鮑英豪

0 前言

隨著我國(guó)鐵路的高速、重載化的快速發(fā)展，電力機(jī)車牽引是最好的選擇。AT供電方式具有供電距離長(zhǎng)、牽引網(wǎng)電壓損耗小和抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，廣泛受到國(guó)內(nèi)外高速鐵路的青睞。目前我國(guó)幾乎所有的客運(yùn)專線及城際鐵路均按全并聯(lián) AT供電方式設(shè)計(jì)。全并聯(lián)AT供電方式在我國(guó)的高速鐵路供電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)是將上下行線路在牽引變電所、AT所、分區(qū)所通過(guò)橫連線連接起來(lái)的供電系統(tǒng)，因此該供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)阻抗更小，從而使網(wǎng)損、壓降更小，改善了供電條件，但同時(shí)也使供電系統(tǒng)的接線更加復(fù)雜，相對(duì)其他供電系統(tǒng)故障率更高。為了滿足我國(guó)高速鐵路發(fā)展的需要，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，要求保護(hù)裝置能夠迅速反應(yīng)，及時(shí)可靠地動(dòng)作，并盡可能地減少停電范圍，而且可以測(cè)到故障地點(diǎn)，及時(shí)解決故障，恢復(fù)系統(tǒng)供電，因此系統(tǒng)地研究一套適合該供電方式的保護(hù)、測(cè)距方案是十分必要的。

本文針對(duì)全并聯(lián)AT供電方式的特殊性，提出了一套保護(hù)方案，并在該保護(hù)方案的基礎(chǔ)上提出一種新型、簡(jiǎn)單的故障測(cè)距方案。

1 全并聯(lián)AT供電方式保護(hù)流程

全并聯(lián)AT供電方式供電臂電路圖見(jiàn)圖1。

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)是將上下行AT供電線路并聯(lián)起來(lái)的供電系統(tǒng)，因此當(dāng)發(fā)生故障時(shí)必然要使上下行保護(hù)裝置同時(shí)動(dòng)作，才能切除故障，這樣就會(huì)擴(kuò)大停電范圍，造成上下行線路同時(shí)停電。為了盡可能減少停電范圍，僅使故障線路退出運(yùn)行，本文提出圖2所示的保護(hù)動(dòng)作流程。

由圖2可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，上下行供電系統(tǒng)斷路器同時(shí)跳閘，使系統(tǒng)全部停電。在變電所饋線重合閘動(dòng)作之前，進(jìn)行以下操作步驟：①斷開分區(qū)所饋線斷路器、橫連線隔離開關(guān)，使系統(tǒng)解列；②為了減少對(duì)饋線處斷路器的沖擊，減少線路勵(lì)磁電流，增加瞬時(shí)故障時(shí)重合閘的重合成功率，將所有自耦變壓器與系統(tǒng)斷開。經(jīng)過(guò)以上操作，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)變成上下行相互獨(dú)立的直接供電系統(tǒng)，這樣就使故障線路和非故障線路分開，減少停電范圍。重合閘動(dòng)作之后，非故障線路恢復(fù)正常供電，接上自耦變壓器，變成AT供電方式，故障線路重合閘重合失敗，退出運(yùn)行。

通過(guò)上面的動(dòng)作流程，可以有效地避免全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)由于故障而造成的上下行線路同時(shí)停電，將故障隔離在故障線路中，非故障線路繼續(xù)運(yùn)行，縮小了停電范圍。

圖1 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)供電臂電路圖

圖2 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作流程圖

2 全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)

表1列出了變電所、AT所和分區(qū)所的饋線保護(hù)方式。

從圖2的保護(hù)動(dòng)作流程可見(jiàn)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，供電系統(tǒng)在重合閘動(dòng)作之前是全并聯(lián) AT供電方式，重合閘動(dòng)作之后是直接供電方式，因此保護(hù)動(dòng)作裝置的整定值在重合閘動(dòng)作前后是不同的，這也是全并聯(lián)AT供電方式的保護(hù)方案與其他供電方式保護(hù)方案的不同之處。

表1 饋線保護(hù)方式表

2.1 距離保護(hù)

距離保護(hù)是變電所饋線的主保護(hù)，為了便于說(shuō)明，本文只設(shè)置一段距離保護(hù)（事實(shí)上，一般 AT供電方式距離保護(hù)都配置兩段），即阻抗Ⅰ段，保護(hù)供電臂的全長(zhǎng)，整定值按供電臂的最大線路阻抗整定。圖3為重合閘動(dòng)作前后的T-R短路阻抗曲線。

2.1.1 保護(hù)整定

由圖3可見(jiàn)，重合閘動(dòng)作前后的線路短路阻抗發(fā)生了很大的變化，重合閘動(dòng)作之后的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于重合閘動(dòng)作之前的阻抗，而且供電臂越長(zhǎng)，阻抗差越大。保護(hù)整定值如果按照重合閘動(dòng)作之前的阻抗值整定，重合閘動(dòng)作之后保護(hù)裝置很可能由于整定值過(guò)小而不能動(dòng)作，造成其拒動(dòng)；如果按照重合閘動(dòng)作之后的阻抗值整定，線路在正常運(yùn)行的情況下，保護(hù)裝置可能會(huì)由于保護(hù)整定值過(guò)大而誤動(dòng)，所以保護(hù)整定值在重合閘前后要發(fā)生變化。

