行情况时，都会间接或直接地威胁电力供电安全，因此只有严格地分析各种运行方式下线电压、相电压、零序电压和负序电压的变化及其它相关信息，才能正确地区分出单相接地、相序异常、变压器高压缺相、电压互感器一次或二次侧熔丝熔断等情况，从而采取有针对性的措施，正确、及时地处理故障。
2.各种异常运行状况下电压的理论分析
2.1单相接地
在我国，6～35KV电力系统中采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，又称小电流接地系统。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的不正常运行状态。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，系统相电压由对称变成不对称(见图1)，而线电压却依然对称(因负序电压等于零，见图2)，不影响三相用户的供电，只对单相用户的供电产生影响。因此，规程规定：系统中发生单相接地后，允许带单相故障继续运行2小时，以便查找和排除故障，恢复电能质量。
但升高的非故障相电压，可能使该系统的电力设备在绝缘薄弱处引起绝缘闪络、击穿，从而使不正常运行状态发展成故障状态。所以，应向值班人员发出警告，并尽快排除单相接地故障。
对于单相接地现象有时会造成一些错误的判断：一种情况是由于线路的对地电容不平衡度较大或换相联接不彻底时，会造成中性点偏移，造成虚幻接地而查不出故障点，这种情况常发生在有长大电缆、较长距离的轻负荷线路上；第二种情况是在线路上出现单相接地时，忽视了相、线、零序、负序电压的变化，仅把电压最低的一相当做故障相而造成误判断。
在排除了虚幻接地的可能后，以下判据可有助于我们判断单相接地：两相电压升高，一相电压降低，线电压基本平衡；金属性接地时零序电压等于相电压，而负序电压接近于零。
另外，小电流接地选线装置对接地的判定从母线进一步定位到线路上，其判据有四：一是零序电压超限，二是某线路零序电流增大，三是该线路零序电流是其它线路零序电流之和，四是该零序电流超前零序电压90，即判定该线路接地。在硬件设置中要注意两点：一是电压参量从零序电压过滤器取得，即开口三角电压，不能采用计算值；二是电流参量从零电流过滤器取得，即零序电流互感器，亦不能采用计算值，同时在安装时要注意接地线必须穿过零序流互铁芯，而且要注意其零序电压、零序电流的极性，否则将出现误判。
2.2相序异常
在电力线路出现线缆接续、新电源引入及设备改造后，往往出现相序异常的情况。在计算电力系统不对称情况下引用了对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为三个平衡的相量成分即正相序（UA1、UB1、UC1）、负相序（UA2、UB2、UC2）和零相序（UA0、UB0、UC0），即有：
UA=UA1+UA2+UA0UB=UB1+UB2+UB0UC=UC1+UC2+UC0
其中：正相序的相序（顺时针方向）依次为UA1、UB1、UC1，大小相等，互隔120；负相序的相序（逆时针方向）依次为UA2、UB2、UC2，大小相等，互隔120 ；零相序大小相等且同相。在对称分量法中引用算子a，其定义是單位相量依逆时针方向旋转120 ，则有：
UA0=1/3（UA+UB+UC）
UA1=1/3（UA+aUB+aaUC）
UA2=1/3（UA+aaUB+aUC）
当系统相序异常时，图解法如图3所示,由图可知：其电压只有负序分量UA2，B、C相同A相。
其典型的判据是：三个相、线电压均平衡，但相间的角度为240°，同时出现负序电压（幅值即为相电压），正序U1、零序电压为零，微保装置会同时报单相接地和PT断线。
2.3变压器高压断相
若变压器高压侧一次采用熔丝保护，因某种原因缺相后，虽在一般情况下不产生危险的大电流和高电压，但此时输送给用户的是不合格的电能，故须按故障现象迅速判断、隔离故障点。但是此时在母线反映出的异常情况与母线电压互感器的一次侧熔丝熔断有点相似，易引起误判。现对变压器高压侧（35KV）断一相进行分析。如图4所示为绕组以YnD11联结的35/10KV双绕组变压器假设B相断开时的示意图。变压器的高压断相后，各相的电压变化与系统容量、变压器接线方式、负荷对称程度等多种因素有非常密切的关系，需要按照不对称电路进行具体的计算和分析。对图4接线方式（YnD11）的变压器，假设变压器的负荷完全对称，电源侧容量无穷大，当高压侧B相缺相运行时，各相电压变化如下：
变压器高压侧（电源侧）：
UAB＝UBC＝UCA＝35kV,
变压器低压侧（负荷侧）：
Uab＝5KVUbc＝5kV； Uca＝10kV。
在实际运行中，结合高压侧PT断线报警、用高压带电显示器和验电器验电并排除单接地后确认为高压断相，是判定变压器高压缺相切实可行的办法，其电压表现列于表1中。
