馬燕寧

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測距方法

馬燕寧

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

高速鐵路已經成為我國鐵路的必然發(fā)展趨勢。介紹了適宜于高速鐵路發(fā)展的雙邊供電方式，對雙邊供電方式下全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)的等值電路進行了分析和仿真，在等值電路的基礎上研究了全并聯(lián)AT雙邊供電方式的故障測距方法，并提出了基本的測距流程。

雙邊供電；全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)；故障測距

0 引言

隨著我國經濟的持續(xù)增長，鐵道的發(fā)展成為交通運輸的核心問題。為了解決客貨運量嚴重的飽和與鐵路運輸能力之間的矛盾，中國將提升鐵路運行速度，增大鐵路運營密度作為鐵路發(fā)展的重點。電氣化鐵道一般采用單邊電源供電。在這種供電方式下，為了減小單相負荷引起的負序電流，牽引供電系統(tǒng)通常采用換相連接的方法，這就使得兩個牽引變電所之間的分區(qū)所處存在電分相，不利于高速行車，并可能引起異相短路故障等問題。雙邊供電幾乎不需要增加相應的專業(yè)設備，線路改造的成本低。與此同時，雙邊供電可以減少一半的電分相數量，有利于列車的高速運行，增加了供電的可靠性[1-2]。因此，雙邊供電牽引供電系統(tǒng)具有一定的經濟和技術優(yōu)越性，值得進一步研究。

1 雙邊供電系統(tǒng)結構分析

由于V/x接線牽引變壓器具有容量利用率高，供電臂電壓水平高，負序電流小等優(yōu)點[3]，且可以由既有單相變壓器改裝得到，因此我國全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)多數采用V/x接線牽引變壓器。結合高速鐵路普遍采用的全并聯(lián)AT牽引供電系統(tǒng)，并考慮到輪流換相接線方式，給出如圖1所示雙邊供電系統(tǒng)示意圖。

圖1 雙邊供電系統(tǒng)示意圖(加圖)

當系統(tǒng)正常運行時，關合線路中間分區(qū)所開關，以實現雙邊供電。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，先斷開分區(qū)所處斷路器，使得雙邊的供電系統(tǒng)恢復單邊供電方式，這樣可以縮小故障范圍。然后對雙邊的供電系統(tǒng)分別進行檢查，判斷發(fā)生故障的系統(tǒng)，并判斷故障是發(fā)生在上下行線路上還是發(fā)生在牽引變壓器處：若故障發(fā)生在上下行線路上，可以斷開相應的斷路器和隔離開關，將故障區(qū)段隔離，并恢復非故障區(qū)段供電；若故障發(fā)生在牽引變壓器處，則要通過斷路器和自動重合閘的配合，切除故障牽引變壓器，啟用備用變壓器；若雙邊的供電系統(tǒng)中有一個變電所無法實現供電，可由另一邊的變電所對其供電區(qū)段進行供電，原理與越區(qū)供電相似[4]。

2 雙邊供電方式等值電路分析

全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網T-R短路電路圖如圖2所示[5]。為了簡便分析與計算，不考慮牽引變壓器內部阻抗的影響，即認為雙邊供電時兩個相鄰變電所的電壓是相等的。假設AT變壓器為理想變壓器。圖2中，LA為變電所A方向第一個AT所到短路點的距離，單位km；D為短路點所在AT段的長度，單位km；X為變電所A方向與短路點最近的AT所到短路點的距離，單位km；L為供電臂總長度，單位km。

圖2 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網短路電路圖

由文獻[6]中所闡述的單邊供電方式下的單線AT供電方式的等值電路推導方式，等效推導出全并聯(lián)AT雙邊供電方式的T-R短路等值電路，如圖3所示。由于兩側變電所的距離一般在50～70 km，其線路長度遠小于電壓波長，可以忽略空間對線路參數的影響，因此這里的等值電路采用集總參數模型，未考慮分布參數特性。圖3中,Z1=(ZT+ZRF-ZTR-ZTF)/2,Z2=ZR+(ZT+ZTF-ZRF-3ZTR)/2,Z3=(ZF-ZT)/4+(ZTR-ZRF)/2。

圖3 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網T-R短路等值電路(1)

為了計算和分析更加直觀，對圖3中并聯(lián)區(qū)段進行合并，并對短路處進行△-Y轉換，可以得到圖4所示等值電路(2)。

圖4 全并聯(lián)AT雙邊供電牽引網T-R短路等值電路(2)

圖5 供電牽引網T-R短路等值電路(3) 圖6 供電牽引網T-R短路等值電路(4)

前文已假設雙邊供電時兩個相鄰變電所的電壓是相等的，則對圖6中兩邊電流進行分析可知LAZAAIa=(L-LA)ZAAIb,LA=LIb/(Ia+Ib)。因此，在測得兩邊變電所流出電流的基礎上，可求出LA的值，即T-R短路點距離變電所A方向第一個AT所的距離。

在單邊供電的全并聯(lián)AT供電方式下，一般采用“AT中性點吸上電流比”、“橫連線電流比”和“轉移阻抗法”等方法進行故障測距[7-9]。但在全并聯(lián)AT雙邊供電方式下，根據上述故障測距的原理，通過在兩邊變電所安裝故障測距裝置，測得兩邊變電所流出電流的值，集中后進行簡單計算，即可完成故障測距，相比較之前提到的幾種原理，本原理更加簡單。