圖3 重合閘動(dòng)作前后的短路阻抗曲線圖

在重合閘動(dòng)作之前，保護(hù)裝置按照全并聯(lián) AT供電方式供電臂的最大線路短路阻抗整定，本文稱為前阻抗I段，即

重合閘動(dòng)作之后，保護(hù)裝置按照直接供電方式供電臂的最大線路短路阻抗整定，本文稱為后阻抗I段，即

后阻抗I段是重合閘動(dòng)作以后的主保護(hù)，因此在時(shí)間整定上必須躲過(guò)重合閘的動(dòng)作時(shí)間。

2.1.2 重合閘動(dòng)作前后的保護(hù)配合

對(duì)于同一個(gè)斷路器，保護(hù)裝置配置了2個(gè)整定值，為了使其能夠可靠地動(dòng)作，將重合閘前后的保護(hù)動(dòng)作有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，才能有效地發(fā)揮保護(hù)裝置的作用。

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，在重合閘動(dòng)作之前，保護(hù)裝置按前阻抗I段的整定值動(dòng)作，這時(shí)裝置的后阻抗I段被激活，重合閘動(dòng)作之后，前阻抗I段被屏蔽，保護(hù)裝置按后阻抗I段的整定值動(dòng)作。

圖4表示后阻抗I段保護(hù)的原理框圖。

在動(dòng)作特性上，選擇自適應(yīng)Ⅲ段保護(hù)的平行四邊形和多邊形動(dòng)作特性。

圖4 后阻抗I段保護(hù)的原理框圖（tch為饋線自動(dòng)重合閘的動(dòng)作時(shí)限）

2.1.3 故障地點(diǎn)對(duì)保護(hù)的影響

（1）故障發(fā)生在第1個(gè)AT段。當(dāng)故障發(fā)生在第1個(gè)AT段時(shí)，故障線路和非故障線路的測(cè)量阻抗是不同的，如圖5所示。

圖5 故障線路與非故障線路阻抗曲線圖

當(dāng)故障發(fā)生在第1個(gè)AT段時(shí)，非故障線路的阻抗大于故障線路的阻抗，并且離變電所越近，非故障線路的阻抗越大，從而會(huì)出現(xiàn)非故障線路的測(cè)量值大于保護(hù)整定值的情況，導(dǎo)致非故障線路距離保護(hù)裝置拒動(dòng)，因此，要求上下行饋線斷路器聯(lián)動(dòng)，同時(shí)動(dòng)作。

（2）故障發(fā)生在其他AT段（非第1個(gè)AT段）。由圖5可知，當(dāng)故障發(fā)生在其他AT段時(shí)，故障線路和非故障線路的保護(hù)裝置測(cè)得的短路阻抗值相同，可以同時(shí)跳閘。

2.2 電流速斷保護(hù)

電流速斷保護(hù)是距離保護(hù)的后備保護(hù)，消除距離保護(hù)的動(dòng)作死區(qū)。根據(jù)圖 2所示的保護(hù)動(dòng)作流程，電流速斷保護(hù)裝置同樣在重合閘動(dòng)作前后需有不同的整定值。與距離保護(hù)相同，同一個(gè)斷路器配置前電流I段保護(hù)和后電流I段保護(hù)。

前電流I段保護(hù)作為前阻抗I段保護(hù)的后備保護(hù)，保護(hù)裝置按躲開全并聯(lián)AT供電方式最大負(fù)荷電流整定，動(dòng)作時(shí)限按斷開前阻抗I段保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限整定。

后電流I段作為后阻抗I段的后備保護(hù)，保護(hù)裝置按躲開直接供電方式的最大負(fù)荷電流整定。

后電流I段保護(hù)裝置與后阻抗I段保護(hù)裝置的動(dòng)作條件相同，必須是在前電流I段保護(hù)裝置動(dòng)作之后才能被激活，其動(dòng)作框圖如圖6所示，動(dòng)作時(shí)限按躲開后阻抗I段保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間整定。

圖6 后電流I段保護(hù)裝置的動(dòng)作框圖（th為后阻抗I段的動(dòng)作時(shí)限）

2.3 電流增量保護(hù)

電流增量ΔI保護(hù)是為牽引網(wǎng)饋線斷線接地故障增設(shè)的保護(hù)，與阻抗保護(hù)共同構(gòu)成牽引網(wǎng)饋線保護(hù)的雙重保護(hù)。

動(dòng)作方程

式中，I1h、I1q為當(dāng)前和1周波前饋線基波電流，A；KA為綜合諧波抑制系數(shù)，KA= int(10×K∑h)；K∑h為1周波前的綜合諧波含量；ΔIZD為電流增量保護(hù)整定值，A；KYL為2次諧波閉鎖整定值，ΔIZD為電流增量保護(hù)的整定值，大小為1輛機(jī)車的啟動(dòng)電流，A。

