李 強，宋琳琳，李 波，尤 志

0 引言

目前電氣化鐵道存在多種供電方式，主要有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、BT供電方式、AT供電方式等[1]。由于AT供電方式具有供電距離長、牽引網(wǎng)電壓損失小、電能損失小和對通信線路影響小等優(yōu)點，受到了國內外高速鐵路的青睞。國內的客運專線和城際鐵路幾乎都采用全并聯(lián)AT供電方式[2]。

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)是將上下行供電臂在變電所、AT所和分區(qū)所通過斷路器和隔離開關實現(xiàn)并聯(lián)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)能減小接觸網(wǎng)單位阻抗、降低電壓損失、增加供電能力和改善供電質量。全并聯(lián)AT供電方式較其他供電方式復雜，發(fā)生故障的概率大，停電影響范圍廣，因此，研究一套適應該供電方式的饋線保護策略是很重要的，同時由于有效的整定值是保護可靠動作的關鍵，所以，只有同時具備兩者才能保障牽引供電系統(tǒng)的安全性，并提高牽引供電系統(tǒng)的可靠性。

1 全并聯(lián)AT供電方式饋線保護策略

全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)（如圖1）發(fā)生故障時，上下行需要同時跳閘，才能切除故障，但是這樣會擴大停電范圍，使故障線路和非故障線路同時停電。饋線保護策略應該盡量縮小發(fā)生故障時的停電范圍，并要求故障線路及時退出運行，非故障線路快速恢復供電。

圖1 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)供電臂示意圖

由圖 1可見，由于牽引變電所主變壓器采用V/X接線，所以在出口處不需要單獨設AT變壓器。在正常運行時 AT所和分區(qū)所自耦變壓器 1臺運行，1臺備用，所有饋線斷路器和隔離開關都閉合。當發(fā)生故障時（如K1處短路），斷路器動作順序如下：①1QF和2QF同時跳閘，使上下行全部停電。②AT所和分區(qū)所檢測到線路失壓，使其斷路器（3QF、4QF、5QF和6QF）跳閘。經(jīng)過上面的操作，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)變成上下行相互獨立的直接供電系統(tǒng)，同時使故障線路和非故障線路分隔開。③饋線斷路器（1QF和2QF）重合閘，若K1處故障是永久性故障，則上行重合閘失敗，下行重合閘成功，否則上下行重合閘都成功。④當AT所和分區(qū)所檢測到線路有壓后，相應斷路器進行重合閘。由于所有AT變壓器同時投入，會使線路產(chǎn)生較大的勵磁涌流，為了避免較大的勵磁涌流對斷路器等設備產(chǎn)生影響和引起保護誤動，AT變壓器按距離牽引變電所的近遠，通過一定時限配合依次重合閘，同時系統(tǒng)由直接供電方式逐漸變成AT供電方式（如3QF和4QF檢測到線路有壓后，通過一定時間延遲進行重合閘，而5QF和6QF重合閘的時間延遲較3QF和4QF長）。

通過上面的保護策略，若線路為永久性故障，可以使非故障線路快速恢復正常供電，故障線路退出運行；若為瞬時性故障，上下行可以快速恢復成全并聯(lián)AT供電方式。

2 全并聯(lián)AT供電方式保護配置

由文獻[2]可知，變電所、AT所和分區(qū)所的饋線保護配置如表1所示。

表1 饋線保護方案表

表 1中的饋線保護配置能夠滿足上面所提到的保護策略要求，只是需要各種保護之間有一定的時限配合。距離保護是變電所饋線的主保護，全并聯(lián)AT供電方式采用自適應四邊形動作特性，設置一段距離保護即阻抗1段，保護范圍按供電臂全長整定，電抗整定值按供電臂范圍內發(fā)生不同類型短路故障時保護安裝處測得的最大電抗乘以可靠系數(shù)整定，電阻整定值根據(jù)最大負荷阻抗值整定。

電流速斷保護和電流增量保護是饋線的后備保護，主要用于消除距離保護死區(qū)和高阻抗斷線故障。AT所和分區(qū)所除了失壓保護和檢有壓重合閘外，針對AT變壓器還設置了差動保護、碰殼保護、過電流保護、過負荷保護以及非電量保護。

3 永久性故障對距離保護的影響

如上行K1處發(fā)生永久性故障，則饋線保護應先將所有斷路器斷開，然后進行重合閘操作恢復下行供電，上行退出運行。由文獻[2]分析可知，重合閘前后距離保護如果按一個固定值進行整定，距離保護可能會出現(xiàn)拒動或誤動現(xiàn)象，從而提出了采用重合閘前和重合閘后2個不同的整定值，并且給出了具體的邏輯關系來啟動重合閘后阻抗值，通過該方法保障距離保護的可靠性。

由于非故障線路是一個逐漸恢復供電的過程，在恢復供電過程中是否出現(xiàn)距離保護的拒動或者誤動，文獻[2]中沒有進行具體分析。下面通過對線路仿真來研究該過程對距離保護的影響。