3 故障測距方案仿真分析

根據圖2，搭建Matlab/Simulink的全并聯(lián)AT雙邊供電方式仿真模型，其主要參數為：兩個牽引變電所間的牽引網供電臂長度為60 km，其中各AT段長度分別為15 km、16 km、14 km、15 km；AT變壓器容量32 MVA，漏抗0.15+j0.6；牽引網線路阻抗值如表1所示。根據LA=LIb/(Ia+Ib)計算出LA的仿真結果，如表2所示。

表1 牽引網線路阻抗線路阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/Ω互阻抗阻抗值/ΩzT0．2314+j0．6813zTR0．05+j0．4133zT1-T20．05+j0．3288zR1-T20．05+j0．2918zF0．14+j0．5826zTF0．05+j0．3137zT1-R20．05+j0．2918zR1-R20．05+j0．3140zR0．212+j0．7643zFR0．05+j0．3053zT1-F20．05+j0．3169zR1-F20．05+j0．2802

由表2仿真結果可以看出，故障測距方法與實際情況存在一定誤差，原因是故障原理未考慮變壓器漏抗，但總體來說，故障測距方法誤差不超過0.05 km。

4 雙邊供電方式的故障測距方案

4.1 故障測距的啟動

在接觸網正常運行時，兩邊變電所的數據采集裝置持續(xù)對變電站的交流電流量進行采集。當接觸網發(fā)生短路故障時，故障測距單元在繼電保護動作下啟動。故障測距單元采用內部啟動和外部啟動的雙啟動方式，內部啟動是指根據繼電保護綜合裝置的內部保護判斷程序(如：自適應距離保護程序、低電壓啟動的過電流保護程序等)，判定保護啟動時，同時啟動故障測距單元程序；外部啟動是指根據饋線保護裝置(保護繼電器)的動作信號來啟動故障測距單元，兩者本質上是一致的。在內部啟動失效的情況下，外部啟動將強制啟動故障測距單元，從而保證了故障測距的順利啟動。由于兩邊變電站故障測距單元的啟動采用同一信號來源，可以最大限度的實現兩邊故障電流量的同時性。

表2 故障測距仿真結果實際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計算故障距離/km實際故障距離/kmIa/AIb/A仿真計算故障距離/km028437．513．260．02361649．292471．9435．9964882．81543．886．01421577．633669．8141．96124658．441167．8812．02481169．634656．2747．95183680．941581．5618．0354542．624869．3853．97242460．941640．63246012．3128375．6759．98303857．193848．2329．97

4.2 故障數據的傳送

故障測距單元啟動以后，根據故障測距原理的要求，需要將其中一邊變電站的電流量傳送到另一變電站的故障測距單元處，進行故障距離計算。根據我國目前鐵道通信發(fā)展的形勢，可以采用兩種形式傳送信息量，即利用遠動通道和鋪設故障測距的專用信息傳送通道。利用遠動通道傳送信息的優(yōu)點是不用增加投資，系統(tǒng)改造工程量小，缺點是信息傳輸的時間延遲比較嚴重；鋪設故障測距的專用信息傳送通道的優(yōu)點是信息傳輸的時間延遲很小，缺點是要額外鋪設專用通道，增加了系統(tǒng)改造的工程量和成本。考慮全并聯(lián) AT雙邊供電方式的主要應用范圍是高速鐵路客運專線，其安全性和穩(wěn)定性的要求非常高，因此選用鋪設故障測距的專用信息傳送通道的方式更能滿足要求。

4.3 故障測距流程圖

根據上述分析，給出全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測距的流程如圖7。

5 結論

根據全并聯(lián)AT雙邊供電方式的結構和等值電路，提出了新型的故障測距原理。該原理計算簡單，經仿真證明準確有效，并同時適用于T-R短路和T-F短路，但并不能分辨出兩種短路的不同，不能作為故障類型判斷的依據。在原理的基礎上，分析了全并聯(lián)AT雙邊供電方式故障測距的流程圖，為后續(xù)故障測距裝置的研發(fā)提供了參考。

[1]李強. 客運專線雙邊供電方案研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2011.

[2]李波. 高速鐵路雙邊供電繼電保護方案研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2011.

[3]徐紅紅，張雷.AT牽引供電方式的分析及應用[J].鐵道運營技術，2007，13(4):8-11.

[4]周娟，陳小川，何順江. 同相AT牽引網供電方式及保護方案研究[J].電氣化鐵道，2007(5):1-4.

[5]辛成山，張美娟. 交流電氣化鐵道雙邊供電研究[J].電氣化鐵道，1998(2):6-11.

[6]辛成山. AT供電系統(tǒng)等值電路推導方法[J].電氣化鐵道，1999(1)：17-20,35.

[7]鮑英豪. 全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)饋線保護與故障測距方案研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2008.

[8]盧濤，韓正慶，王繼芳.全并聯(lián)AT供電方式的故障測距方法[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2006，18(2)：27-30.

[9]王繼芳. 全并聯(lián)AT供電牽引網故障測距研究[D].成都：西南交通大學電氣工程學院，2006.

(責任編輯 劉憲福)

Fault Location Method forBilateral All-parallel AT Traction Power Supply System

Ma Yanning

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

High speed railway has become the inevitable development trend of railway in our country. This paper introduces the bilateral power supply system that is suitable for high speed railway development, and analyzes and simulates the equivalent circuit of the bilateral all-parallel AT power supply system. On the basis of the equivalent circuit, fault location method for the bilateral all-parallel AT power supply system is studied, and the basic ranging process is put forward.

bilateral power supply; all-parallel AT traction system; fault location method

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2014.03.17

2013-12-06

馬燕寧 女 1989年出生 碩士研究生

U226.5

A

2095-0373(2014)03-0079-05