对于在运行中因接续不良导致的负荷电压波动，则有以下表现：一、电压与取流值相关，电流的微小变化将导致电压的较大变化；二、变压器、断路器、隔离开关或线缆接头的直流电阻不满足规定要求；三、电压表、功率因数表、功率表摆动较大；四、微机保护装置报测频异常报警等信息。
2.4电压互感器一次侧熔丝熔断
当电压互感器一次侧熔丝熔断时，熔断相电压降低，但由于电压互感器还会有一定的感应电压，所以其电压并不为零，而其余两相为正常电压，其相角为120°，同时由于断相造成三相电压不平衡，故开口三角形处出现零序电压，电压互感器B相一次侧熔丝熔断时电压相量如图5所示。零序电压接近相电压，故会启动PT断线和接地报警装置。
变压器高压B相缺相、电压互感器的一次侧B相熔丝熔断、B相直接接地的异常情况下各相电压的比较见表1。
2.5电压互感器二次侧熔丝熔断
电压互感器二次侧熔丝熔断时，一次侧三相电压仍平衡，故开口三角形没有电压，因而不会发接地报警信号，这是与高压熔丝熔断的不同之处，其他现象均同高压熔丝熔断的情况，同理，此时也会发PT断线报警。
当线路或带电设备的某点发生金属性接地时，接地相与大地同电位，两正常相的对地电压数值上升为线电压，产生严重的中性点位移。中性点位移电压的方向与接地相电压在同一直线上，但与接地相电压方向相反，大小相等。
现把单相接地与电压互感器的一次、二次侧熔丝熔断这三种故障时的电压显示情况列于表2。
3.结语
设备运行过程中，总会出现的各种情况致使电压显示不平衡，应具体情况具体分析，准确用排除法判断，才能正确和及时地“对症下药”，保证设备的安全运行和可靠供电。正确地分析电压参量的差别，结合其它技术手段和措施熟练掌握各种故障的判断技巧，可大大地减少误判断的可能，从而缩小排除故障的时间和避免事故范围的进一步扩大，确保铁道安全供电和运输畅通。
参考文献
《高电压技术》西安电力学校赵文中主编中国电力出版社
《继电保护及自动装置》王永康主编中国铁道出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：铁路；电力；故障；分析
Abstract: there will be three-phase voltage unbalance or asymmetry when the railway power system not in the normal operation state. Therefore, to analyze its various voltage values 愠渀搀 other relevant information will have a positive and practical significance for deal with the fault accurately and timely.Key words: railway; electricity; failure; analysis
中图分类号：U223.6 文献标识码：A文章编号：
1. 引言
一般情况下，铁路电力供电系统的电源直接来自电力系统，三相电能是对称和平衡的，即无负序和零序电量。但是由于电网故障以及结构、负荷等的变化，特别是发生故障时，会引起系统出现异常：三相电压电流不对称、不平衡。铁路电力供电系统出现不正常或故障运行情况时，都会间接或直接地威胁电力供电安全，因此只有严格地分析各种运行方式下线电压、相电压、零序电压和负序电压的变化及其它相关信息，才能正确地区分出单相接地、相序异常、变压器高压缺相、电压互感器一次或二次侧熔丝熔断等情况，从而采取有针对性的措施，正确、及时地处理故障。
2.各种异常运行状况下电压的理论分析
2.1单相接地
在我国，6～35KV电力系统中采用中性点不接地或经消弧线圈接地的运行方式，又称小电流接地系统。在小电流接地系统中，单相接地是一种常见的不正常运行状态。发生单相接地后，故障相对地电压降低，非故障两相的相电压升高，系统相电压由对称变成不对称(见图1)，而线电压却依然对称(因负序电压等于零，见图2)，不影响三相用户的供电，只对单相用户的供电产生影响。因此，规程规定：系统中发生单相接地后，允许带单相故障继续运行2小时，以便查找和排除故障，恢复电能质量。
但升高的非故障相电压，可能使该系统的电力设备在绝缘薄弱处引起绝缘闪络、击穿，从而使不正常运行状态发展成故障状态。所以，应向值班人员发出警告，并尽快排除单相接地故障。
对于单相接地现象有时会造成一些错误的判断：一种情况是由于线路的对地电容不平衡度较大或换相联接不彻底时，会造成中性点偏移，造成虚幻接地而查不出故障点，这种情况常发生在有长大电缆、较长距离的轻负荷线路上；第二种情况是在线路上出现单相接地时，忽视了相、线、零序、负序电压的变化，仅把电压最低的一相当做故障相而造成误判断。
在排除了虚幻接地的可能后，以下判据可有助于我们判断单相接地：两相电压升高，一相电压降低，线电压基本平衡；金属性接地时零序电压等于相电压，而负序电压接近于零。