2.4 失壓保護(hù)

當(dāng)線路中發(fā)生故障時(shí)，牽引變電所的饋線斷路器動(dòng)作，斷開上下行線路，這時(shí)分區(qū)所、AT所的失壓保護(hù)裝置動(dòng)作，斷開斷路器，使系統(tǒng)變成上下行相互獨(dú)立的直接供電系統(tǒng)。

2.5 重合閘

變電所自動(dòng)重合閘是為了消除線路的瞬時(shí)性故障，分區(qū)所和AT所的線路有壓自動(dòng)重合閘是當(dāng)線路恢復(fù)正常供電時(shí)的自動(dòng)重合裝置，將系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)成AT供電系統(tǒng)。線路有壓自動(dòng)重合閘，可以自動(dòng)地將自耦變壓器斷路器接通，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。注意，對(duì)于自耦變壓器的重合閘，不應(yīng)同時(shí)動(dòng)作，以避免由于多臺(tái)自耦變壓器同時(shí)接入線路使線路的勵(lì)磁過(guò)多而導(dǎo)致變電所饋線保護(hù)裝置誤動(dòng)。筆者的看法：離變電所越近的自耦變壓器重合閘整定時(shí)間越短，離變電所越遠(yuǎn)的整定時(shí)間越長(zhǎng)。

3 全并聯(lián)AT供電方式故障測(cè)距

全并聯(lián)AT供電方式由于接線上比較復(fù)雜，故障率相對(duì)也比較高，因此配置故障測(cè)距裝置，在線路發(fā)生故障時(shí)能夠準(zhǔn)確地定位故障地點(diǎn)是十分必要的。針對(duì)全并聯(lián)AT供電方式的特點(diǎn)，研究人員進(jìn)行了廣泛的研究，提出了“吸上電流比”、“橫連線電流比”等故障測(cè)距原理，雖然其精確度比較高，適合工程需要，但需要在每個(gè)AT所和分區(qū)所安裝檢測(cè)裝置以采集相應(yīng)的電流量、電壓量，并且還需要專用的通道傳輸信息，匯總后才能計(jì)算出故障距離，這就使投資增大和對(duì)信息通道產(chǎn)生依賴。本文提出一種只需測(cè)量牽引變電所電壓和電流量就可以進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)距的方法。

根據(jù)圖2所示的保護(hù)動(dòng)作流程，當(dāng)線路發(fā)生故障，在饋線斷路器動(dòng)作后，重合閘動(dòng)作前，供電方式已經(jīng)變成上下行相互獨(dú)立的直接供電方式。此時(shí)變電所出口處的阻抗與故障距離成正比，因此根據(jù)該特點(diǎn)，在重合閘動(dòng)作之前，記錄變電所出口處電壓量和電流量，就可很容易計(jì)算故障距離。

以T-R短路為例，重合閘時(shí)供電方式的示意圖和等值電路如圖7 a，b所示。

圖7 直接供電方式和其等值電路圖

由圖7 b很容易得到如下方程：

式中，L為故障點(diǎn)距變電所的距離，km；U為饋線處的電壓，kV；I為接觸線的電流，kA；ZT為接觸線的單位自阻抗，Ω；ZR為鋼軌的單位自阻抗，Ω；ZTR為接觸線與鋼軌的單位互阻抗，Ω；Z為牽引網(wǎng)的單位阻抗。

可見(jiàn)，配合保護(hù)的故障測(cè)距方法與傳統(tǒng)的故障測(cè)距方法相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：①測(cè)量數(shù)據(jù)少，只需在重合閘時(shí)測(cè)量牽引變電所饋線處的電壓量和電流量；②測(cè)量點(diǎn)少，只需在變電所饋線處加裝測(cè)量裝置或調(diào)用保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)；③不需要專門的通信通道，由于本文介紹的測(cè)距方法只需測(cè)量饋線處的數(shù)據(jù)，所以不再依賴遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)，也就不需要專用的通信通道；④容易判斷故障類型，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，某一相中沒(méi)有電流，可以判斷該相沒(méi)有發(fā)生故障，而是其他兩相發(fā)生了故障。

4 結(jié)論

根據(jù)全并聯(lián)AT供電方式的特點(diǎn)，提出的保護(hù)動(dòng)作流程能夠增加饋線重合閘重合的成功率，消除瞬時(shí)故障，同時(shí)可減少停電范圍，滿足高速鐵路的需要。根據(jù)重合閘前后供電方式的改變，提出了不同的整定方案，并給出了他們之間的配合方案，保證線路保護(hù)裝置不誤動(dòng)和不拒動(dòng)。與保護(hù)相配合的故障測(cè)距可以非常簡(jiǎn)單、方便地計(jì)算故障距離，與其他AT供電方式的故障測(cè)距方案有較大的差異，具有測(cè)量點(diǎn)少、不需要專用通道等優(yōu)點(diǎn)。

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