3.1 全并聯(lián)AT供電方式短路仿真分析

圖 2為通過仿真得出的牽引網(wǎng)發(fā)生金屬性短路故障時的阻抗曲線。

圖2 全并聯(lián)AT供電方式短路阻抗曲線圖

仿真參數(shù)為[3]L1= 15 km，L2= 15 km，

ZT= 0.231 4 + j0.683 1，ZR= 0.140 0 + j0.582 6，

ZF= 0.212 0 + j0.746 3，ZTR= 0.050 0 + j0.313 7，

ZTF= 0.050 0 + j0.413 3，ZFR= 0.050 0 + j0.305 3，單位均為Ω/km。

由圖2分析可知，線路短路阻抗為一系列馬鞍形曲線，由于AT變壓器存在漏抗，使得TR短路、FR短路與TF短路在牽引變電所出口處、AT所處和分區(qū)所處有一固定差。

3.2 直接供電方式下短路仿真分析

重合閘后，所有的AT變壓器都沒有投入運行，此時的線路為直接供電方式，仿真圖形如圖 3所示?？梢钥闯龀薚F短路外，TR短路和FR短路與全并聯(lián)AT供電方式短路阻抗存在較大差異，且供電臂越長，該差異越大，若此時全并聯(lián)AT供電的阻抗整定值不變，會引起距離保護拒動現(xiàn)象。

圖3 直接供電方式短路阻抗曲線圖

3.3 AT變壓器投入過程短路仿真分析

由前面的分析可知，AT變壓器是逐個投入運行的，按距離牽引變電所的近遠，通過一定時限配合依次投入，先投入AT1或者AT2，隨后投入AT3或者AT4，仿真圖形如圖4、圖5所示。可以看出,只有AT所投入時，線路阻抗在AT所到分區(qū)所之間呈線性分布，而分區(qū)所投入運行后線路短路阻抗為馬鞍形曲線，但是數(shù)值上與全并聯(lián)AT供電的短路阻抗值有一定差異。

圖4 AT所投入到線路時短路阻抗曲線圖

圖5 AT所和分區(qū)所投入到線路時短路阻抗曲線圖

3.4 AT所變壓器退出運行短路仿真分析

通過AT變壓器的逐漸投入，使全并聯(lián)AT供電方式變成了單線AT供電方式。AT所采用變壓器固定備用方式，當1臺變壓器故障退出運行時，另外1臺變壓器通過備用自投裝置使其投入運行，這樣就可以保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，但是也會因母線故障等原因使2臺AT變壓器同時退出運行，圖6為AT所退出運行時線路的短路阻抗曲線圖。

圖6 AT所退出線路時短路阻抗曲線圖

為了更好地比較線路短路阻抗變化，將各種情況下的F-R短路阻抗繪于圖7。

圖7 系統(tǒng)恢復供電過程的阻抗變化曲線圖

由圖7可知，當系統(tǒng)解裂為直接供電方式時，線路測得的短路阻抗最大，為了避免系統(tǒng)重合閘后距離保護拒動，可以按文獻[2]提到的方法整定新的阻抗值。當AT變壓器投入時，線路阻抗若繼續(xù)按直接供電方式整定，會因整定值過大而引起誤動；若按全并聯(lián)方式整定，在只有AT所投入情況下，第二段 AT線路的后半部分會出現(xiàn)拒動現(xiàn)象；在AT所和分區(qū)所都投入的情況下，2種整定值都因較大而引起誤動；在AT所退出運行情況下，也會由于2種整定值都較大而引起誤動。所以，為了保證全并聯(lián)AT供電的可靠性和安全性，應當設定多個阻抗整定值，根據(jù)AT變壓器的投入情況，在不同整定值之間進行切換，該方式在微機保護裝置中是可以實現(xiàn)的。

4 結論

根據(jù)全并聯(lián)AT正常供電時，分區(qū)所和AT所只有1臺AT變壓器投入的特點，提出的饋線保護策略能夠消除線路瞬時故障，縮小停電范圍，滿足高速鐵路的要求。分析了上行發(fā)生永久性故障后下行恢復供電的變化過程，并且對各種變化過程的線路進行了短路阻抗仿真。最后通過比較分析，提出根據(jù)AT變壓器的投入情況切換不同的整定值，從而保障供電的可靠性。仿真模型沒有考慮接地網(wǎng)和保護線等影響，所以和實際線路存在一定的誤差。

[1]熊列彬.全并聯(lián)AT供電方式下供電臂保護控制方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2006，（22）：73-76.

[2]鮑英豪.全并聯(lián)AT供電方式保護和測距方案研究[J].電氣化鐵道，2010，（2）：15-19.

[3]朱正芳.AT牽引網(wǎng)故障測距原理研究與改進[J].電氣化鐵道，2003，（6）：27-31.

[4]王繼芳，高仕斌.全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)短路故障分析[J].電氣化鐵道，2005，（4）：20-23.

[5]李群湛，賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.