另外，小电流接地选线装置对接地的判定从母线进一步定位到线路上，其判据有四：一是零序电压超限，二是某线路零序电流增大，三是该线路零序电流是其它线路零序电流之和，四是该零序电流超前零序电压90，即判定该线路接地。在硬件设置中要注意两点：一是电压参量从零序电压过滤器取得，即开口三角电压，不能采用计算值；二是电流参量从零电流过滤器取得，即零序电流互感器，亦不能采用计算值，同时在安装时要注意接地线必须穿过零序流互铁芯，而且要注意其零序电压、零序电流的极性，否则将出现误判。
2.2相序异常
在电力线路出现线缆接续、新电源引入及设备改造后，往往出现相序异常的情况。在计算电力系统不对称情况下引用了对称分量法，即任何三相不平衡的电流、电压或阻抗都可以分解成为三个平衡的相量成分即正相序（UA1、UB1、UC1）、负相序（UA2、UB2、UC2）和零相序（UA0、UB0、UC0），即有：
UA=UA1+UA2+UA0UB=UB1+UB2+UB0UC=UC1+UC2+UC0
其中：正相序的相序（顺时针方向）依次为UA1、UB1、UC1，大小相等，互隔120；负相序的相序（逆时针方向）依次为UA2、UB2、UC2，大小相等，互隔120 ；零相序大小相等且同相。在对称分量法中引用算子a，其定义是單位相量依逆时针方向旋转120 ，则有：
UA0=1/3（UA+UB+UC）
UA1=1/3（UA+aUB+aaUC）
UA2=1/3（UA+aaUB+aUC）
当系统相序异常时，图解法如图3所示,由图可知：其电压只有负序分量UA2，B、C相同A相。
其典型的判据是：三个相、线电压均平衡，但相间的角度为240°，同时出现负序电压（幅值即为相电压），正序U1、零序电压为零，微保装置会同时报单相接地和PT断线。
2.3变压器高压断相
若变压器高压侧一次采用熔丝保护，因某种原因缺相后，虽在一般情况下不产生危险的大电流和高电压，但此时输送给用户的是不合格的电能，故须按故障现象迅速判断、隔离故障点。但是此时在母线反映出的异常情况与母线电压互感器的一次侧熔丝熔断有点相似，易引起误判。现对变压器高压侧（35KV）断一相进行分析。如图4所示为绕组以YnD11联结的35/10KV双绕组变压器假设B相断开时的示意图。变压器的高压断相后，各相的电压变化与系统容量、变压器接线方式、负荷对称程度等多种因素有非常密切的关系，需要按照不对称电路进行具体的计算和分析。对图4接线方式（YnD11）的变压器，假设变压器的负荷完全对称，电源侧容量无穷大，当高压侧B相缺相运行时，各相电压变化如下：
变压器高压侧（电源侧）：
UAB＝UBC＝UCA＝35kV,
变压器低压侧（负荷侧）：
Uab＝5KVUbc＝5kV； Uca＝10kV。
在实际运行中，结合高压侧PT断线报警、用高压带电显示器和验电器验电并排除单接地后确认为高压断相，是判定变压器高压缺相切实可行的办法，其电压表现列于表1中。
对于在运行中因接续不良导致的负荷电压波动，则有以下表现：一、电压与取流值相关，电流的微小变化将导致电压的较大变化；二、变压器、断路器、隔离开关或线缆接头的直流电阻不满足规定要求；三、电压表、功率因数表、功率表摆动较大；四、微机保护装置报测频异常报警等信息。
2.4电压互感器一次侧熔丝熔断
当电压互感器一次侧熔丝熔断时，熔断相电压降低，但由于电压互感器还会有一定的感应电压，所以其电压并不为零，而其余两相为正常电压，其相角为120°，同时由于断相造成三相电压不平衡，故开口三角形处出现零序电压，电压互感器B相一次侧熔丝熔断时电压相量如图5所示。零序电压接近相电压，故会启动PT断线和接地报警装置。
变压器高压B相缺相、电压互感器的一次侧B相熔丝熔断、B相直接接地的异常情况下各相电压的比较见表1。
2.5电压互感器二次侧熔丝熔断
电压互感器二次侧熔丝熔断时，一次侧三相电压仍平衡，故开口三角形没有电压，因而不会发接地报警信号，这是与高压熔丝熔断的不同之处，其他现象均同高压熔丝熔断的情况，同理，此时也会发PT断线报警。
当线路或带电设备的某点发生金属性接地时，接地相与大地同电位，两正常相的对地电压数值上升为线电压，产生严重的中性点位移。中性点位移电压的方向与接地相电压在同一直线上，但与接地相电压方向相反，大小相等。
现把单相接地与电压互感器的一次、二次侧熔丝熔断这三种故障时的电压显示情况列于表2。
3.结语
设备运行过程中，总会出现的各种情况致使电压显示不平衡，应具体情况具体分析，准确用排除法判断，才能正确和及时地“对症下药”，保证设备的安全运行和可靠供电。正确地分析电压参量的差别，结合其它技术手段和措施熟练掌握各种故障的判断技巧，可大大地减少误判断的可能，从而缩小排除故障的时间和避免事故范围的进一步扩大，确保铁道安全供电和运输畅通。
参考文献
《高电压技术》西安电力学校赵文中主编中国电力出版社
《继电保护及自动装置》王永康主编中国铁道出版社
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。